과학와 인문학, 절친 되다...

최무영 교수의 물리학 강의 - 해학과 재치가 어루러진 생생한 과학이야기
최무영 지음 / 책갈피 / 2008년 12월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

가끔 읽고 싶은 책인데 절판이라고 읽지 못하는 책이 있단다. 이번에 읽은 <최무영 교수의 물리학 강의>란 책도 그런 책이었어. 먼저 읽은 사람들의 평을 읽어보면, 하나같이 이 책을 계속 기웃하게 만들더구나. 그렇게 평이 좋다 보면 개정판이 나올 만도 한데, 그렇게 기웃거리고, 개정판 출간 알람을 설정한 지도 꽤 지났는데, 소식이 없구나. 그 사이에 이 책이 얼마나 좋길래, 어떤 내용이 들어있을까 하는 호기심만 무럭무럭 자라나게 되었어. 결국 헌책방을 두리번두리번 거였어. 그렇게 헌책방에서 구입을 했단다. 다행히 책 상태도 괜찮더구나. 아빠는 책 상태를 중요하게 생각하잖아.

자, 드디어 만난 책… 책을 휘리릭 펴봤어. 물리학 책이라고 하는데, 수식은 별로 없고, 글씨만 잔뜩 있구나. 사진도 있고… 그런데 사진이 물리학과 관계없는 미술작품의 그림도 있고, 소설가의 사진들도 있고.. 아, 도대체 무슨 내용이길래.. 더욱 궁금해지더구나.

이 책은 최무영 교수가 서울대에서 자연과학을 전고하지 않은 학생들을 대상으로 한 교양물리학 강의에서 가르쳤던 내용을 정리한 내용이었단다. 이 한 권을 읽고 나면 한 학기 교양 물리학 강의를 들은 거나 진배없는 거야. 그것도 소문난 유명한 강의를 말이야. 책의 문체도 강의체로 되어 있어서 실제로 소리 내어 읽으면 마치 강의를 듣는 기분이 들기도 해. 이런 책은 옆에 노트 한 권 놓고 정리하면서 천천히 읽어야 하는데, 아빠의 책읽기 환경은 그렇지 않아서 이 책을 제대로 이해했다고 볼 수는 없어. 그리고 대학 강의였다면, 중간고사, 기말고사, 리포트도 있었을 텐데, 그런 것을 하면서 수업을 들었다면 더욱 깊이가 있었을 것 같아. 그러고 보니, 최무영 교수님이 이 과목을 가르치면서, 중간고사와 기말고사는 어떤 문제를 냈었는지 책에 참고로 실어 주었어도 재미있었을 거라는 생각이 드는구나. 한 한기 수업을 듣다 보면, 가끔씩 자체 휴강을 하게 되기도 하는데 이런 수업이라면 일이 있어도 꼭 들었을 것 같다는 생각이 들었단다. 아빠도 대학교를 졸업한 지 한참이 지나서, 가끔 그 당시를 회상하면서 다시 강의를 듣고 싶을 때도 있다는 생각을 하곤 하는데 이 책은 그런 면에서 그런 바램을 어느 정도 충족시켜 준 것 같구나.

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1.

자, 그런데 이 책의 내용을 너희들에게 어떻게 전달해 주어야 할지 걱정이 앞서는구나. 한 한기 강의 내용을, 그것도 아빠가 제대로 이해하지 못한 내용을… 과학의 생명은 정확성인데 말이야… 섣불리 이론에 대해 설명했다가 잘못된 지식을 전달해줄 수도 있겠다는 생각이 들었어. 그것은 언제가 될지 모르겠지만, 아빠가 이 책을 다시 한번 정독을 한 다음에… 또는 너희들이 직접 이 책을 읽을 수 있는 나이가 되었을 때, 직접 읽음으로써 얻었으면 좋겠구나.. 이 책은 과학책이지만, 다른 과학책과 다른 점이 몇몇 있어. 인문학과 철학, 예술 등에 관한 내용들이 많이 나온다는 점이야. 이 책을 추천한 장대익 교수가 말한 것처럼 이 책은 두 문화를 연결하는 다리 역할을 해주었어. 두 문화는 물리학자들이 내세우고 있는 과학 문화와 문인들을 주축으로 하는 인문 문화가 그것이야. 우리나라 책들 중에 이렇게 과학과 인문을 접목한 책이 있나 싶더구나.

