NEW 재미있는 물리여행

NEW 재미있는 물리여행 - 정식 한국어판
루이스 캐럴 엡스타인 지음, 강남화 옮김 / 꿈결 / 2017년 7월

고등학교 학창시절 물리를 배웠던 엄마에게도 물리란 어렵기만 하고 현실에서는 아무 쓸모 없는 수학의 연장선인 학문 정도라만 인식되네요. 그 어려운 물리가 우리 생활에 무슨 필요가 있을까? 라는 고민을 수차례 하게 됩니다. 하지만 좀 더 깊숙히 들여다보면 물리라는 학문에서 나온 여러 이론들이 오늘날 우리가 살아가는데 있어 꼬옥 필요하고 편리함을 안겨준 모든 주변의 물건들의 기초가 되었다는 사실에 놀랄거에요. 또한 물리적 사고를 통해 우리의 사고력이 2차원적인 평면적 사고에서 3차원 이상의 공간적 사고로 바뀔수 있다는 사실에 한번 더 놀랄거에요. 지은이의 말처럼 운동으로 자신의 몸을 단련하듯 물리의 면면을 보여주는 328가지 물리 문제를 고민해보면서 자신의 생각의 오류를 짚어보고 물리에 대한 감각을 키우는 것은 정신적 단련의 한 방법이 될거에요. 이 책으로 정신적 팔굽혀펴기를 하면서 자신에게 스스로 질문하는 법을 배우고 직관적으로 답을 추측할 수 있는 능력을 키울 수 있는 멋진 기회를 가져보는건 어떨지요.

강남화 교수님을 비롯한 현재 물리 및 과학 교과의 국가 교육과정를 기획하고 교과서를 개발하는 등 우리나라 과학 교육을 이끄는 여러 전문가 선생님들을 통해 이 책이 번역된 것을 보면 물리의 세계가 얼마나 광범위한지, 그 광범위한 물리의 세계를 물리에 관심이 있는 학생들, 일반인 모두에게 쉽게 읽히고 이해할 수 있도록 노력했는지 가늠해 볼 수 있겠어요. 그만큼 모든 이가 공유할 가치가 있는 물리의 개념을 더 수준 높은 개념까지 이해하도록 만들고 싶은 바램이 아니었을지요.

이 책에서 가장 많은 부분을 차지하는 역학은 물리학의 목표이기도 합니다. 역시나 읽으면서 가장 힘들고 어려운 부분이었던것 같아요. 운동학, 뉴턴의 운동법칙, 운동량과 에너지, 원운동, 중력 5가지 테마로 분리하여 질문하고 답을 추론하도록 구성되어 있어요. 고등학교 물리 시간에 주로 다루었던 내용이네요. 수학 공식처럼 공식을 외워 문제풀이 했던 고등학교 물리와 달리 실생활에서 접할 수 있는 내용을 계산이 아닌 직관에 의해 답을 추측하도록 되어 있어요.

원운동 편 줄에 매단 공을 살펴보도록 해요.

공을 긴 줄에 매달아서 수평으로 큰 원을 그리며 돌리고 있다가 줄을 잡아 당겨 원의 크기를 작게 만들면 공의 속력은 어떻게 변할지라는 문제에요. 직관적으로도 같은 힘으로 공을 돌리다가 줄이 짧아지면 줄을 통해 공에 전달되는 힘이 더 커질듯 하니 속력은 커질거라 생각되네요.

답을 통해 당기는 힘은 항상 측면으로 작용하여 공의 운동 방향만을 계속 변화시키는데 줄의 길이를 변화시켜 공이 움직이던 원이 크기를 작게 했을 때는 줄의 당기는 힘이 공의 운동 방향에 정확히 측면으로 작용하지 않아 속력의 변화를 가져온다네요. 이를 통해  각운동량의 개념을 알 수 있었어요. 각운동량은 회전하는 물체에 토크가 작용하지 않으면 변하지 않으며 각운동량 = 질량 X 속력 X 반지름 이므로 작은 원운동으로 반지름이 줄었다면 속력은 증가해야 한다는거에요.

