이런 물리라면 포기하지 않을 텐데

이런 물리라면 포기하지 않을 텐데 - 광쌤의 쉽고 명쾌한 물리학 수업 ㅣ 지식이 터진다! 포텐 시리즈
이광조 지음 / 보누스 / 2021년 12월

저자 이광조는 물리에 매력을 느꼈지만 물리가 암기위주로 전락하는 것을 보고 물리의 본질을 찾고자 노력을 하고 있다.

난 물리이론을 정리하고 싶어서 이 책을 읽었다.

물체의 양은 질량이라고 하고 질량은 물체를 구성하는 원자들의 양이다.

이 양을 표현하는 방법은 많고 적다뿐만 아니라 숫자로 할 수 있다.

숫자로 표현하는 순간 직관성과 객관성이 살아나면서 명확해진다.

물리에서 사용하는 양을 물리량이라고 한다.

물리학자들은 숫자를 간략히 하는 방법으로 단위를 고안했다.

저자가 얘기하는 지구 조각을 구하는 과정은 재미있다.

서울 타워와 도쿄 타워를 기준으로 지구 중심을 관통해 뻗어 나가는 연장선을 그린다.

두 연장선은 지구 중심에서 만나므로 만나는 곳을 기점으로 한 지구 조각을 만들 수 있다.

서울 타워 꼭대기에 태양이 떠서 그림자가 생기지 않을 때(하짓날 정오)도쿄 타워에는 반드시 그림자가 생긴다.

도쿄 타워 꼭대기에 올라가 드리워진 그림자 끝과 건물 꼭대기가 이루는 각도를 측정한다.

두 평행선을 가로지르는 선분에 의한 엇각은 같다는 기초 기하를 이용한다.

도쿄 타워 끝에서 측정한 각도=측정하고자 하는 지구 조각의 중심각

서울 타워와 도쿄 타워 사이의 지구 조각50개가 모이면 전체 지구가 된다

따라서 지구의 둘레는 925kmΧ50개=46.250km

지구 둘레를 직접 측정하는 일은 불가능한 것처럼 여겨졌지만

인간은 불가능을 가능으로 바꿔놓았다.

이러한 일이 지구 둘레를 구하는 것에만 한정된 것은 아니다.

인류의 문제해결력은 이처럼 과거의 멋진 아이디어를 습득하고 새로운 아이디어를 계속 덧붙여나가는 것을 반복하며 발전했다.

변화는 물리학의 주제 그 자체다.

태양이 뜨고 지는 것, 공중에 놓아둔 물체가 아래로 떨어지는 것, 뜨거운 물체가 차갑게 식는 것 등이 모두 변화다.

변화하는 것을 주체로 변화가 큰지 작은지, 변화의 정도를 정확하게 표현한다.

변화의 정도는 숫자를 이용하고 변화가 큰 것은 큰 숫자로 변화가 작은 것은 작은 숫자로 표현하면 끝이다.

전기력은 전하를 띠는 입자 사이에 작용하는 힘이다.

전하는 전기 현상을 일으키는 원인으로 양전하, 음전하의 두 종류가 있다.

전기의 양도 숫자로 나타내며 이를 전하량이라고 한다.

전기 부분에서 물리학자들이 헤맨 기록이 있는데 그 이유는 전기는 눈에 보이지 않기 때문이다.

전기력은 두 전하량의 크기에 비례하고 떨어진 거리의 제곱에 반비례한다.

전하량을 질량으로만 바꾸면 만유인력 법칙과 동일한 힘의 형태를 지니지만 차이점도 있다.

전하는 질량과 달리 양과 음 두 종류이므로 힘도 인력과 척력 두 종류가 존재한다.

두 방향으로 나타나는 전기력 현상을 설명하려고 전하를 두 종류로 설정한 것이다.

사로 다른 전하 사이에는 인력이, 서로 같은 전하 사이에는 척력이 작용한다.

전기력의 법칙은 샤를 드 쿨롱이 실험으로 발견했으며 그의 이름을 따 쿨롱 법칙이라고 한다.

전기력은 중력처럼 원거리력(접촉하지 않아도 작용하는 힘)이므로 장의 개념으로 도입해 단순하게 표현할 수 있다.