그리고 과학 용어를 순수한 우리말로 적고 있는 것 또한 독특했단다. 아빠가 알고 있는 용어와 다르게 부르게 있어 익숙지 않았지만, 그런 과학 용어들에 대한 순수한 우리말이 있었다는 것이 신기했어. 블랙홀은 검정구멍으로, 중력장은 중력마당으로, 단백질은 흰자질로, 백색왜성은 하양잔별로…. 그 밖에 상당히 많았는데, 이 편지를 쓰다가 생각이 나면 또 이야기를 해줄게.

2.

수업을 시작하기 전에 첫 강의는 오리엔테이션이잖아. 한 학기 공부할 내용을 간단하게 소개하는 시간. 자연과학이란 무엇일까? 자연과학의 범위부터 생각해볼까? 나중에 다시 자세히 이야기하겠지만, 과학이 탐구하는 것은 이 세상을 넘어 우주 전체까지니까 그 범위가 대단하구나. 그뿐이겠니? 아주 작은 세계까지도 탐구를 하니, 과학의 범위는 무한하다고 해도 과언이 아니겠구나. 그리고 이 강의에서는 과학이 우리에게 주는 것은 무엇일까?도 배운단다. 과학적 사고 방식이라는 것이 있고, 과학을 통해 삶의 새로운 의미를 추구하고, 현실세계에서도 적용을 할 수 있는데, 과학지식을 이용하여 풍요로운 삶을 가져올 수 있어. 지금까지 역사를 봐도 그것은 진실이지. 그런데 과학이 그런 풍요로운 삶만 준 것은 아니고, 엄청난 재앙도 함께 주어서 늘 문제였단다. 그리고 과학은 결국 인간활동의 산물이고, 인간 자체도 과학활동의 탐구 대상이 된다. 인간의 존재가 멸망하기 전까지 과학과 인간은 뗄 수 없는 관계인 거야. 지은이는 교양으로써 과학이 필요한 이유를 이렇게 이야기한단다.

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(30)

물론 교양이 없어도 ‘생물학적’ 삶을 살아가는 데는 아무런 지장이 없습니다. 그러나 인간과 사회, 그리고 자연에 대한 적절한 수준의 이해가 없이는 현대인과 현대사회를 이해할 수 없고 주체적 삶을 만들어 갈 수 없습니다. 따라서 교양이란 단순한 치장이 아니라 현대사회를 살아가는 데 매우 중요한 소양이고 능력입니다. 특히 우리가 어디로 가는지에 대한 인식과 더불어 미래를 건설하는 데 매우 중요합니다.

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자, 그러면 과학적 사고라고 하면 어떤 것을 이야기할까? 첫 번째 기존 지식에 대해 의식적으로 반성하는 사고방식이야. 옛날부터 내려오는 지식은 무조건 맞다는 생각을 버리라는 거지. 뛰어난 과학자들은 모두 이런 의심에서 시작하지 않았나 싶구나. 두 번째로는 자신이 가지고 있는 지식을 정량화하여 객관화할 수 있어야 하고, 세 번째로는 지식의 반증 가능성을 고려해야 해. 과학 이론이라는 것이 한번만 예외적인 상황이 나와도 그냥 거짓이 되어버리는 것이니까 말이야. 그리고 네 번째로 단편 지식들을 하나의 합리적 체계로 만들고 있어야 해. 특정 지식들을 모아서 보편적 지식, 즉 이론으로 만들 수 있는 것...  이런 것들을 과학적 사고라고 할 수 있단다. 그렇게 만들어낸 이론들 중에 좋은 이론은 무엇일까? 좋은 이론은 넓은 범위에서 관측 결과가 설명될 수 있는 이론이 좋은 이론이라고 할 수 있단다.

