물리학으로 풀어보는 세계의 구조

물리학으로 풀어보는 세계의 구조 - 거의 모든 것에 대한 물리학적 설명
마쓰바라 다카히코 지음, 한진아 옮김 / 처음북스 / 2019년 8월

상대성 이론을 설명할 수 있는가? 블랙홀의 원리는?
학창시절 과학 점수가 꽤 나쁘지 않았다고 해도 .. 물리는 대부분의 학생에게 결코 쉬운 과목이 아니었다. 그 어려운 물리를 쉽게 접근해 볼 수 있는 책이 있다.
 
얼마전 서.이웃님 글 중에서 아이가 '하늘은 왜 파래?' 라고 물은 질문에 '엄마가 파랗게 칠했어.라고 답했다가 아이도 칠하겠다고 해서 난감했다고, 우주에 관한 책을 소개하면서 설명한 글을 본 적이 있었는데 .. 이 책에서도 왜 하늘이 파랗고 노을이 빨간지에 대한 답이 나온다. 

짧게 정리하자면 가시광선 빨~보 중 빨강은 파장이 길어 똑바로 나가고 보라는 파장이 가장 짧아 진로를 바꿔 쉽게 '산란'하게 되는데, 이때문에 태양과 다른 방향에서 눈에 들어오는 빛이 푸른빛이 많아 하늘이 푸르다는 것이다. 단 해가 뜨고 지는 무렵은 태양이 옆으로 기울고, 태양빛이 대기속을 통과하는 거리가 압도적으로 걸어지기 때문에 산란하기 쉬운 푸른빛은 도중에 빛을 잃게되어, 똑바로 멀리 갈 수 있는 붉은 빛만 눈에 도달하게 되어 붉은 빛을 띄는 것이다.
그 외에도 월가에서 활약하고 있는 물리학자의 이야기나 화상과 동상이 분자 운동과 연관되어 있음을 설명하는 등, 실 생활속에서 물리학으로 설명할 수 있는 부분을 복잡한 공식이나 난해한 용어 없이 쉽게 설명해준다.
 
물론.. 물리학의 꽃(?) 상대성 원리와 양자론으로 넘어가면서 여전히 머리속이 뱅글뱅글 도는 것 같은 느낌을 받기는 하지만, 그래도 공식없이 상식적(?)으로 이해할 수 있도록 설명하고 있다.
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GPS가 상대성 이론과 밀접한 연관이 있다는 것을 알고 있는가?

GPS란 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System)의 약자로, 위성 전파를 사용하여 나의 현재 장소를 알려주는 시스템이다. 

GPS의 구조
GPS용 인공위성 여러개가 지구 주변을 돌며 위치 정보와 시각 정보를 전파로 발생하고, 이 전파를 GPS 수신기로 받아 전파를 발산한 시각과 수신한 시각의 차로 전파가 도달할 때까지 걸린 시간을 계산한다. 이후 '속도 X 시간 = 거리' 라는 단순한 계산을 사용하여 위성에서 자신이 있는 장소까지의 거리를 계산한다. 원리적으로 최소 세 개의 위성의 정보를 교차하면 위치가 정확히 결정되지만, 전파의 속도는 빛과 마찬가지로 초속 30만킬로미터기 때문에 약간만 어긋나도 커다란 오차가 생긴다. GPS와 수신 측의 시간 차를 맞추기 위해 네개 이상의 GPS 위성에서 전파를 수신하여 위치를 측정하는 것이다.

GPS의 구조에서 오차를 더 없애기 위해 대기의 상태나 인공위성의 궤도 등의 다양한 조건을 고려하여 보정하고 있는데, 그 조건 중 하나가 상대성 이론이다.
상대성 이론에는 움직이는 것의 시간이 느리게 간다는 '특수 상대성 이론'과 중력이 작용하면 시공간이 왜곡돼 시간이 느리게 간다라는 '일반 상대성 이론' 두종류가 있는데, GPS는 이 두 이론을 응용하고 있다.
GPS 위성이 초속 4km 속도로 움직이면서 지구에서 봤을 때 시간이 약간 느려지게 된다.  (특수 상대성 이론) 또한 지구와 하늘위의 중력의 크기가 다르므로 시공간의 왜곡이 커지게 되고 (일반 상대성 이론) 이로 인해 중력이 큰 지구의 표면에서 하늘에 비해 시간이 느리게 간다는 것이다.
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보통의 물리학은 실험 결과에서 기존의 이론과의 차이를 발견하고, 그 차이를 단서로 새로운 이론을 찾아 발전한다. 기존의 이론으로 설명할 수 없는 결과가 발생하고 '왜?'라는 의문으로 새로운 이론을 만든다는 것이다. 그러나 일반 상대성 이론은 '물체와 물체 사이에 왜 인력이 작용하는가'라는 소박한 의문을 시작으로 일반 상대성 이론을 만들고, 실험을 통해 뉴턴 이론과 차이가 발생하는 부분을 확인하는 결과를 확인했다.
아인슈타인이 특별한 천재로 여겨지는 이유 중 하나이다.
 
이미 여러번 이야기한 것 같지만 이책의 가장 놀라운 부분은 물리학을 공식없이 풀어냈다는 것이다.  그것만으로도 한번쯤 읽어볼 가치가 있을 것 같다.