공간에 놓인 전하는 특별한 시공간 상태를 만들어내며 그 안에 다른 전하가 들어오면 이 전하는 특별한 시공간 상태의 경로를 따라 이동한다.

이동의 원인을 힘으로 정의할 때 이 힘을 전기력이라고 한다.

특정 전하가 만든 특별한 시공간 상태, 즉 전하를 끌어당기거나 밀어내는 잠재적인 능력을 전기장이라고 한다.

아인슈타인은 뉴턴의 만유인력과 달리 중력의 원인을 질량에 의한 주변 시공간의 휘어짐으로 정의했다.

사과가 지구로 떨어지는 것은 지구의 질량과 사과의 질량 사이에 만유인력이 존재해서가 아니라 지구가 만든 휘어진 시공간을 따라 사과가 이동한 결과이다.

아인슈타인의 일반상대성 중력이론은 뉴턴의 만유인력 법칙으로 해결하지 못했던 수성의 세차운동 및 거대한 전체 주변에서 빛이 휘어지는 현상을 설명해냈다.

뉴턴의 만유인력은 거대한 질량 주변에서는 이론이었으며 휘어진 시공간 자체가 중력이었던 것이다.

질량은 시공간을 휘게 하고 (특별한 시공간 상태를 만들고) 휘어진 시공간은 이곳에 놓인 다른 물체의 이동 경로를 결정한다.

뉴턴은 운동의 주체인 물체에 초점을 맞췄다면 아인슈타인은 운동이 펼쳐지는 배경인 시공간에 초점을 맞췄다.

장력은 줄이 팽팽한 긴장 상태를 유지할 때 줄이 물체에 작용하는 힘이다.

줄의 장력이 존재하면 줄에 매달린 물체는 장력으로 인해 운동에 제한을 받는다.

장력의 방향은 팽팽해진 줄에 연결된 물체를 줄의 중심 쪽으로 당기는 방향이 된다.

팽팽해진 줄에 매달린 물체가 정지해 있거나 수직항력처럼 힘의 법칙이 없다.

팽팽해진 줄에 매달린 물체가 정지해 있거나 등속 운동을 하는 경우, 즉 힘의 평형 상태를 이용해 역으로 장력의 크기를 알아 낼 수 있다.

팽팽해진 줄은 줄의 한쪽 끝에 작용하는 힘을 고스란히 줄 반대편으로 전달할 수 있다.

줄은 힘을 그대로 전달하면서 모양의 변화가 가능하다는 특성 덕분에 일상에서 유용하게 활용된다.

가방에 담긴 물체의 무게는 그대로 사람에게 전달되지만 손으로 들 때는 손의 모양에 맞게 어깨에 멜때는 어깨의 곡률 모양에 맞게 줄의 형태가 변화하기 때문에 신체에 밀착되어 안정적으로 무게를 지탱할 수 있다.

물리학 문제를 풀다 보면 물체가 매달린 줄의 질량은 무시한다는 문구가 자주 등장한다.

그 이유는 힘의 법칙이 없는 줄의 장력을 운동 법칙을 통해 쉽게 구하기 위해서다.

줄의 질량이 0이라면 줄이 물체와 함께 어떤 가속도로 운동을 하더라도 줄에 걸리는 합력은 0이 되므로 힘의 평형 조건을 사용할 수 있다.

뉴턴의 제2법칙을 적용해야 하는 경우에도 뉴턴의 제1법칙을 적용할 수 있도록 문제 상황을 임의로 조작한 것이다.

물리 문제를 풀 때 공기 저항은 무시한다, 마찰력은 무시한다, 물체의 크기는 무시한다, 실의 무게와 용수철의 무게는 무시한다와 같은 조건도 자주 봤다.

실제로는 공기 저항이 있는데 왜 공기 저항이 없다고 가정할까?

마찰력이 없을 수 없는데 왜 마찰력이 없다고 가정할까?

물리학은 가능한 한 단순한 상황을 만들어 분석할 대상을 최소화한다.

복잡한 문제를 단번에 해결하는 것은 누구에게나 어렵기 때문이다.

여기서 어렵다는 것은 실제 문제의 난도가 높다는 것이 아니라 반복적이고 시간이 오래 걸리는 귀찮은 문제라는 것이다.