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<과학혁명의 구조>라는 유명한 책을 쓴 쿤이라는 과학자가 있대. 그가 처음으로 패러다임이라는 용어를 썼다고 하는데, 과학의 역사는 그런 패러다임을 바꾸면서 진행되었다고 설명을 한다는구나. 그는 기존의 패러다임이나 규범 안에서 활동을 하는 것은 정상과학이라고 정의했고, 패러다임을 완전히 바꾸는 것을 과학혁명이라고 했어. 예를 들어 뉴턴의 고전역학에서 상대성이론과 양자역학으로 패러다임을 바꾸는 것은 과학혁명이라고 했어. 그런 패러다임의 변화를 기준으로 고전물리학과 현대물리학으로 나눌 수 있는데, 고전물리학은 뉴턴의 고전역학과 맥스웰의 전자기이론이 여기에 해당하고, 현대물리학은 상대성이론과 양자역학이 해당한다고 하는구나. 그리고 20세기 후반에 들어서 혼돈과 질서가 물리학에 적용되었대. 대충 한 학기를 공부하면 이런 내용들을 배우게 된다.

3.

자, 이제 본격적인 강의에 대한 이야기를 해주어야 하는데, 아빠가 앞서도 이야기했지만 아빠가 전달을 잘못할 수도 있는 과학 이론에 대한 내용은 배제하고, 하더라도 아빠가 메모를 해 놓은 것을 중심으로 이야기해볼게.

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물리학이 다루는 범위를 크기로 나타내볼게. 인간이 다루고 있는 최소 크기는 플랑크 길이란 것이 있는데, 그 크기는 10의 -35제곱 미터이라고 하는구나. 그리고 인간이 다루는 최대 크기는 인간이 알고 있는 가장 먼 천체인 퀘이사까지 거리인데, 그 거리는 10의 26제곱 미터라고 하는구나. 그러니까 물리학이 다루는 크기는 10의 -35제곱부터 10의 26제곱 미터까지.. 도대체 0을 얼마나 많이 써야 하는 거야.. 그리고 시간으로 보자면. 인간이 이해하는 가장 짧은 시간은 플랑크 시간으로 부르는 10의 -43제곱 초이고, (감도 안오는구나.) 가장 긴 시간은 우주의 나이인 137억년에 해당하는 10의 20제곱 초라고 하는구나.

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그럼 작은 세계부터 살펴보자꾸나. 물질을 이루고 있는 것에 대한 연구는 언제부터였을까. 학창시절에도 배웠던 고대 데모크리토스의 원자론에 대해 이야기하더구나. 그리고 근대시대에 와서 원자에 대한 생각을 다시 꺼내든 이가 갈릴레이이고, 실제 돌턴이 화학실험을 통해 원자 가설을 주장했다고 하는구나. 볼츠만이 통계역학을 이용하여 엄밀한 의미에서 원자를 정립하였고, 20세기 들어서면 원자보다 작은 알갱이를 있다는 것들을 알게 되었어. 톰슨이 원자에는 음전기를 띤 물체가 있다는 것을 알게 되어 전자를 발견하게 되었고, 전자는 수소원자의 1836분의 1정도 밖에 안 되는 질량을 가지고 있는 것도 밝혔어. 전자가 음전기를 띠고 있지만, 원자 자체는 전기적으로 중성이기 때문에 양전기를 띠는 물질도 있을 거라고 생각했고, 톰슨은 원자를 건포도빵 같을 것이라고 생각했어. 커다란 양전기를 띤 물체와 음전기를 띤 전자가 건포도처럼 박혀있다고 말이야. 그런데 톰슨의 제자 러더퍼드는 알파선 시험을 통해 전자는 골고루 퍼져 있는 것이 아니고, 양전기와 음전기라 따로 떨어져 있다는 것을 발견했고, 양전기를 띠는 물질을 원자핵이라고 불렀어. 그런데 양전기를 띤 원자핵과 음전기를 띤 전자는 왜 안 붙을까 하는 의심을 하게 되었어. 양전기와 음전기는 서로 끌어당기는 성질이 자연스러운 거니까. 그렇게 붙지 않기 위해서는 전자가 원운동을 할거라고 생각했어. 태양과 지구가 중력에 의해 끌어당기지 않는 이유가 지구가 태양을 돌고 있어 원심력과 중력이 같은 원리와 마찬가지로 생각한 것이야. 작은 물질의 발견은 계속 이어졌어. 채드윅이라는 사람은 원자 내에 중성자를 발견했고, 원자핵은 중성자와 양성자로 이루어졌음을 알게 되었어.

