지구를 관통해서 떨어지면 약 42분이 걸린다?

있어빌리티 교양수업 : 생활 속의 물리학 - 나는 알고 너는 모르는 인문 교양 아카이브 ㅣ 있어빌리티 교양수업
제임스 리스 지음, 박윤정 옮김 / 토트 / 2020년 6월

지구를 관통해서 떨어지면 약 42분이 걸린다?

[서평] 『있어빌리티 교양수업: 생활 속의 물리학 (나는 알고 너는 모르는 인문 교양 아카이브)』(제임스 리스, 박윤정 역, 토트, 2020.06.19.)

물리학이 대세다. 이론물리학자들이 방송이나 강연 등에서 관객들을 사로잡고, 철학자보다 더 철학을 잘 하는 시대다. 『있어빌리티 교양수업: 생활 속의 물리학』는 우리가 흔히 알지 못하는 일상 속 여러 물리학 이야기를 담아 놓았다. 제일 처음 등장하는 건 바로 물리학자 아인슈타인 얘기다. 그가 수학에서 정말 낙제한 것이라고 알고 있는가? 저자 제임스 리스는 그렇지 않다고 설명한다. 

실제로 아인슈타인이 취리히 연방 공과대학교 입학시험에서 낙방한 적이 있긴 하지만, 2년 먼저 대학 입학시험을 보았기 때문이라고 한다. 특히 수학이 아니라 불어와 자연과학 점수가 나빴기 때문이란다. 상대성이론은 여전히 어려워 보인다. 저자 제임스 리스는 이에 대해 아주 쉽게 설명했다. 뉴턴식의 절대적인 기준계가 우주에 있는 게 아니라 모든 게 상대적이라는 개념이라는 식으로 말이다. 

기초물리학을 보면, 재미난 질문들이 많이 있다. ‘왜 우리는 빛보다 빨리 움직일 수 없을까?’를 보면 에너지가 관건인 걸 알 수 있다. 우주에는 제한속도가 있다고 한다. 그 어떤 것도 빛의 속도인 초속 299,792,458미터보다 빠를 수 없다. 그 이유는 뉴턴의 관성의 법칙 때문이다. 관성을 법칙에 따르면, 물체의 속도를 높이려면 그만큼 에너지를 높여야 한다. 물리학 방정식에 따르면, 빛의 속도 이상으로 달려가기 위해선 무한히 무거운 물체의 속도를 높여야 한다. 즉, 무한히 무한한 양의 에너지가 필요한 것이다. 결국, 빛보다 빠르게 달릴 수 없다. 

또한 재미있는 질문은 ‘토스트를 굽기 전 상태로 되돌릴 수는 없을까?’이다. 이에 대한 해답은 ‘엔트로피(무질서도)’이다. 엔트로피는 시간의 화살이라고도 불린다. 우주가 처음 시작 되었을 때는 거의 모든 것이 완벽한 질서를 유지하고 있었다. 그런데 시간이 흐르면서 우주에는 무질서가 폭발했다. 따라서 토스트를 굽기 전 상태로 되돌리기는 어렵다. 엔트로피가 증가해서 색깔이 달라지고, 빵의 표면이 변화했기 때문이다. 

생물물리학 편에선 더욱 흥미로운 이야기들이 시선을 사로잡는다. ‘박테리아는 어떻게 이동할까?’는 항력으로 설명한다. 한 마리의 박테리아 안에는 한 종류의 생물학적 회로가 있다고 한다. 이로 인해서 전자의 흐름이 방향과 반대로 생긴다. 이로써 박테리아의 감겨 있는 꼬리와 몸통을 서로 반대 방향으로 회전하게 만든다고 한다. 신기한 방법이다. 

마지막으로 소개하고 싶은 질문은 ‘지구를 관통해서 떨어지는 데는 얼마나 걸릴까?’이다. 어렸을 적 이런 상상을 많이 해봤을 것이다. 지구를 깊고, 깊게 뚫다보면 반대편에 다다를 수 있지 않을까? 엉뚱한 상상이긴 하지만 과학적 호기심을 자극했던 질문이 아닐 수 없다. 지구의 평균 두께는 12,743킬로미터이며, 반대편으로 나오기까진 42분 12초가 걸릴 것으로 예상된다. 

물론 공기가 없고, 지구가 완벽한 구이며, 동일한 밀도를 가졌다는 가정 하에서 그렇다. 이때 구멍 속으로 뛰어들면 가속도가 붙어서 이런 결과가 나온다. 여기서 지구 중력이 관건이다. 거리가 아닌 지구의 중력에 의해서 관통하는 시간이 결정된다. 실제로 러시아에서 지구를 파는 프로젝트를 진행한 적이 있다. 하지만 약 20년이 걸린 이 프로젝트는 겨우 지표에서 12.2킬로미터를 파는 데 성공했을 뿐이다.