10대에게 권하는 물리학

10대에게 권하는 물리학 - 어려운 물리학을 왜 배워야 할까요? ㅣ 10대에게 권하는 시리즈
이강영 지음 / 글담출판 / 2023년 6월

어린 시절, 애니메이션이나 영화, 책을 보면서 모험이 펼쳐지는 새로운 세계를 탐험하는 공상을 하며 자란 저자는 어린 시절의 그런 꿈들을 놓고싶지 않아 과학자가 되었다고 합니다. 우주와 다른 별들, 공룡에 대해 늘 생각하거나 타임머신과 로봇, 우주선을 만들 수 있게 하는 사람이 바로 과학자라고 생각했기 때문입니다.

과학자가 되려면 어떻게 해야 할까?

방법을 몰랐던 저자는 과학에 관련있는 것들을 잡히는 대로 읽으며 물리학자를 꿈꾸게 되었고, 물리학자가 된 지금, 그 시절의 자신에게 들려주는 마음으로 십대를 위한 이 책을 썼다고 합니다.

물리학이 다루는 주제와 물리학 분야에 대한 자세한 설명에 앞서 물리학의 정의를 짚어봅니다.

물리(物理）라는 말은 '사물의 이치'라는 뜻입니다. 여기서 사물은 특정한 무엇을 가르키는 게 아니라, 지금 우리 눈에 보이는 모든 것들을 말합니다. 그러니 물리학이 다루는 대상은 엄청하게 많을 수밖에 없습니다. 책상과 의자, 연필, 유리창과 같은 우리 주변의 물건은 물론, 물질을 이루는 원자와 분자, 원자핵과 기본 입자, 그리고 원자로 이루어진 고체, 액체, 기체와 같은 물질들이 모두 물리학이 다루는 대상입니다. 또한 발전소나 휴대폰, TV 등의 전자 제품뿐만 아니라 자동차나 온갖 기계도 모두 물리학을 통해 얻은 지식을 이용하고 있습니다. 나아가 생명체 속에서나 별들 속에서 일어나는 현상도 물리학으로 설명되며 시간과 공간, 우주 전체까지 모두 물리학에서 연구하는 주제들입니다.

p12

이처럼 연구분야가 매우 넓은 것은 물리학이 물질의 가장 기본적인 단위가 무엇일지 찾아내고, 그 원리를 탐구하는 과학이기 때문입니다. 이렇게 물질을 원자라는 기본적인 구조를 통해서 이해하는 것처럼, 무언가를 더 기본적인 구조로 바꾸어서 생각하는 방식을 '환원적 방법'이라고 합니다. 과학중에서도 물리학이 환원적 방법의 경향이 가장 강하다고 볼 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 현대 과학의 보편적인 사고 방식이기도 하기에 물리학을 배운 사람이라면 현대 과학의 어떤 분야에도 어렵지 않게 접근할 수 있다고 합니다.

물리학의 기본적인 학문 분야는 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열 및 통계물리학의 네 과목입니다. 이것은 물리학과를 선택하여 진학하면 학부 수준에서 공통적으로 배우는 과목이며, 물리학을 공부하는 사람이라면 누구나 반드시 공부하게 되는 핵심적인 과목입니다.

물리학이란 학문을 연구하는 과학자들은 제일 작은 단위의 입자를 찾는다면 물질을 이루는 원리를 밝힐 수 있을거라 생각했기 때문에 물질을 이루는 보다 더 근본적이고 작은 단위를 찾기위해 애써왔다는 생각이 듭니다.

처음에 물질을 이루는 기본 단위로 제시된 원자라는 개념은 고대 그리스의 자연철학자인 데모크리토스가 생각해 낸 개념입니다. 이 후 아주 많은 시간이 흘러 1800년경 영국에서 활동한 화학자 돌턴으로부터 개념이 되살아나고, 20세기에 구체적인 실체가 파악되었습니다.

원자의 구조와 원자를 지배하는 법칙으로부터 오늘날 문명의 매우 많은 부분이 파생되었습니다. 그것은 우리가 어떤 물질을 다루던지 원자라는 개념을 바탕에 두고 있기 때문입니다. 그리고 더 나아가 원자 내의 구조를 더 파헤져 가장 작은 입자인 쿼크라는 존재를 알게 되었습니다. 이 쿼크의 성질을 양자역학적으로 통일성 있게 이해하고 상대성 이론에 맞게 역학으로 표현해 낸 것이 '기본입자의 표준 모형'입니다.