고체에 주로 나타나는 마찰이 없는 유체에서는 운동의 법칙이 뚜렷하게 드러난다네요. 유체에 떠 있기에는 너무 무거운 고체를 뜨게 하려면 고체의 속이 어느 정도 비어 있어야 하는지가 물리학에서 가장 오래된 의문이랍니다. 유체편에는 어떤 물리 질문이 있을지 궁금해집니다.

피싱 교수의 양동이 문제를 풀어보아요.

양동이 바닥에 있는 B 구멍으로 빠져나오는 물과, 높이가 d인 지점에 있는  T 구멍에서 빠져나오기 시작해 양동이 바닥 높이에 있는 배수관에서 빠져나오는 물의 속도를 비교하는거에요.

높이 차이에 의한 운동에너지를 더 많이 가지고 있는 T 구멍의 물이 더 빨리 빠져나올거라고 생각했는데 틀렸군요.

배출구의 높이가 같으므로 두 배출구에서 압력 수두의 크기가 같아 물의 속력은 같답니다. 답의 그림처럼 T 구멍의 위치를 조절해 배수관인 B 구멍과 연결한다고 했을때 물의 속도가 다르다면 속도가 빠른 배수 구멍에서 반대쪽으로 물이 계속해서 영구운동을 해야하므로 에너지 보존의 관점에서 존재할 수 없는 상황으로 두 구멍에서 나오는 물의 속력은 같아야 한다는 사실을 알 수 있었어요.

성공하지는 못했지만 영구운동에 대한 탐구에서 시작된 역학의 어려움을 다시 한 번 실감하게 됩니다.

눈에 보이지 않는 열이지만 우리는 손끝으로 느낄 수 있어요. 물리학자들은 육안으로 관찰할 수 없는 것을 이해하기 위해 노력했고 열은 만질 수 없는 것 중 '실제적'인 것으로 다루어진 최초의 것이랍니다. 보이지 않는 열과 관련된 생각의 오류는 어떤 것이 있을까요?

집 칠하기 문제를 살펴봐요.

집을 칠하기 위한 최적의 색깔을 묻고 있네요. 예술 문제가 아니라 열에 대한 문제이니 당연히 흰색처럼 밝은 색이라고 추론했어요.

답을 보니 제가 생각한 이유 말고도 다양한 이유가 있군요.

흰색은 빛을 최대한 반사시켜 낮 동안 집을 시원하게 유지시켜 주고, 복사를 최소화하므로 밤사이 집을 따뜻하게 유지시켜 주고, 빛을 반사하니 흡수한 빛이 페인트와 그 아래 목재를 파괴하지 않아 집을 오랫동안 유지하게 해 주고, 집과 이웃집 사이에 공간이 작다면 매우 적은 빛이 옆면 창으로 들어오는데 집과 이웃집 벽면이 흰색이면 더 많은 빛을 집과 창문 사이로 반사시켜 전기에너지를 절감할 수 있게 해 준다네요.

에너지 절약 차원에서 집 칠하기는 흰색으로 해야겠어요. 물리를 알면 실생활에 바로 도움이 된다는 사실을 깨달았어요.

공간에서 출렁거리는 파동, 시간의 흐름에 따라 출렁거리는 진동, 이런 출렁거림은 손끝으로 감지하거나 파악하기도 어렵고, 시간과 공간을 따라 펼쳐지므로 무엇이라 딱 꼬집어 말하기 어려운 존재입니다. 다른 것과 달리 동시에 같은 장소에 존재할 수 있는 파동과 진동이지만 우리의 귀는 이를 음미하면서 각각의 진동을 구할 수 있다는군요. 진동에 대한 생각의 오류를 알아보도록 해요.

조각 문제입니다.

​교향곡 전 악장이 녹음된 테이프에서 작은 조각을 잘라 냈을때 이 부분이 녹음될 때 연주된 음이 무엇인지 정확히 알 수 있을지 묻는군요. TV에서 음성 분석을 통해 녹음 기록의 조작 여부, 동일인인지를 알아보는 전문가의 인터뷰를 보았던 기억으로 고유의 파동에 의한 분석으로 어떤 음인지 알 수 있다고 추론해보았어요.

