핸드폰, 컴퓨터와 같이 반도체의 원리도 양자역학이다!

초등학생을 위한 양자역학 4 - 원자 폭탄의 비밀 ㅣ 초등학생을 위한 양자역학 4
홍승우 그림, 이억주 글, 최준곤 감수, 어린이과학동아 편집부 기획 / 해나무 / 2021년 2월

일본이 우리보다 앞선 것이 있다면 바로 노벨상을 수상한 사람이 압도적으로 많다는 점이다. 특히 노벨 물리학상은 동양을 너머 세계에서도 뒤지지 않을 정도의 실력을 발휘하고 있는 곳이 일본이다. 이 책에서도 일본의 물리학자 도모나가 신이치로(1906~1979)를 소개하고 있다. 그의 라이벌 유카와 히데키는 1949년 일본인 최초로 노벨상을 수상했다. 원자핵을 구성하는 핵자들 사이에서 일어나는 현상을 연구하여 원자 폭탄 투하로 폭망했던 일본인들에게 작은 희망을 던져 주었다. 도모나가 신이치로는 일본에서 두 번째로 노벨상을 수상하면서 일본에서만 무려 노벨 과학상을 받은 사람이 24명, 그 중에서 물리학상만 따지면 11명이 될 정도다. 신이치로와 히데키 모두 양자역학에 관심을 가지고 연구를 시작했으며 그 중에서 신이치로는 양자 전기역학을 연구했다.

양자역학이란 원자 세계에서 일어나는 현상을 설명하는 물리학으로 원자같이 더 이상 쪼갤 수 없는 단위 안에서 벌어지는 물리 현상을 탐구하는 학문이다. 오늘날 우리는 양자역학 덕분에 핸드폰이나 컴퓨터와 같이 반도체의 원리를 설명할 수 있게 되었다. 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 설명할 수 있게 된 것도 바로 양자역학 덕분이다. 도모나가 신이치로는 양자역학 중에서도 전기역학을 연구했는데 전기역학은 전기와 자기의 상호작용을 설명하는 물리학이다. 그는 양자역학에 상대성 이론을 적용하여 전자의 질량이 무한대가 되지 않도록 이론을 만들었다.

사실 양자역학은 미국의 맨해튼 프로젝트에서 처음으로 세상에 존재감을 드러냈다. 1945년 로스앨러모스 국립연구소의 로버트 오펜하이머 박사가 양자역학의 원리로 원자폭탄을 만들어냈다. 맨해튼 프로젝트에는 천 여명의 과학자들이 참여했으며 들어간 비용도 20억 달러가 넘었다고 한다. 우라늄 원자핵에 중성자를 충돌시켜 핵분열이 일어나게 하는 원리로 원자폭탄을 만든 것이다. 플루토늄도 핵분열하는 과정에서 생겨진다.

뉴턴, 아인슈타인의 고전역학의 대두라면 1905년 이후 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 설명한 물리학은 일명 '양자역학'으로 통칭된다. 양자역학의 발견이 없었다면 우리 손에 핸드폰이든 컴퓨터든 반도체도 발명할 수 없었을 것이다! 초등학생부터 물리학에 관심을 가질 수 있도록 사회적 분위기가 조성되어야 하는 이유도 과학의 발전 정도가 곧 국력이기 때문이다.

해저 2만리, 노틸러스호를 타고 탐험하자!