이 입자물리학의 표준모형은 과학 이론 역사를 넘어 인간 역사에서 대단한 보편성, 정밀성을 갖춘 이론으로 평가받습니다. 모든 것의 이론(theory of everything,TOE)이라고 불리기도 하는 이 표준모형의 보편성과 정밀성에 대한 설명도 솔깃합니다. 나아가 이러한 입자물리학의 발전으로 인해 우주 탄생의 신비가 점점 더 밝혀지고 있습니다. 왜냐하면 별과 우주의 시작을 쿼크 단위까지 들어가 이론을 세울 수 있기 때문입니다. 에너지가 쿼크로 전환되고, 쿼크로부터 양성자가 만들어지고, 양성자와 중성자는 다시 원자핵을 이룹니다. 원자핵은 전자와 함께 원자를 이룹니다.우주론 뿐 아니라 생물학에서도 원자 및 분자 수준에서 분석하고 이해합니다. 표준모형은 이렇게 분야를 막론하고 적용할 수 있다는 보편성을 보여줍니다.

20세기에 인간의 지식이 가장 크게 진보를 이룬 분야는 물질의 근본적인 구조를 이해하는 분야일 것입니다. 앞에서 인간이 원자를 발견하고, 원자의 구조와 원자를 지배하는 법칙을 발견한 과정을 살펴보았지요. 오늘날의 문명은 거의 전적으로 이로부터 파생된 것입니다. 오늘날 우리가 물질을 다루는 기술은 모두 원자라는 개념을 바탕에 두고 있으며, 나아가서 생물학에서도 원자 및 분자 수준에서 분석하고 이해하지요.

p208

그렇다면 물리학의 전망은 어떠할까요?

물리학은 모든 과학과 공학의 기초가 되는 학문이기 때문에 이공계로 진로를 택한다면 물리학을 배우는 것은 물리학자가 되지 않더라도 좋은 선택이라고 할 수 있습니다. 특히 전자공학과 IT 기술은 현대물리학을 기초로 하는 분야이므로 물리학을 전공한 사람에게 유리합니다. 우리나라는 이 분야에서 세계적으로 두각을 나타내고 있기 때문에 앞으로도 물리학을 공부한 인재가 많이 필요할 것으로 봅니다.

이 외에도 우리 생활 환경에서 물리학을 적용해 설명할 수 있는 자연 현상과 현대기술에 대해 원리를 설명하여 줍니다.

나침반, 오로라 현상, GPS,세상의 색을 인지하는 빛의 원리,

레이저, 발전소(자석을 움직이는 에너지를 전기에너지로 바꾸는 과정),

컴퓨터를 만드는 반도체, 디스플레이

이러한 것들은 모두 물리학의 이론으로 설명할 수 있는 것들입니다.

마지막으로 책을 읽고 아이에게 물어볼 흥미로운 질문을 작성해보았습니다. 이 질문들을 던지고 아이가 궁금하여 독서로 이어지기를 바래봅니다. (괄호안은 질문에 대한 내용이 있는 페이지)

노벨 물리학상을 두번 받은 사람이 있을까?(193)

쿼크는 무엇일까?(129)

물리학을 하려면 수학을 잘해야 하나?(28)

자기력과 중력 중 어떤힘이 더 셀까?(71)

물리학의 전체적인 분야를 모두 설명해주기 때문에 찬찬히 여러번 읽어봐도 좋을 것 같습니다. 특히 10대를 위한 책 답게 진로와 앞으로의 전망을 제시하는 내용도 빠지지 않았습니다. 현대기술 문명에 물리학 지식이 얼마나 두루 쓰이며, 앞으로 더 발전해 나갈 물리학 분야가 어떤 것인지 등등이 유용하게 읽히겠습니다.

저자는 물리학 중에서도 원자에 대한 이해가 특히 깊은 것 같고, 물리학을 정말 사랑하는 사람이라는 생각이 들었습니다. 230여페이지인데, 책 내용으로는 마치 400페이지 정도의 책을 읽은 기분이 들기도 합니다. 그만큼 내용이 알차고 넓은 범위에서 물리학에 대한 이야기를 들려주고 싶었던것 같습니다.

수학을 좋아하고 물리학에 대해 아직 낯설은 10대 제 아이에게 위의 질문과 함께 이 책을 권해주고 싶습니다. 분명 물리학에 대해 알고싶은 마음이 들 것이라 생각합니다.