김상욱의 과학공부 - 김상욱(동아시아, 2016)

김상욱의 과학공부 - 철학하는 과학자, 시를 품은 물리학
김상욱 지음 / 동아시아 / 2016년 7월

이 글에는 스포일러가 포함되어 있습니다.

  나는 '레오나르도 다빈치'형 인간을 존경한다. 모든 분야에 일정 수준의 지식이 있는 사람이 편견에 치우치지 않고 통합적으로 사고할 수 있다고 생각하기 때문이다. 그러나 분야 별로 극도로 세분화되어 한 분야 내에서도 소통이 어려워지는 현대사회다. 특히 과학 분야는 정도가 더 심하다고 생각하는데, 그럴수록 대중에게 정보를 전달할 수 있는 사람이 필요하다. 내 편견일 수도 있지만 과학자는 상대적으로 인문학자에 비해 글쓰기를 접하는 시간이 부족해서인지 글의 쓰임새가 다채롭지 않아 읽는 맛이 떨어진다. 작가 대부분은 인문학을 전공한 사람들이고, 과학자가 쓴 책이 베스트셀러에 오르는 경우는 드물다. 올리버 색스, 테드 창 등이 그런 면에서 놀라운데, 국내에도 정재승을 비롯해 최근 김승섭 등 전문 과학자들의 책이 자주 주목을 받는 것은 반가운 일이다. 이 책의 저자 김상욱도 서문에서 과학이 교양이라는 관점에서 인문학에 비해 불평등한 대접을 받고 있다고 말한다. 그는 과학이 일반교양으로 받아들여져 사람들이 과학적 마인드로 세상을 바라봤으면 하는 소망을 갖고 있다.

  이 책은 물리학 중에서도 특히 양자역학에 관련된 내용을 많이 다루고 있고, 틈틈이 과학자의 시각에서 본 사회문제를 언급한다. 예를 들면 DNA의 잉여성을 보고 성장에만 집착하는 사회를 비판한다든지, 성선택을 받기 위한 공작 꼬리의 비경제성에서 우리 사회 규칙들의 불합리성을 본다든지 하는 식이다. 교육문제, 세월호, 위안부 등 현대 한국 사회의 이슈에 대해서도 작가의 생각을 말하고 있다. 하지만 이 책의 장점은 주제의 다양성보다는 어렵다고 생각되는 물리 개념들을 정말 쉽게 설명한다는 것이다. 정말 어려운 개념은 아무리 쉽게 설명해도 이해에 한계가 있는 법이다. 저자는 그 한계 내에서 가능한 쉽게 적절한 비유를 들면서 설명해준다. 다만 이 책이 교과서처럼 챕터를 구성하여 단계적으로 쓴 것이 아닌 여러 곳에 기고했던 글들을 모아서 정리한 것이라 중구난방이고 중복되는 면이 있다. 그래서 내 나름대로 요약하면서 정리를 해봤다. 내 정리 역시 뒤죽박죽이지만.

· 138억년 전 빅뱅이 일어났고, 그 근거는 빅뱅 후 38만 년 뒤에 만들어진 최초의 빛 우주배경복사를 관측한 데서 찾을 수 있다. 우주의 팽창은 그 끝이 늘어나는 것이 아니라 경계 사이의 거리가 늘어나는 것이다. 풍선 위에 두 점을 찍고 바람을 불면 그 사이가 늘어나는 것처럼.

평행우주론은 입자들이 동시에 여러 곳에 존재하는 양자역학이 정상이고 오히려 인간이 비정상적인 것이 아닐까 하는 의문을 품는다. 우리도 사실은 그렇게 행동하는데 우주의 동시에 존재하는 다차원 중에 하나가 현재 우리라는 설명이다.