탈출! 노틸러스호 ㅣ 옐로우 큐의 살아있는 박물관 시리즈
윤자영 지음, 해마 그림 / 안녕로빈 / 2021년 1월

글 쓰는 과학 선생님, 윤자영 교사의 과학탐험 소설이다. 원작 <해저 2만리>를 토대로 해저 2만리의 잠수함 노틸러스호를 타고 지구 한 바퀴를 탐험하는 이야기다. 윤자영 교사는 학생들이 이 책을 읽으면서 자연스럽게 생물학과 지구과학, 물리학에 접근하도록 책을 구성하였다. 따분하고 어렵게 느껴졌던 과학 용어와 지식들을 소설 읽듯이 읽어내려가면서 저절로 친숙해지도록 한 것은 저자의 세심한 배려인 듯 싶다. 초중학교 학생들이 과학 교과에 참고할 수 있도록 친절하게 관련 단원을 안내해 놓기도 하였다. 예를 들면, 초등 과학 연계 단원으로 지층과 화석, 물체의 무게, 화산과 지진, 다양한 생물과 우리 생활, 생물과 환경, 날씨와 우리 생활, 지구와 달의 운동, 빛과 렌즈가 있으며 중등 과학 연계 단원으로 지권의 변화, 여러 가지 힘, 생물의 다양성, 빛과 파동, 태양계, 수권과 해수의 순환, 기권과 날씨가 있다. 

사실, 우리 생활과 밀접하게 연결되지 않는 지식들은 학생들의 흥미를 끌지 못한다. 사장된 지식이 되며 과학 교과를 더 멀리하게 하는 요인이 될 수 있다. 현직 과학 교사인 저자는 아마도 학생들과 함께 생활하면서 학생의 흥미를 끌기 위한 장치로 이야기만큼 효과가 좋은 것이 없다는 것을 알고 있었을 것이다. 유용한 지식이라도 학생들이 호기심을 가지고 대할 때 쓸모가 있을 것이다. 그런면에서 과학적 호기심과 상상력을 끌어내는 소설 <해저 2만리>를 원작을 소재로 삼은 것은 탁월한 선택인 것 같다. 오늘을 살아가는 학생들에게 현실을 반영한 이야기를 제공하여 바닷 속 생물에 호기심을 갖게 하고 있다. 생물의 다양성의 중요성과 환경을 잘 보호해야할 의무가 우리에게 있음을 스스로 깨닫게 하고 있다. 꼭 알아야 할 과학 지식을 재미나게 읽을 수 있도록 해 주고 있다. 1860년대 당시의 바닷 속 환경과 2020년대를 살아갈 바닷 속 환경은 그야 말로 천양지차다. 말로만 환경 보호를 강조할 것이 아니라 학생들이 호감을 가질 수 있는 이야기로 설득하는 것이 어른들의 몫이 아닐까 생각한다. 

듣도보도 못한 심해 동물들을 만나볼 수 있는 것도 이 책의 쏠쏠한 재미이기도 하다. 개복치, 해파리, 대왕오징어, 듀공, 흰긴수염고래, 향유고래 등 심해 깊은 곳에 사는 바닷 속 동물들을 알게 된다. 더 재미난 사실은 노틸러스호 안에 있는 선원들이 싱싱한 해산물로 진귀한 먹거리를 만들어 먹는 장면도 흥미진진하다. 선원들 모두가 바다에서 나는 것으로 생활을 유지한다. 조개에서 실을 뽑아 옷을 만들고 고래 기름으로 잠수함을 움직이는 원료로 사용한다. 해양은 자원의 보고라는 말이 실감이 난다. 현재 우리가 해양으로부터 얻고 생활하는 것이 1%밖에 되지 않는다고 한다.

생물계의 학명도 차근차근 배울 수 있다. 이런 식으로 말이다. 

"귀상어야. 연골어류 흉상어목 귀상어과 동물로 열대 해양에서 살고 있고, 몸은 최대 3.5m까지 자라지"

잠수함의 원리도 알게 된다. 지구에서 가장 깊은 곳으로 알려진 마리아나 해구의 '비티아즈 해연'으로 노틸러스호가 여행을 떠나면서 어떻게 뜨고 가라앉는지, 중력과 부력의 원리 등 주인공들이 나누는 대화만 잘 들어보더라도 쉽게 이해할 수 있다. 책 한 권 읽었을 뿐인데 어른인 나도 과학의 다양한 지식들을 다시 상기하게 된다. 학창 시절에 배웠던 과학 지식을 말이다. 학생들이 읽는다면 자연스럽게 필수 지식들을 습득하지 않을까 싶다. 