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물질은 무엇으로 이루어졌는가에 대해 탐구하는 것만큼 빛의 정체를 알아내려는 사람들도 많았어. 이 부분은 아빠가 예전에 읽은 <빛의 물리학>이라는 내용과 많이 겹치더구나. 호이겐스는 빛의 에돌이(회절) 현상을 발견하고, 영은 빛이 간섭한다는 것을 발견하면서 빛이 파동일 거라는 생각이 지배적이었어. 파동이라면 파동을 전달하는 매질이 있어야 했어. 그리고 빛이 파동이라면 무엇이 진동하는 것일까? 질문은 꼬리에 꼬리를 물게 되었어. 맥스웰은 빛의 실체는 전자기파라는 것을 밝혔대. 그리고 헤르츠라는 사람이 실험으로 증명을 했대. 아! 어떻게 했냐고는 묻지 말아줘… 다시 책을 꺼내 들어야 한단다. 빛이 파길이(파장)에 따라 여러 가지로 나뉜다는 것을 알게 되었고, 그것들을 넘빨강살(적외선), 넘보라살(자외선)이라 불렀다고 하는구나. 아빠가 앞서도 이야기했지만, 익숙한 용어들의 순우리말을 쓴다고 했잖아. 적외선과 자외선을 넘빨강살과 넘보라살이라는 순수한 우리말이 있다는 것이 신기했단다. 학교에서 그렇게 가르쳐도 좋을 것 같다는 생각이 들었어. 20세기에 오면서 빛에 대한 연구는 빛전자(광전)효과로 이어진단다. 빛전자 효과는 빛을 쪼이면 전자가 나온다는 것이야. 그리고 컴프턴 효과란 것도 있는데, 그것은 빛과 전자가 당구공처럼 부딪히는 움직임이 있다는 것을 보여주었어.. 이런 실험 결과는 빛이 파동이 아닌 입자라는 것을 보여주는 것이었지.

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태초에 빛은 어떻게 생겨났을까? 이 세상의 모든 물질들은 대칭성을 이루고 있다고 하더구나. 그런데 원자를 이루고 있는 양성자와 전자 사이에는 대칭성이 없대. 이걸 과학자들은 이상하다고 생각했어. 그래서 전자, 양성자, 중성자 등 모든 물질은 반대입자가 존재한다고 생각 했어. 그리고 입자와 반대입자가 만나게 되면 빛알이 생기게 되고, 그 입자들은 사라진다고 했어. 그렇게 빛이 탄생한 것이고… 그러면 우리들이 반대입자를 만나면 우리 몸이 사라지는 거냐고? 다행히 지구에는 반대입자는 없고, 그냥 입자만 있다는구나. 우주 건너편 어딘가에 반대입자만 있는 지구와 비슷한 떠돌이별이 있지 않을까 상상해보게 되는구나

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4.

입자의 크기를 다시 이야기 보자꾸나. 원자핵에는 양성자들이 모여 있어. 양성자들은 모두 양전기를 띠고 있단다. 과학적 호기심을 가지고 있는 이라면, 여기서 질문을 하나 던져야 해. 양전기를 띠고 양성자들이 원자핵에 모여 있으면 전자기력에 의해 서로 밀쳐야 하는 거 아니냐고 말이야. 그런데 그 힘을 누르고 양성자들이 같이 모여 있게 만든 힘.. 그것을 핵력이라고 한단다. 이건 참고로 알고 있어.

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다시 입자를 분류해 볼게. 입자를 분류할 때 무게에 따라 무거운 입자로 분류되는 바리온이 있는데, 양성자와 중성자가 여기에 속해. 가벼운 입자로 부르는 렙톤에는 전자, 중성미자가 있고, 그 중간에 중간자라는 하는 파이온이라는 것이 있고, 세 종류가 있대. 이 중간자는 일본사람들이 발견하였다고 하는구나. (일본은 기초과학에 많은 투자를 하다 보니, 이런 성과도 내고, 노벨상도 많이 타고.. 부럽구나.) 그리고 빛알(광자)가 있대…