답을 보니 절반의 정답이네요. 지나치게 조각이 짧지 않다면 알 수 있으나 조각이 아주 짧은 경우 원음을 알아내는 것은 거의 불가능하다는군요. 설령 녹음된 테이프에서 나온 조각을 녹음되지 않은 빈 테이프에 이어 맞춘 후 테이프를 재생하면 조각이 연결된 부분을 지날 때 삑 하는 소리가 나는데 그 소리로부터 원음을 찾아내는 것도 불가능하다네요.

흔히 접하는 빛이야 말로 우리가 주변에서 가장 중요성을 모르고 지나치는 현상이 아닐지요. 잘 알고 있다고 생각하고 많이 알려져 있다고 생각하는 빛의 세계에도 덜 알려진 것이 있답니다. 빛에 대한 생각의 오류를 짚어보도록 해요.

거의 잡을수 있을 것 같은데 문제를 풀어봐요.

동전 한 개가 물속에 있는데 동전이 어떻게 보이는지 물어보는군요. 경험해보기도 했고 수업시간에 배운 내용이라 바로 동전이 수면 쪽으로 더 가까이 보인다고 추론합니다.

정답을 통해 이유까지 확실하게 알 수 있었어요.

우리는 양쪽 눈을 통해 물체까지의 거리를 짐작할 수 있는데 이 때 양쪽 눈의 시야각이 얼마나 되는지를 판단한다네요. 물체가 가까이 있을수록 양쪽 눈의 시야각은 더 많이 커져야 하는데 물이 존재하는 상황일때, 광선이 휘어지므로 실제로 동전은 바닥에 있지만 동전은 수면 가까이 있는 것처럼 인식되어 양쪽 눈의 시야각이 좁아지므로 동전이 실제 위치보다 수면 쪽으로 더 가깝게 떠 있는 것처럼 보인답니다.

전기와 자기에 대한 비밀이 알려지고 세상이 많이 변했어요. 터빈이 빙빙 돌면서 만들어 낸 전기가 도시를 밝히고 모터를 돌려 인간과 동물의 수고를 덜어 주고, 열과 메세지 전달도 가능하게 해주었어요. 아마도 오늘날 우리 인류의 편리함의 많은 부분은 전기와 자기의 물리 개념에 의한게 아닐지요.

다시, 고압선에 앉은 참새 문제를 풀어봐요.

전구를 사이에 두고 전선 위에 앉아 있다면 참새는 어떻게 될까 문제군요. 주위에서 볼 수 있는 고압선에 앉아 있는 새들이 감전이 되지 않는 이유는 지속적으로 전류가 흐르는 전선 위에 앉으면 두 다리 사이의 전압차가 없어 감전이 되지 않을거라는 생각으로 스위치를 닫으면 감전될 거라고 추론했어요.

풀이를 보니 스위치를 열면 스위치의 한쪽에 있는 전선은 모두 12V가 되고 반대쪽의 전선은 전부 OV이지만 참새는 한쪽 전선에 있으므로 새에게는 전압차가 없지만 스위치를 닫으면 전류가 전구의 저항을 통해 흐르게 되고 전류의 일부는 우회하여 새를 통해 흐르고 새는 감전된다네요. 전압차는 저항의 양 끝에서 나타나는데 스위치가 닫히면 막힌 부분은 저항이니까요. 
 

시간이 추가된 4차원의 세계를 설명하는 아인슈타인의 상대성이론은 어렵기만 하다고 생각되네요. 이런 상대성이론이 실생활에서 어떤 문제로 다가올 수 있는지, 그 오류는 무엇일지 함께 생각해봐요.

자기 현상의 원인을 묻는 질문입니다.

역시 어렵군요. 답을 추론할 수가 없어요.

답을 살펴볼까요.