2021년 유네스코가 지정한 세계 기념 인물

김대건 안드레아 신부 - 우리나라 가장 먼저 사제 ㅣ 도토리숲 문고 6
김영 지음, 신슬기 그림 / 도토리숲 / 2021년 1월

올해 2021년 8월 21일이면 김대건 신부 탄생 200주년이라고 한다. 우리나라 최초의 사제이자 유네스코가 지정한 2021년 세계 기념 인물인 김대건 신부는 조선 후기 천주교 박해로 3대에 걸쳐 순교를 한 집안에서 태어났다. 충청남도 당진시 솔뫼성지. 김해 김씨의 뼈대 있는 양반가였음에도 불구하고 김대건 신부네는 증조할아버지때부터 서학(천주교)를 받아들이고 심한 박해에도 굴복하지 않고 신앙을 지켜간 가문 중의 하나이다. 

정조 임금 사후 천주교 박해는 점점 가혹해졌다. 당파 싸움의 빌미로 이용되기도 하였고 유교의 정신을 혼미케 한다는 이유만으로 천주교 신자들은 가차없이 색출하여 모진 고문으로 죽어가야했다. 그럼에도 불구하고 천주교를 믿는 이들은 끊이지 않고 이어졌다. 프랑스 외방선교회 소속 신부들이 몰래 들어야 세례를 베풀고 미사를 집전했지만 그것조차도 여의치 않아지기 시작했다. 그런 와중에 조선의 젊은이 중에 똑똑한 이들 3명을 중국으로 보내 신학 수업을 받게 했고 그중에 한 명이 바로 김대건 안드레아 신부였다. 우여곡절 끝에 조선으로 다시 입국한 김대건 신부는 만 1년여 간의 짧은 사제 활동 기간이었지만 자신의 능력을 유감없이 발휘하며 순교의 자리를 회피하지 않았다. 그가 그린 지도 중 <조선전도>는 프랑스국립박물관에 소장되어 있는데 독도가 로마자 표기로 분명하게 씌여져 있어 독도 영유권 분쟁에 있어 분명한 근거 자료로 활용되고 있다. <조선전도>에는 조선의 전 구역을 자세하게 묘사했을 뿐만 아니라 조선과 중국으로 가는 해로와 항로를 정확하게 표기하여 선박을 이용하는 이들에게 큰 도움이 되었다. 김대건 신부의 재주와 영민함을 아낀 당시 헌종 임금은 목숨만큼은 지켜주기 원했지만 천주교를 정치에 이용한 이들은 희생 제물로 김대건 신부의 목숨을 가만히 놔 두지 않았다. 

<김대건 안드레아 신부>는 초등학생들부터 어른에 이르기까지 조선 후기 천주교 박해의 중심에 있었던 김대건 신부와 천주교 교인들의 삶을 엿볼 수 있는 자료임에 틀림이 없다. 종교를 떠나 조선 후기 당시 동아시아 지역의 정세도 읽을 수 있으며, 외국과 철저히 담을 쌓고 자기만의 성을 쌓고 있는 조선 정부의 무능함도 살펴 볼 수 있다. 갖은 핍박과 심한 박해에도 불구하고 신앙을 포기하지 않고 순교자의 길로 걸어간 사람들의 당당함 앞에 변질되고 있는 우리의 신앙을 다시 한 번 점검하게 된다. 부유한 집안에서 호의호식하며 편안하게 종을 부리며 살 수 있었던 가문이었음에도 불구하고 천주교의 신앙 따라 계급과 신분에 따라 사람을 차별하지 않고 평등의 정신을 몸소 실천했던 초기 신앙인들의 단호한 모습에 우리의 삶을 다시 돌아보게 만든다. 부유한 자, 가난한 자, 유명한 자와 그렇지 않은 자를 구별하고 강자 앞에는 유순함으로 약자에게는 엄격함으로 대하는 이중인격적인 우리의 모습을 다시 돌아보게 만든다. 