과학자들은 그 외에 많은 기본입자를 계속 발견하게 된대. 자연계를 구성하는 원자의 종류는 지금까지 92개가 발견되었대. 그런데 그런 원자들을 구성하게 되는 기본입자는 수백 개가 발견되었대. 어떻게 원자를 구성하는 기본입자가 원자의 개수보다 많을 수가 있을까? 과학자들은 또 의심을 하게 되었고, 수백 개의 기본입자를 이루고 있는 더 기본적인 요소가 있지 않을까 연구하기 시작했어. 그 가설을 세우고 그 입자들의 이름을 그 유명한 쿼크라고 이름 지었대. 그리고 실제 쿼크의 존재를 발견하는데, 위(u), 아래(d), 매혹(c), 야릇함(s), 꼭대기(t), 바닥(b)라고 이름 지었다고 하는구나. 그리고 이들의 조합으로 기본입자들이 만들어진다고 했어. 그렇게 쿼크의 존재를 발견하긴 했지만, 각각의 쿼크 하나를 본 사람은 없다고 하는구나. 왜냐하면 전기량이 정수가 아닌 분수이기 때문에 혼자 존재할 수 없대.. (이 내용은 불확실함. 나중에 구글에서 한번 찾아보자꾸나.) 쿼크들끼리 상호작용을 다루는 이론이 있는데, 그것을 양자빛깔역학이라고 하고, 영어로는 QCD 라고 한대. 수백 개의 기본입자들이 있다고 했었잖아. 그것을 다시 간단하게 구분을 하게 되면 쿼크 가족 6가지와 렙톤 가족 6가지와 게이지 입지로 구분할 수 있는데, 게이지 입자는 기본입자들의 상호작용을 전해주는 입자로 빛알, 붙임알, 중력알 등이 있다고 하는구나. 이 기본입자들은 기본상호작용을 하는데 4가지가 있단다. 아빠가 학창시절에 4가지 힘으로 배웠던 기억이 있단다.

그 4가지의 상호작용을 크기가 작은 순으로 나열을 해보면, 중력상호작용<약상호작용<전자기상호작용<강상호작용 순이란다. 앞서 아빠가 이야기했던 핵력은 강상호작용이야. 이 4가지 상호작용 중에 약상호작용과 강상호작용은 아주 짧은 거리에서만 작용을 하기 때문에 우리 일상 생활에서는 느낄 수 없는 상호작용이 되겠다. 이 네 가지 상호작용을 하나의 이론으로 정리하려고 하는 노력들을 과학자들이 했어. 앞서도 이야기했듯이 과학자들은 보편성을 찾으려고 하고, 좋은 이론은 아주 범위가 넓은 곳에 다 만족하는 것을 이야기하니까, 좋은 이론을 만들려고 하는 거지. 그렇게 해서 생긴 이론이 초끈이론이라고 하는구나.

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앞서도 한번 이야기했던 물리학의 특징 중에 하나가 대칭성. 자리 옮김 대칭, 거울 대칭(이것은 돌림 또는 방향 대칭이라고도 해.), 시간 지남 대칭. 이런 대칭성이 의미하는 것은 물리 법칙이 자리를 옮겨도 방향을 바꾸어도, 시간이 지나도 변하지 않는다는 의미야. 그래서 아름답다는 거지. 그런데, 조금씩 대칭성이 깨진다는 것을 발견했대. 그 이유는 반대물질의 수가 물질의 수에 비해 적어졌기 때문이래... -솔직히 아빠가 책을 보면서 이런 메모를 적어놓기는 했는데, 그 상관관계를 잘 모르겠구나.

그럼 계속 이야기해볼게. 아주 옛날에 우주가 처음 생길 때 전자와 양성자가 붕괴되면서 쿼크와 반대쿼크가 생겨났고, 대칭성 깨짐으로 붕괴속도가 달라서 그 숫자가 달라지고.. 쿼크와 반대쿼크가 만나 사라져서 빛이 생겨나고, 남은 쿼크들에 의해 우주가 만들어졌다는 하는구나. 그런 우주의 탄생을 이야기하기 위해 지은이는 물리학의 대칭성과 그 대칭성의 깨짐을 발견한 것을 이야기하는 거야.

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5.

