익스트림 물리학

익스트림 물리학 - 수식 없이 읽는 여섯 가지 극한의 물리
옌보쥔 지음, 홍순도 옮김, 안종제 감수 / 그린북 / 2022년 1월

우리는 맨눈으로 우주 깊은 곳을 볼 수 없다. 우리의 운동 속도는 지나치게 빠를 수 없다. 지구의 중력은 지나치게 클 수 없다. 우리 눈으로는 미시적 세계를 볼 수 없다. 분자, 원자는 물론 세균조차도 볼 수 없다. 지구 기온은 지나치게 높을 수 없다. 지나치게 낮을 수도 없다. 그렇지 않으면 우리는 얼어죽거나 더워서 죽기 때문이다. 그러므로 물리적 현상을 분명하게 나타나게 만들어서 그 속의 신기한 모습을 보려면 환경 수치 정보를 극한으로 설정하는 방법이 단연 최적이라고 해도 좋다. (-7-)


공기저항은 교통수단 운행에 악영향을 끼친다. 하지만 비행기가 하늘로 오를 수 있는 이유는 공기 저항력을 일부분 빌렸기 때문이다. 먼저 간단한 실험을 해보자. 종이 두 장을 나란히 펼쳐 놓고 두 종이 사이에 입김을 불어 넣는다. (-92-)


중력이 얼마나 약한지는 실생활에서도 쉽게 체험할 수 있다. 쇠로 된 작은 나사못이 바닥에 떨어졌다고 가정해 보자. 나사못은 지구 중력의 작용으로 바닥에 떨어진 것이다. 이때 당신은 아주 작은 자석이 갖고 있는 자력이 커다란 지구의 중력을 쉽게 제압한 것이다. (-183-)


조석력은 말 그대로 지구상에서 조석을 일으키는 '힘'이다. 지구상의 조석은 달의 인력이 바다에 작용해 일어나는 현상이다. 인력 관점에서 보면 조석력은 지표면의 위치에 따른 인력 차이 때문에 생성된다. 일정한 크기를 가진 물체는 천체 중력의 영향을 받는다. 천체와 가까운 위치에 작용하는 중력의 크기는 멀리 떨어진 위치에 작용하는 중력보다 크다. (-263-)


알파붕괴는 무거운 원소에서 자주 일어나느 현상이다. 질량이 큰 원자일수록 강력 때문에 생긴 구덩이의 깊이가 얕다. 앞서 이야기했듯 강력은 도달 거리가 매우 짧다. 원자핵은 무거울수록 크기가 크고 강력의 도달 거리가 짧기 때문에 강력이 미치는 영향력이 약하다. 반면 전자기력은 원거리력이므로 원자핵 크기에 관계없이 어디서나 비슷한 효력을 나타낸다. (-372-)


"중성자와 양성자는 중간자 교환에 따라 강한 핵력으로 결속돼 안정적이고 견고한 원자핵팩을 구성한다"고 주장했다. 또 계산을 통해 중간자 질량이 양성자와 중성자의 6분의 1정도라고 추측했다. (-415-)


고전 물리학의 창시자 아이작 뉴턴은 1642년에 태어나 1727년 세상을 떠났다. 그는 만유인력의 법칙을 과학적으로 검증하였고, 태양계 행성의 보편적인 움직임의 근원적인 물리학 이론을 완성하게 된다. 그 당시 그가 만든 망원경과 현미경으로 물리학의 기초를 만들었으며, 우리가 지금 널리 쓰고 있는 미적분의 이론을 정착하게 만든 고전 물리학자이다. 그의 이론에 정면적으로 도전한 이가 바로 아인슈타인이다. 그의 상대성이론은 그가 세상을 떠난지 67년이 지난 지금까지 연구되고 있으며, 광전효과로 노벨상을 탄 아인슈타인의 업적에 대해서, 최근 중력파 검출로 그의 업적이 다시 부각되고 있다.


이 책이 크게 극쾌(the fastest), 극대(the largest), 극중(the most massive), 극소(the tiniest), 극열(the hottest), 극냉(the coldest) 이렇게 6가지로 구분하고 있으며, 그 첫시작으로 아인슈타인의 상대성이론을 들여다 보고 있는 이유는 여기에 있다. 인류가 최근 100년 사이에 급속하게 발전할 수 있었던 이유는 그동안 아인슈타인이 남겨놓은 물리학적 학문의 깊이를 탐구하는 과정에서 새로운 이치를 꾸준히 찾아나가고, 깨닫게 되었고, 태양계 너머의 저 먼곳까지의 우주까지 우리의 시선이 확장될 수 있었던 것과 이와 무관하지 않앗다. 빅뱅과 블랙홀에 대한 이해, 양자 물리학이라는 새로운 학문이 등장하게 되었던 이유, 실제 인간이 실제 블랙홀에 들어간다면, 어떻게 될 것인가에 대한 상상력의 날개를 피울 수 있었던 원리도 여기에 있으며, 인간의 여섯가지 극한의 물리학을 살펴 본다면, 햔대인이 당연하게 사용하고 있는 전자지도, 스마트폰, 저율주행자동차의 근원적인 원리가 이 책에 나오는 <익스트림 물리학>의 학문적 소양에서 벗어나지 못한다는 걸 알 수 있다. 즉 미시적인 것과 거시적인 부분, 극대와 극소의 세계를 인간이 찾아갈 수 있엇던 건, 인간이 그 중간에 있는 어정쩡한 진화론적 위치에 있기 때문이다. 실생활에서 눈으로 보고, 귀로 듣고, 맛보고, 만져 보고, 냄새를 맡아보는 오감의 범주에 해당되지 않는 저 너머의 또다른 세계에 대해 알기 위해서, 신비로운 세계를 들여다 보기 위해 다양한 기구를 발견하였으며, 망원경, 현미경, 우주 탐사선과 같은 과학적 기술에 근간을 둔 과학적 업적이 우리의 세계를 확장하게 해주고 있었다.