물리는 분해를 통해 문제를 단순화하는 분석 기법을 활용한다.

가장 단순한 상태에서의 원리를 파악하면 다른 요소들은 이 원리의 반복이기 때문에 굳이 전부를 다 해볼 필요가 없다.

물리를 잘하려면 분석 능력이 있어야 한다.

분석 능력을 키우기 위해 가장 단순한 상태의 조건을 제시해서 원리 파악을 수월하게 하도록 하는 것이다.

물리학은 기본 원칙이 몇 가지밖에 되지 않아서 우려먹기 굉장히 심한 학문이다.

이 몇 안되는 원칙을 다양한 분야에 적용하면 그대로 그 분야에서 통하는 법칙이다.

물리학이 적고 간단한 이유는 원래 자연이 단순한 원리로 작동하고 있기 때문이다.

뉴턴 역학의 기본만 제대로 이해하면 나머지 물리학 분야로의 확장은 어렵지 않게 해낼 수 있다.

양자 역학을 접할 때는 기존의 원칙과 다른 새로운 것을 공부한다는 자세로 접근하는 것이 좋다.

원자의 공유결합은 각각의 원자가 하나의 전자를 동시에 자신의 것으로 인식하는 양자 역학의 양자 중첩상태다.

반도체의 작동 원리는 양자 역학으로 설명할 수 있다.

양자 얽힘 현상을 이용해 해킹과 복제가 불가능한 양자 통신도 상용화가 진행중이며 슈퍼 컴퓨터보다 계산 속도가 수억 배이상 빠른 양자 컴퓨터의 개발도 가속화되고 있다.

양자 역학은 다른 물리 분야와는 달리 실용주의적 태도로 접근하기에 적합한 이론이다.

특수상대성이론에 의하면 이론적으로는 시간 여행이 가능하다.

우주선을 타고 빛의 속도에 준하는 속도로 운동만 하면 된다.

우주선 안에 있는 사람이나 지구에 남아 있는 사람 모두 자신들의 시간은 정상적으로 흐른다.

하지만 우주선의 시계는 10년을 운동하고 지구로 돌아오면 지구는 70년의 시간이 흘러 있다.

정확한 시간은 우주선의 속도에 따라 달라진다.

지구 관측자가 운동하는 우주선의 시계를 보면 시간 지연이 일어나 느리게 가는 것으로 보인다.

하지만 우주선 안에 있는 사람은 자신의 시간을 정상으로 측정하는데 이 시간이 10년인 것이다.

따라서 우주선 안에 있는 사람이 지구로 돌아오면 지구의 시간이 더많이 흘러 있으므로 더 먼 미래가 되어 있다.

빠르게 운동하는 우주선이 타임머신이며 10년을 투자해 70년 뒤의 미래를 선택한 것이 된다.

무언가를 보기 위해선 빛이 우리 눈에 들어와야만 한다.

태양과 지구 사이의 거리는 멀어서 엄청난 속도의 빛이라 할지라도 태양에서 출발한 빛이 지구에 도달하기까지 약 8분이 소요된다.

우리가 현재 보는 태양의 모습은 이미 8분 전에 태양을 출발한 빛이다.

지금 이 순간의 태양의 실제 모습을 보고자 한다면 지금으로부터 약 8분 뒤에 태양을 보아야 한다.

태양보다 훨씬 멀리 있는 별들의 상황은 더욱 극적이다.

10만 광년 떨어진 거리에 있는 별이 보인다면 현재 우리는 이별의 10만 년 전 과거를 보고 있는 것이다.

이 별이 지금 이 순간 폭발해 최후를 맞이한다 하더라도 앞으로 10만 년 동안 우리 눈에는 별이 계속 존재하는 것으로 보인다.

폭발한 정보를 담고 출발한 빛이 우리 눈에 들어오기까지 앞으로 10만 년이 소요되기 때문이다.

시간 지연 현상은 우리가 사용하는 핸드폰의 위치 정보 표시와 내비게이션 기능에 적용된 것이다.

상대성 이론이 일상에 적용되고 있었던 거다.

정말 이 책은 끝까지 물리를 읽게 하지 포기하지 않게 한다.

[이 글은 출판사로부터 도서를 협찬받아 주관적인 견해에 의해 작성했습니다]