앞서 고전역학을 이야기하면서 현대에 와서 패러다임이 바뀌면서 상대성이론과 양자역학이 생겨났다고 했잖아. 현대에 와서 빠르고 큰 세계와 아주 작은 세계의 현상을 설명하다 보니 고전역학이 맞지 않아서 그랬던 거래. 즉, 고전역학은 느리고 큰 세계, 즉 우리 일상에서는 잘 맞아. 그런데 그 밖에 빠르고 큰 세계, 작고 느린 세계, 작고 빠른 세계는 맞지 않았어. 상대론이 접목한 상대론적 고전역학이 빠르고 큰 세계, 느리고 큰 세계를 설명할 수 있고, 양자역학은 느리고 큰 세계, 느리고 작은 세계를 설명할 수 있대. 그리고 느리고 큰 세계, 빠르고 큰 세계, 느리고 작은 세계, 빠르고 작은 세계.. 이 모든 세계에 맞아 들어가는 것은 상대론적 양자역학이라고 하는구나. 그래서 상대성 이론과 양자역학이 중요한 것이구나,,라는 생각이 들었어.

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그럼 고전역학을 좀더 자세히 이야기해볼게. 사실 이 고전역학은 너희들이 중학교나 고등학교에만 들어가도 엄청 괴롭힐 거야... 시험에 자주 나오니까 말이야. 고전역학의 핵심은 a=(1/m)F 라는 단순한 수식이란다. 가속도는 주어진 힘에 비례하고 무게에 반비례한다는 의미를 식으로 써 넣은 거지... 그럼, 에너지는 뭐냐.. 교과서에는 일을 할 수 있는 능력이라고 정의되어 있는데.. 이것은 애매모호한 정의라고 지은이는 이야기하더구나.

역학에너지라는 것은 운동에너지와 잠재에너지(또는 위치에너지)의 함을 이야기한대... 그런데 공이 위에서 떨어져서 공이 지면에 닿는 순간을 보면, 속도도 0이라서 운동에너지 0, 높이도 0이라고 위치에너지 0. 순간적으로 역학에너지가 0이 되어 에너지 보존을 하지 않는 건가? 하는 의심을 과학자들은 한다고 하는구나 뇌테르라는 사람이 이런 의심을 하고, 뇌테르의 정리로 설명하기를, 에너지는 열, 소리 등 다른 에너지로 전환된다고 했어. 결국 에너지는 보존된다는 거야.

고전역학의 또 하나의 축인 전자기학을 살펴보자꾸나. 전기학의 효시는 쿨롱이고, 전자기이론은 멕스웰 방정식으로 요약할 수 있다고 하는구나. 어려운 미적분 방정식의 향연으로 되어 있는데... 이걸 풀게 되면 자기 마당(자기장)과 전기 마당(전기장)은 서로 변화를 하게 된대. 이 두 가지는 서로 변하고 얽혀 있고, 이때 전자기파가 나오게 된다는 것이 핵심이란다.

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자, 이제 현대물리학에 들어서면... 아인슈타인이라는 걸출한 과학자가 등장하잖아. 아인슈타인은 시간과 공간에 근본적인 오류가 있다고 생각했어. 제대로 파악해야 한다고 했어. 당시 과학자들은 빛이 파동이기 때문에 매질이 있어야 하고, 그 매질을 에테르로 이름 붙이고, 열심히 그 에테르라는 물질을 찾으려고 했대. 그런데 사람들은 에테르는 찾지 못하고, 에테르의 모순만 자꾸 만나게 되었대. 그런데 아인슈타인은 이 에테르를 아예 무시를 했대. 빛이라는 것은 다른 물질들과 다른 성질을 가지고 있다고 생각했어. 가장 대표적인 것이 빛의 속도는 관측자의 속도에 관계없이 속도가 일정하다는 거야. 자세한 것은 아빠가 전에 <빛의 물리학>이라는 책을 읽고 쓴 독서편지를 참고하거나, 그 책을 보거나.... 그래서 특수 상대성 이론을 짧게 정리하면... 움직이는 물체는... 길이는 짧아지고, 시간은 천천히 흐르고, 질량은 무거워지게 된다는 거야. 그리고 질량이 곧 에너지가 되는데 E=mc^2 이라는 유명한 수식도 여기서 나오게 된단다.

