교양인을 위한 물리지식

교양인을 위한 물리지식 - 자연현상과 일상, 가전기기에 숨어 있는 물리의 40가지 핵심 원리!
이남영.정태문 지음 / 반니 / 2017년 9월

<교양인을 위한 물리지식>은 자연현상과 일상, 가전기기에 숨어 있는 물리의 40가지 핵심 원리를 알려주는 책으로 흥미롭다. 이 책의 저자는 어떻게 하면 더 많은 사람에게 물리학이 재미있게 다가갈 수는 있을지, 과학적 호기심이 가득한 사람들의 호기심을 풀어주는 역할을 위해 이 책을 쓰게 되었다고 말한다. 이 책은 모두 40개의 주제로 우주와 태양계, 자연현상, 문명의 이기에 사용되는 원리 등에 숨어 있는 물리적 원리나 법칙을 일반 독자들도 쉽게 이해할 수 있도록 수식을 사용하지 않고 사례와 함께 글과 그림으로만 설명했다. 물리학을 어렵게 느꼈던 사람들도 이 책을 통해 과학을 즐기고, 과학을 주제로 한 대화를 자주 나누며 지적인 즐거움을 누릴 수 있을 것이다. 저자는 이 책을 읽은 독자들이 단단해진 과학지식으로 미래에 대한 현명한 통찰을 가졌으면 하는 마음을 이야기한다.

이 책에서 '쌍둥이의 시간은 다르게 흐른다'라는 제목으로 시간과 상대성이론을 이야기하는 글이 인상적이다. 아인슈타인의 상대성이론은 인류가 무의식적으로 가졌던 절대 시간의 믿음을 송두리째 뒤집어버렸다. 아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론을, 1916년에 일반상대성이론을 발표했다. 특수상대성이론은 일정한 속도로 움직이는 그러나 빛의 속도에 버금가는 빠른 속도로 움직이는 '특수한' 세계에서 일어나는 물리 현상을 설명한다. 이 이론에서 아인슈타인은 어떤 경우에도 빛의 속도가 항상 일정하나는 가정 아래 빠르게 움직이는 세계에서는 시간이 느리게 흐른다는 것을 증명했다. 이렇게 빠르게 움직이는 세계에서 시간이 느리게 흐르는 현상을 '시간 지연'이라고 한다. 즉 시간의 흐름이 어디서나 동일한 것이 아니라, 빠르게 움직이는 세계일수록 시간의 흐름은 더 느려진다. 이에 반해 일반상대성이론은 갓고 운동하는 좀 더 '일반적인' 세사엥서 일어나는 물리 현상을 설명한다. 사과가 땅으로 떨어지면서 가속되듯이 중력 혹은 만유인력은 물체를 가속시키는 원인이다. 따라서 일반상대성이론은 중력이 존재하는 곳에서 일어나는 물리 현상도 설명한다. 중력으로 4차원 공간이 일그러지면 중력에 의한 시간 지연, 중력 렌즈, 블랙홀 및 중력파 등 일상생활에서는 도저히 경험할 수 없는 아주 특별한 현상들이 일어난다. 중력에 의한 시간 지연이란 중력이 강한 곳에서는 시간의 흐름이 느려지는 것을 의미한다. 많은 SF 영화나 소설에서 빛을 포함한 모든 물질을 삼켜버리는 블랙홀을 차원 이동이나 현재와 과거를 이동하기 위한 입구로, 블랙홀이 삼킨 물질을 뱉어내는 화이트홀을 차원 이동의 출루고, 웜홀을 블랙홀과 화이트홀을 이어주는 통로로 묘사하곤 한다. 하지만 화이트홀이나 웜홀은 아직 그 존재가 증며되지 않았다. 영화 속의 이미지는 단순히 영화적인 상상력이다. 현재로서는 블랙홀 주변을 지나면 아마도 블랙홀의 중력에 의해 몸이 산산이 찢겨지면서 블랙홀로 빨려 들어갈 것이다.

"독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트는 어떤 천체의 질량이 태양보다 약 30배쯤 무거우면 결국 천체의 중력에 의해서 그 주변 시공간이 더욱 심하게 일그러져 단지 빛의 경로가 휘는 정도가 아니라, 빛 자체가 그 천체에 붙잡혀 버리는 현상이 일어나는 것을 밝혔다. 이런 천체는 빛조자도 빨려 들어가 어느 것도 탈출할 수 없는 어둡기만 한 검은 구멍이라는 의미로 블랙홀이라고 불렸다.

블랙홀처럼 질량이 큰 두 천체가 쌍을 이루면서 회전하면, 중력의 요동이 시공간의 주기적인 일그러짐을 일으키면서 파동처럼 퍼져나가는데, 이를 중력파라고 한다. 1980년대 미국의 물리학자 킵 손 등은 중력파의 진행이 빛의 간섭무늬에 변화를 일으킬 것을 예측했고, 2016년 실제로 한쪽 팔의 길이가 4km에 달하는 거대한 레이저 간섭계 '라이고'로 중력파를 검출하는 데 성공했다. 지구에서 약 13억 광년 떨어진 우주에서 질량이 각각 태양의 36배와 29배인 두 블랙홀이 서로 회전하다가 충돌하면서 하나로 합쳐질 때 막대한 에너지를 내뿜으면서 발생한 중력파를 레이저 빔의 간섭무늬 변형을 통해 측정했고, 이로부터 중력파의 존재를 증명했다. 100년 전 아인슈타인 박사가 종이와 펜을 이용해 알아낸 일반상대성이론을 후배 과학자들이 최첨단 과학기술을 이용한 관측실험으로 증명했다."

<교양인을 위한 물리지식>에는 크루즈 여행과 열기구 여행, 비행기와 청소기의 공통점, 로켓을 타고 우주여행, 냉장고의 탄생, 우주에서는 볼 수 없는 붉은 노을 등 평소에 궁금했던 과학적 지식들을 쉽게 알려주어 흥미로웠다. 과학을 공부한다는 것은 남들이 가져보지 못한 궁금증에 대한 답을 찾아가는 것이다. <교양인을 위한 물리지식>은 재미있는 사례와 그림, 글을 통해서 과학적 지식을 배우고자 하는 사람들에게 추천한다.