따뜻하게 데워진 물리학을 느껴보세요

떨림과 울림 - 물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리
김상욱 지음 / 동아시아 / 2018년 11월

갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 “자연이라는 거대한 책에 언어가 있다. 그 언어를 아는 사람만이 책(자연)을 이해할 수 있다. 그 언어가 바로 수학”이라고 말했다. 갈릴레오는 수학을 자연의 기본 언어이자 자연 전체에 적용되는 학문이라고 생각했다. 수학과 물리학은 떼려야 뗄 수 없는 관계이므로 물리학을 공부하게 되면 수학을 피해갈 수 없다. 미국의 물리학자 리처드 파인먼(Richard Feynman)은 수식을 동원하지 않고서도 일상의 익숙한 사물에 빗대어 물리학 이론을 능숙하게 설명할 줄 알았다. 생전에 그는 수학의 도움 없이도 물리학의 모든 이론이 설명될 수 있는 날을 기대했다. 그러나 그는 그런 날이 오는 게 현실적으로 불가능하다는 것을 알았다. 일반 대중 앞에 선보인 TV 방송 강연에서 그는 이렇게 말한 적이 있다. 불행히도 수학을 모르면 자연의 가장 심원한 아름다움을 실제로 느끼기 어렵다고. 앞서 갈릴레오가 말했듯이 수학은 자연의 언어이며 물리학자들 또한 수식을 대체할 다른 언어로 복잡하면서도 오묘한 자연의 아름다움을 표현할 줄 모르기 때문이다.

떨림과 울림. 이 책의 제목만 보면, 대체 이 책이 물리학의 어떤 측면을 어떻게 설명하려 하는 것인지 감이 잘 오지 않는다. 요즘 방송 출연으로 인지도가 높아진 김상욱 교수는 물리학이 인간적으로 보이길 바라는 마음으로 《떨림과 울림》을 썼다고 한다. 저자의 표현을 빌리자면, 수식으로 설명해야 하는 물리학은 ‘차가운 물리학’이다. 물리학은 인간이 보지 못하거나 감각으로 느끼지 못하는 자연 현상을 보이게 해준다. 그런데 ‘차가운 물리학’은 불친절하다. ‘차가운 물리학’은 자연 현상을 검증할 수 있는 간단한 수식을 보여주기만 한다. 그런데 수학과 물리학을 모르는 사람들의 눈에는 수식이 간단하게 느껴지지 않는다. 그들의 눈에 보이는 건 수식이 아니라 알아먹기 힘든 ‘외계어’이다. 결국 이들은 물리학에 진절머리 나는 경험을 하게 되고, ‘물리학’ 하면 복잡한 수식을 떠올린다. 우리가 수학 다음으로 물리학과 친하게 지내지 못한 이유이다. 그리하여 ‘차가운 물리학’은 인간적으로 정이 안 가는 학문으로 남게 된다.

김상욱 교수는 독자들이 천천히 손발을 담글 수 있게 얼음물처럼 ‘차가운 물리학’을 데운다. 물리학이 어느 정도 미지근해지면 독자들은 그 속에서 전해지는 ‘떨림’과 ‘울림’을 동시에 느낄 수 있다. 그가 보여주는 물리학의 ‘떨림’과 ‘울림’은 의외로 단순하다. 사실 우리가 사는 세상은 현재까지도 ‘떨림’과 ‘울림’이 반복되고 있는 거대한 물리의 세계이다. 이를테면 전자기파는 물이 떨면서 흐르는 것처럼 진동하는(물리학 용어로 ‘파동’이라고 한다) 빛의 일종이다. 1초 동안 많이 진동할수록, 전자기파의 에너지는 높아진다. 진동수에 따라 전파기파의 종류는 다양하다. TV나 라디오를 살아 숨 쉬게 하는 힘은 이 전자기파에서 흘러나온다. 전자기파가 계속 진동하지 못한다면 모든 가전제품의 작동은 멈췄을 것이다. 우리가 맑고 아름다운 소리를 듣는 것은 소리가 일으키는 파동, 즉 울림이 만들어낸 근사한 효과이다. 우리가 자주 듣는 음악은 소리라는 물리적 현상이 있기에 가능하다. 우리 뇌는 이 소리의 파동을 ‘음악’이라는 형태로 받아들인다. 김상욱 교수는 우주를 포함한 이 거대한 세상에 눈으로 볼 수 없는 떨림과 울림이 공존하고 있다고 말한다. 우리는 이 미세한 진동으로 숨 쉬고, 말하면서 움직인다.

물리학으로 설명할 수 있는 이 세상의 크고 작은 ‘떨림’과 ‘울림’은 이해하는 것은 무척 중요한 일이다. 왜냐하면 우리가 확실히 알고 있다고 생각하는 세상이, 우리가 오감을 통해서 세상에 대해 받아들인 정보가 무엇을 의미하는지 생각하게 만들기 때문이다. 물리학자들은 만물의 ‘떨림’과 ‘울림’을 눈으로 보이게끔 설명할 수 있게 되었지만, 지금도 여전히 풀리지 않은 ‘떨림’과 ‘울림’이 남아 있다. 그래서 김상욱 교수는 이 책에서 ‘불투명한 세계’ 속에 사는 과학자들이 갖춰야 할 자세를 언급하면서 삶에 대한 문제의식을 놓지 않는다. ‘차가운 물리학’은 경험이나 증거를 들어가면서 어떤 현상의 실체를 증명하려고 한다. ‘차가운 물리학’에 익숙한 과학자들은 과학적 증거를 가지고 세상을 분석하려고 했다. 그리고 간결한 수식으로 물리 현상을 설명할 수 있어야 직성이 풀렸다. 그들은 수식과 과학적 증거로 설명할 수 없는 현상을 ‘비과학’으로 취급했다. 물리학이 차가우니 그것에 익숙해진 과학자들의 태도가 쌀쌀맞을 수밖에 없다. 이러면 과학자들은 독단적인 태도를 보이거나 자신들의 무지를 인정하지 않게 된다. 김상욱 교수는 ‘과학은 무지를 인정하는 태도’라고 말한다. 그의 말은 대중들 앞에서 복잡한 물리 현상을 설명하는 데 어려워한다면서 고백한 파인먼의 모습을 떠올리게 한다. 파인먼은 세상이 불확실하고, 불투명하다는 걸 알았다. 이러한 세상 속에서 과학자들이 자기들이 보는(보고 싶은) 눈, 자기가 아는 언어(수식)로 세상을 설명한다면 ‘우물 안 개구리’의 어리석음을 저지르게 된다. 물리학과 물리학자들이 차가워질수록 그 속에 있어야 인간성은 시들게 된다. 일말의 인간성이 남아있지 않은 물리학은 ‘얼어 죽은 물리학’이다. 이런 학문을 누가 좋아하겠는가.