상대성 이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론이 있어. 특수상대성이론은 등속도 운동이라는 특수한 상황에서 일어나는 현상에 대한 것이고, 일반상대성이론은 실환경인 속도가 계속 변하는 상황에서 일어나는 현상에 대한 것이야. 일반상대성이론은 고전역학에서 절대적인 것으로 생각했던 시간과 공간이 중력장에 의해 변한다는 것이 바로 핵심이지.. 아빠가 전에 다른 책을 통해서 상대성이론에 대해 읽어서 이 부분은 그래도 이해할만 하더구나. 그리고 너희들에게는 초간단으로 쓰다 보니, 이게 무슨 소린가? 하는 말이 절로 나올 듯 싶구나. 여기서는 간단히 그렇다는 것만 알고 넘어가보자꾸나.,

아빠의 편지가 슬프게도 점점 길어지고 있구나. 일반상대성이론에서 한가지만 더 이야기하고 넘어갈게. 일반상대성이론의 핵심이라고 할 수 있는 것... 중력장에 의해 시간과 공간이 변한다고 했는데, 그로 인해 빛도 휘어진다는 것이야. 페르마의 원리에 따르면 빛은 최단시간으로 이동할 수 있는 경로를 택한다고 하는데, 중력장에 의해 시간과 공간이 휘어져서... 빛이 최단시간으로 가기 위해서는 휘어진 공간에 맞춰 빛도 휘어져야 한다는 것이야. 이걸 아인슈타인은 어려운 수식을 이용해서 주장한 것이란다. 그리고 실제고 에딩턴이 그것을 증명하였다고 하는구나. 그것도 전에 <빛의 물리학>이라는 책이야기를 할 때 해주었으니, 자세한 내용은 패스.

…

자, 이번에는 양자역학.. 아빠가 관심이 많은 양자역학. 하지만 제대로 이해하지 못하는 양자역학. 그래도 관련된 책을 몇 권 읽었더니, -이해는 가지 않지만- 어떤 내용이라는 것은 대충… 앞서도 이야기했지만, 아주 작은 세계, 미시적 세계라고도 부르는, 그곳에서는 고전역학은 맞지 않고, 양자역학에 대해서 설명을 해야 한다고 했잖아. 빛의 이중성 때문에 나타나는 현상.. 입자들이 확률로 존재한다는 것이 양자역학의 핵심인데, 그것이 잘 이해가 가질 않아. 빛이라는 것이 쳐다보고 있으면 입자처럼 움직이고, 안 보고 있으면 파동처럼 움직인다고 하는데…

빛이라는 것은 혹시 우리가 생각하지 못한 또 다른 형태의 생명체가 아닌가? 싶구나. 그러니까 페르마의 원리처럼 최단 시간을 계산해서 이동을 할 수 있고, 우리가 보고 있을 때와 그렇지 않을 때 다르게 움직이지… 양자역학하면 슈뢰딩거의 고양이가 빠질 수 없는데, 이것도 예전에 이야기한 적이 있어서 오늘은 패스. 그리고 아빠가 양자역학에 대한 책을 또 한 권 사두었는데, 그 책을 읽고 나서 이야기해도 될 것 같구나.

6.

20세기 후반에 들어서면 혼돈과 질서가 물리학에 들어오게 되었대.. 고대 그리스에서는 세계가 혼돈의 세계라고 생각했으나, 근대에 와서 우주는 질서가 아주 잘 잡혀 있는 것을 알게 되어, 질서라는 영어 뜻이 코스모스가 우주라는 뜻으로도 쓰이게 되었어. 혼돈이라는 것이 무엇이냐면… 초기 조건이 아주 조금만 바뀌어도 결과가 완전히 달라지는 현상을 이야기한대. 그래서 예측이 불가한 거야. 주사위의 숫자가 무엇이 나올지 예측할 수 없는 것도 혼돈의 예시란다.

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재미있는 이야기 하나 해줄게. 이 책에 나온 이야기인데… 예전에 스웨덴에 오스카 2세라는 왕이 있었는데, 그 왕은 걱정이 많아서, 하늘이 무너지지 않을까 걱정을 했대. 그래서 하늘이 무너지지 않음을 증명하라는 문제에 많은 상금을 걸었대. 푸앵카레라는 과학자가 이걸 증명했다고 하는구나. 그가 증명한 것은 후대에 확인해보니 완벽한 것은 아니었대. 그래도 하늘이 무너지지 않는 것을 증명하다니.. 도대체 어떻게 한 것일까? 그런데, 1960년 콜모고로프와 아놀드 로저라는 사람들이 이 문제를 완벽하게 풀었다고 하는구나. 과학자들은 정말 이 세상의 모든 현상에 대해 호기심을 가지고 있는 것 같구나.