· 원자력발전은 우라늄과 같이 질량이 큰 원자의 핵이 쪼개질 때 나오는 에너지를 이용한다. 무거운 핵이 더 안정적인 작은 핵으로 변환되면서 에너지를 방출하는 것이다. 이때 방출되는 에너지는 알파, 베타, 감마라는 세 가지 방사선 형태를 갖는다. 반대로 핵융합은 수소가 결합하여 더 안정적인 헬륨이 만들어질 때 나오는 에너지를 이용한다. 태양에서는 끊임없이 핵융합이 일어난다. 핵융합의 원료는 수소인데 현재의 기술로는 중수소나 삼중수소만 이용할 수 있어 자원이 무한하다는 것은 현재까지는 적용되지 않는다 이들이 차지하는 비율은 0.015%정도에 불과하다.

· 등속운동하는 모든 사람은 자신이 정지해 있다고 생각한다.

· 달은 왜 지구로 떨어지지 않는가? 떨어지는 중이다. 다만 수평으로 던져져서 앞으로 나아가며 떨어진다. 지구가 평평하다면 언젠가는 땅에 닿겠지만 둥근 지구의 곡률과 던져진 정도가 일치해서 떨어지지 않는다. 인공위성이 떨어지지 않는 이유는 중력과 그 반대 방향으로 생기는 관성력의 세기가 일치하기 때문이다. 무중력 현상이다.

· 사람들은 대개 머리가 좋아야 위대한 과학자가 될 수 있다고 생각한다. 하지만 위대한 과학자는 문지기를 무시할 줄 아는 사람이다. 아인슈타인이 절대시간이라는 문지기를 무시했을 때 상대성이론에 도달할 수 있었고, 하이젠베르크가 운동궤도라는 문지기를 무시했을 때 양자역학에 도달할 수 있었다. 그래서 뛰어난 과학자들은 문지기의 말이 아니라, 자신이 직접 문 안으로 들어가서 확인한 결과만을 믿는다. (p. 121)

· 폴 디랙은 전자가 가득찬 진공에 에너지를 충분히 가하면 전자가 튕겨져 나갈 것이고, 그 빈자리는 '양전자'가 생긴다고 했다. 이런 부재의 입자를 '반입자'라고 한단다. 반도체 내부는 전자로 가득차 있는데 여분의 전자가 생겨 전류가 흐르는 것을 이용한 것이 'n형 반도체', 전자를 약간 없애서 전자의 부재인 홀이 흐르는 반도체를 'p형 반도체'라고 한다. 전자기기들은 이 n형, p형 반도체의 접합 구조다. (p. 154-156) 이렇게 부재 자체는 실재가 된다. 잘못된 사회에서 비판과 행동의 부재는 그 자체로 독재와 억압이라는 실체가 된다. 때로 침묵은 금이 아니라 독이다. (p. 157)

· 다수의 우리나라 과학자들은 이런 홍보를 제외하고는 과학 자체를 알리는 데 그리 열심히 나서지 않고 있다. 대개 너무 바쁜 데다가 이런 일이 자신의 적성에 맞지 않는다고 생각하기 때문이다. 대부분의 일반인들도 과학에 관심이 없다. 설상가상으로 이들은 관심이 없는 것을 당연시한다. (p. 164) 과학자는 자신의 연구를 시민들이 이해하기 쉬운 언어로 알려야 할 책임이 있다. 이 책이 나온 이유 중 하나도 그런 마음일 것이다.

· 양자역학의 핵심 원리 첫 번째. 관측이 대상에 영향을 준다. 양자 중첩이란 공존할 수 없는 두 개의 성질을 동시에 갖는 것을 말한다. 좀 더 물리학적으로 말해서 당신이 한 순간 두 장소에 동시에 있을 수 있다면 중첩이다. 그런데 막상 관측을 하면 전자는 한 장소에서만 발견된다. 관측이 대상의 상태를 바꾸었기 때문이다. 여기서 관측은 중첩 상태를 깨는 역할을 했다. 이처럼 관측을 통해 중첩이 깨지며 하나의 상태로 결과가 귀결되는 과정을 '파동함수의 붕괴'라고 부른다. (p. 199-201)