​자기력도 상대성이론과 관련이 있음을 알 수 있었어요. 자기력은 상대성이론의 길이 수축에 의한 정전기적 전하 밀도의 상대적 증가에 의해 나타난다네요. 길이 1m의 전선은 안에 있는 전하의 수만큼 양성자를 가지고 있고 알짜 전하량은 0이 됩니다. 전선의 한쪽 끝을 통해 나가는 전자의 수만큼 다른 한쪽 끝을 통해 전자가 들어오므로 전류가 흘러도 마찬가지이지요, 그러나 이웃하는 전선 속에서 평행하게 움직이는 전자는 상대적으로 정지한 것으로 보여요. 전자들이 같은 방향으로 같은 평균속력으로 움직이기 때문이지요. 반대로 전자의 흐름에 반대 방향으로 움직이는 것으로 보이는 양성자의 경우는 달라요. 전자에게 지각된 전선의 상대성이론의 거리 수축으로 인해 양성자들 사이의 거리는 줄어들고 움직이는 전자는 이웃한 전선 속의 전자 밀도에 비해 큰 양성자 밀도를 보게 되고 반대 부호인 전하 사이에 정전기적 인력이 작용하므로 전선은 결국 서로 끌어당기게 됩니다.
 

우리가 양자의 작동 방식을 이해한다면 세상 전체가 어떻게 돌아가는지 이해할 수 있을거라는 물리학의 꿈인 양자에 대하여 살펴보도록 해요.

사라진 특성 문제에요.

선스펙트럼은 기체에서 방출된 빛이 얇은 슬릿을 통해 프리즘을 지나치게 되면 나타나는데 연속 스펙트럼이 나타나는 경우는 기체가 어떤 상태일지 질문합니다.

양자에 대한 기초 상식이 없는 저는 여러 종류의 원자들이 섞여 있을 때라고 추론합니다. 역시나 정답이 아니군요.

원자가 따로 떨어져 있을 때, 원자들의 전자들은 어떤 일정한 궤도 안에서 움직이게 되고 원자가 에너지를 얻거나 잃게 되면 전자들이 허용된 궤도 사이를 뛰어다니고 각각의 점프는 특정한 에너지 값을 갖는데 이것은 특정한 어떤 색을 가진 광자가 방출된다는 의미이고 단지 어떤 특정한 색만 방출하므로 이것을 '선스펙트럼'이라고 부른답니다. 하지만 원자들이 따로 떨어져 있지 않고 다른 원자들과 함께 꽉 차 있는 상태를 의미하는 높은 압력에 있다고 생각하면 원자들은 서로 다른 원자의 궤도를 방해하고 그러면서 새로운 다른 모양의 궤도들이 존재하기 시작하므로 원자들이 다른 궤도로 점프를 하고, 점프에 따른 색은 달라지므로 연속 스펙트럼을 보여 주게 되는거라네요. 
 

역시 물리 개념은 어렵군요. 하지만 스스로 생각해보면서 추론하고 정답을 보면서 개념을 알아가고 오류를 수정해 나가게 되니 어려운 물리도 점점 흥미를 가지게 되고 조금씩 이해할 수 있게 되는군요.

각 챕터의 뒷편엔 정답과 해설이 없지만 본문에서 다룬 문제들과 유사한 문제들을 보충문제로 ​스스로 풀어보도록 해줍니다. 물리적으로 생각하는 습관을 길러가도록 정신적 팔굽혀펴기 과제를 주는군요. 정답이 아니더라도, 서로 답이 다르더라도 아이와 함께 서로의 추론을 이야기해보고 토론해 보는 시간을 가지면 좋을듯해요.

일상생활에서 찾아낸 생각이 오류를 깨뜨리는 물리 질문 328가지를 묻고 답하면서 물리 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 구성된 이 책은 물리를 알고 배우는 학생에게도, 물리를 모르는 일반인이나 어린 학생들에게도 딱딱하고 어려운 물리를 단번에 친근하게 만들어 주는 멋진 책이라는 생각이 듭니다. 이 책을 읽으면서 쉽게 지나쳐 버린 주위의 사소한 현상에 질문을 던지고 답해보고, 세상을 이루는 물리학의 기초 원리를 고민해보면서 현재 우리가 당면한 여러 문제의 해결책을 찾아보는건 어떨지요.​