2021년 유네스코가 김대건 신부를 세계 기념 인물로 지정했다. 이제 그의 정신을 삶 속에 실천할 때다. 목에 칼이 들어오더라도 불의 앞에 타협하지 않는 불굴의 용기, 자신의 신앙을 부인하지 않고 죽음으로 정면승부했던 고귀한 태도를 일상의 삶 속에 우리도 드러내야 할 때다. 한낱 돈 앞에, 권력과 인기에 영합되어 무늬만 신앙인것 처럼 사는 것이 아니라 단호한 결기가 삶 속에 분명히 드러내야 할 때다. 위기는 신앙을 더 빛나게 한다!

헉! 세상에 이런 단위도 있었나? 단위로 배우는 과학

단위가 뭐예요? - 단위로 배우는 과학 ㅣ 찬찬지식 1
하이디 피들러 지음, 브랜단 키어니 그림, 안지선 옮김 / 봄볕 / 2020년 9월

헉! 세상에 이런 단위도 있었나? 싶을 정도로 국제단위체계(SI : international System of Units)에서 일정한 다양한 단위를 책에서 소개하고 있다. 독자층은 초등학교 학생들이지만, 성인들도 읽다 보면 생소한 단위가 눈에 띌 것이다. 초등학교 교사인 나도 처음 듣는 단위가 있을 정도였다.

초등학교 교과서에서 사용되는 단위는 사실 한정되어 있다. 길이의 단위로 센티미터, 미터, 킬로미터가 전부다. 부피와 질량의 단위는 수학과 과학 교과에서 다루지만 그램이 전부다. 물론 컴퓨터에 친숙한 학생들은 바이트 개념도 접해 봤을 것이다. 시간이 단위, 세기의 단위 등 흥미진진한 단위들이 책 속에 그림과 같이 소개되어 있다. 직접 그림과 비교하며 자연스럽게 익힐 수 있도록 구성되어 있다. 학령 전 아이들도, 초등학교를 넘어 중고등학교 학생들도 호기심을 가질만할 것 같다.

잠깐 이 책에 다루는 단위의 개념들을 살펴보면 다음과 같다. 놀라지 마시라^^

인치와 센티미터를 비교한 부분에서는 북미 지역에 서식하는 바나나 색깔을 띤 민달팽이로 설명해 놓았다. 중간 정도의 길이나 거리를 잴 때 사용하는 길이의 단위에는 미터 말고도 야드, 피트가 있다. 주로 미국 사람들이 거리를 잴 때 많이 사용한다. 먼 거리를 측정할 때 사용하는 단위로는 킬로미터 말고 마일이라는 단위가 있다. 그리고 천문단위로 AU를 소개한다. 1AU는 태양에서 지구까지의 거리다! 매우 먼거리를 측정하는 천문단위가 또 있다. 광년, 파섹이다. 파섹은 처음 들어보시는 분들이 많을 것 같다.

용기의 크기를 측정하는 부피의 단위로 갤런, 쿼트, 파인트가 있으며 요리할 때 적은 양을 측정하는 단위로 티스푼, 테이블스푼, 자밤이 있다. 자밤은 엄지와 검지로 한 번 쥐거나 떼어낼 수 있는 양을 말한다. 무게의 단위로 파운드, 질량의 단위로 그램, 원자, 분자, 미립자의 양을 측장하는 단위는 mol로 표기한다. 정보의 양은 비트, 바이트다.

힘과 에너지, 느낌이나 세기는 측정하는 체계에 따라 다르게 표기된다. 지진의 강도를 측정하는 리히터, 소리의 크기를 측정하는 데시벨, 음식의 매운 정도를 측정하는 스코빌, 토네이도의 강도를 측정하는 후지타, 온드를 측정하는 섭씨, 화씨, 캘빈, 빛의 세기를 측정하는 칸델라, 전류를 측정하는 볼트가 있다.