· 자연은 우리의 심플한 이론과는 달리 프랙탈과 카오스라는 구조로 구성돼 있다. 프랙탈은 동일한 모양이 반복되어 큰 것을 구성하는 것으로 나뭇가지, 나뭇잎, 눈송이 등이 이런 형태이다. 자연이 프랙탈로 구성된 이유는 보다 단순한 정보를 유전자에 담아서 효율성을 높이기 위해서일 것으로 추측된다. 큰 나뭇가지는 이렇게, 작은 나뭇가지는 저렇게 다른 방식으로 만들면 그만큼 많은 정보를 담아야 할 테니까. 카오스는 현상이 선형 구조가 아니라 초기 상태의 조그만 변화가 거대한 차이를 만든다는 것으로, 나비효과로도 유명하다. 자연이 선형 구조일 때 안정적이라면 조그만 외부 효과에도 안정성이 크게 흔들릴 것이다. 반면에 카오스는 그런 예측되는 결과가 없어 외부효과에 덜 민감하기 때문에 우리가 사는 곳이 이런 형태로 되어있을 것이라는 해석이다.

· 아인슈타인의 특수상대성이론은 움직이는 물체의 시계가 느리게 간다고 말해주는데, 빛의 속도로 움직이는 경우 시간은 느려지다 못해 정지해버린다. 빛의 시계를 보면 시간은 흐르지 않는다는 말이다. 더구나 빛은 질량이 없다. 너무나 가벼워 그 질량을 무시하는 것이 아니라 질량 자체가 0이다. (p. 264)

· 인간의 눈은 빛의 특별한 진동수 구간인 가시광선 중 붉은색, 초록색, 파란색을 볼 수 있다. 옵신을 세 종류 가지기 때문이다. 파충류, 조류, 양서류는 4종류가 있고, 곤충은 자외선을 보기도 한다. 포유류는 오히려 두 종류의 옵신을 가진다. 꽃은 사실 사람보다는 곤충에게 어필을 해야 하는데, 마치 활주로처럼 곤충이 볼 수 있는 자외선 띠를 가지고 있다고 하니 신기하다.

· 소리와 빛은 똑같이 파동이다. 소리가 벽을 타고 돌아가는 반면 빛은 돌아가지 못하고 그림자를 만든다. 파동이 물체를 돌아가려면 파장이 물체보다 비슷하거나 길어야 한다. '도'음의 파장이 약 1.3미터인데 반해 붉은 빛의 파장은 100만분의 1미터 정도이다. 감마선은 원자보다 작은 파장, 전파는 수십 센티미터 정도의 파장을 갖고 있다. (p. 273)

· 레이저는 결이 잘 맞은 빛으로, 파동들의 마루와 골이 서로 잘 맞게 한 것이다. 그러면 빛의 세기도 커지고 방향도 일정해진다. 이 때문에 레이저는 퍼짐이 적고 분해능이 높아진다. (p. 274)

태양계에서 가장 가까운 별 알파 센타우리는 광속으로 4.3년, 지구와 태양 사이 거리의 30만 배 떨어져 있다. (p. 276)

· 시간의 속도는 불변이라는 특수상대성이론을 주장한 아인슈타인이 빛의 양자성, 즉 파동이면서 입자라는 것 또한 주장했다고 한다. 정말 천재다. 비록 양자역학의 비결정론은 인정하지 않으며 "신은 주사위를 던지지 않는다."라는 유명한 말을 남겼지만.

  전혀 모르는 분야를 조금이라도 이해하는 느낌을 받을 때 드는 쾌감이 있다. 이 책은 나에게 큰 쾌감을 준다. 저자가 단독으로 쓴 책이 2016년, 2017년, 2018년 해마다 한 권 씩 나온것 같은데 차례대로 구매해서 읽어볼 생각이다. 물리 뿐만 아니라 화학, 생물 등 다양한 분야에서 이런 저자가 나온다면 과학적 사고방식이 자리잡는 데 큰 도움이 되지 않을까 싶다.