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다시 혼돈에 대해서 이야기해보면.. 우리 일상에서도 볼 수 있는데, 심박수, 뇌파, 주식시세도 다 혼돈이라고 할 수 있고, 따라서 예측하기 어려운 거야. 그런데 그 혼돈을 제어를 할 수 있다고 연구하는 사람들이 있고, 그런 학문을 혼돈공학이라고 이름 붙였대. 질서가 없다고 해서 혼돈이 나쁜 것을 의미하는 것은 아니야. 때론 질서가 좋지 않을 때도 있었대. 우리나라 유신 시대 때 사회는 아주 질서 정연했지만, 그것은 자유를 잃어버린 세상이었다고 지은이는 이야기하고 있어. 아빠는 과학자 중에 이런 진보 좌파 성향의 과학자는 처음 보는 것 같구나. 맘에 들어.

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아직 책의 내용으로는 많이 남았고, 아빠는 글쓰기에 너무 많은 시간을 빼앗겨서 책읽기를 못하고 있고.. 이제 그만 쓰려고 하다가… 그래도 메모에 긁적여 놓은 것은 마저 적어보겠다고 다시 키보드를 두들긴다. 통계역학이란 것이 있어. 그것이 필요한 이유는 거시적 세계, 그러니까 아주 큰 세계를 이해하기 필요하다고 했어.

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엔트로피라고 하면 아빠는 아직도 열역학 제 2법칙이 떠오른단다. 열효율 100%인 열기관을 만들 수 없다는 의미로도 설명되는 것. 그 이유는 엔트로피는 늘어나는 방향으로 모든 자연현상은 일어나기 때문이야. 하지만 우리가 거실이나 방을 청소하면 마치 엔트로피는 줄어든 것처럼 보여… 여기서 이야기하는 엔트로피는 전체 엔트로피를 합치는 것이기 때문에 전체 엔트로피는 늘어났다는 하는구나.. 하지만, 여전히 엔트로피가 줄어드는 경우도 있다고 주장하는 과학자들도 있대.

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과학자는 의심을 해야 한다고 했잖아. 올베르스라는 사람은 밤은 왜 어두운가?에 대한 의심을 가졌대. 수많은 별들이 빛을 쏟아내고 있는데, 왜 밤하늘은 어둡냐는 의심이지. 그 이유는 우주가 점점 불어나고 있기 때문인데, 이런 가설을 처음 생각해 낸 사람이 다름아닌 유명한 소설가 포였다고 하는구나. 이 이야기를 시작으로 우주에 관한 이야기를 해주고 있어. 음… 우주에 관한 이야기는 이 책을 아니더라도 이야기할 기회가 많을 것 같아서, 오늘은 패스할게. 아빠가 게으른 점도 있고, 인내력도 떨어졌고.. 등등… 짧게 쓴다고 했는데, 참 길어졌다. 혹시 읽다가 잠이 든 건 아닌지 모르겠구나.

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이 책을 읽고 난 느낌… 시간만 넉넉하다면 천천히 공부하면서 읽으면 좋겠다는 생각이 들었어. 그렇다면 정말 3학점 짜리 교양물리학을 들은 기분이 들었을 거야. 아빠가 읽고 싶은 책은 많고, 회사일로 늦게 퇴근하고.. 그리고 너희들과 놀고.. 그리고 책 읽는 속도도 느리고… 그러다 보니 책 읽는 시간이 넉넉지가 않아.. 그래서 이런 책도 그냥 소설책 읽듯이 읽다 보니, 금방 잊혀지는구나. 그렇다고 나중까지 기다리기에는 책 내용이 궁금하고.. 이번에는 초벌구이 식으로 읽었다고 생각하고, 언젠가는 넉넉한 시간이 허락하게 되어 중벌구이 식으로 한번 더 읽을 수 있겠지? 하면서 책을 덮었단다. 아참, 그래도 인상적인 페이지는 엄청 많아서, 발췌한 것을 따로 적어 놓았으니, 이 책의 맛보기를 하고 싶다면 그 글을 먼저 읽어봐도 좋을 것 같구나.