이 정도만 열거하더라도 결코 이 그램책을 만만하게 보시지 않으리라 생각된다

유전 공학의 신세계가 열리다!

빨간 내복의 초능력자 시즌 2 : 4 - 유전 공학의 신세계가 열리다 ㅣ 와이즈만 스토리텔링 과학동화 시리즈
서지원 지음, 이진아 그림, 와이즈만 영재교육연구소 감수 / 와이즈만BOOKs(와이즈만북스) / 2020년 12월

초등학교 과학 교과서 연계 활용할 수 있도록 관련 단원을 제시하고 있다. 시즌2. 4권 유전공학을 다루는 이 책에서는 3학년 1학기 동물의 한살이, 3학년 2학기 동물의 생활, 4학년 2학기 식물의 생활에서 활용할 수 있다는 친절한 안내를 해 주고 있다.

요즘 초등학생들은 유전공학에 대해 예전보다 친숙한게 사실이다. 사실 아이들이 좋아하는 과자, 빵의 원료인 밀가루와 옥수수 자체가 대부분 유전자 조작 식품이기 때문이다. 바나나, 콩, 카놀라 식용유, 파파야, 감자, 사과, 사탕수수, 호박, 사탕무, 알팔파 등 대부분의 사람들이 자신도 모르게 유전 공학으로 만든 식품을 먹고 있다. 

이 책을 유전공학이라는 학문을 좀 더 알기 쉽게 접근할 수 있을 것이다. 저자는 흥미로운 소재를 가지고 이야기를 접근하고 있지만 책 중간 중간 유전공학의 기초가 되는 이론과 역사적 사실을 이해하기 쉽게 실어 놓았다. 가령 예를 들면 다음과 같다.

66쪽에는 오스트리아의 수도사였던 그레고어 멘델(1822~1884)이 7년 동안 완두콩을 키우면서 발견한 유전 법칙에 대해 간략하게 설명을 실어 놓았으며 왜 멘델이 다른 식물도 아닌 완두콩을 이용해서 실험한지에 대해서도 알려주고 있다. 초등학생들은 교실에서 실제적으로 작은 화분에 완두콩을 심어 멘델처럼 실험을 해 보면 좋을 듯 싶다. 완두콩은 기르기 쉽고, 한 세대가 짧아서 실험 결과를 눈으로 확인할 수 있는 장점이 있다. 

유전공학에 있어 염색체의 용어가 자주 등장하는데 초등학생들이 염색체를 쉽게 이해할 수 있게 80쪽에는 그림으로 실었다. 식물과 동물의 염색체 수를 그림으로 비교해 놓았기에 염색체가 생물에 따라 갯수가 다르며 사람이라고 해서 다른 생물보다 염색체 갯수가 많은 것은 아니라는 사실을 금방 알 수 있을 것이다. 과학적으로도 민감하게 찬반 의견이 갈리고 있는 유전자 조작에 대해서는 가상의 유전공학자를 내세워 육식이 가능한 곰돌이 식물을 만들어낸 뒤 거기에 따른 부작용이 크다는 이야기로 독자들에게 경각심을 심어 주며 이야기를 마친다. 

그리고 빼놓을 수 없는 부분으로 유전에 대한 역사적 스토리도 담아내고 있다. 128쪽에는 유럽 왕실 중 하나였던 합스부르크 왕가의 주걱턱에 대해 왕가 사람들의 명화를 실었고 주걱턱이 유전되는 이유에 대해 설명해 놓았다. DNA, 크리스퍼 유전자 가위 등 생소한 용어도 재미난 이야기와 함께 제시하고 있어 유전공학을 좀 더 가까이 접근할 수 있도록 구성되어 있다. 과학에 대해 관심이 있거나 호기심을 있는 학생들이라면 관련 시리즈를 구해 읽어보면 좋을 듯 싶다.