이 책은 물리학도라면 반드시 거치게 되는 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열역학에 담긴 통찰을 소개합니다. 여기에 더해 물리학의 궁극적인 목표 중 하나인 현대 우주론을 함께 다룹니다. 고전역학은 일상생활에서 경험하는 사물의 운동을 이해할 수 있게 해줍니다. 저는 고전역학만큼 중요한 것은 없다고 생각합니다. 이 책에서 소개할 모든 물리학 분야가 결국 고전역학을 토대로 세워졌기 때문입니다. - '책머리에' 중에서
책은 두 사람의 공저자에 의해 저술됐다. 이승재는 물리학 박사로 천체물리학을 연구하여 그 결과물을 국제 학술지 <천체물리학 저널>에 게재했으며, 현재 국내 게임사에서 기획자로 일하고 있다. 공저자 오영훈은 반도체 엔지니어로 지구환경과학과 물리학을 복수 전공했으며, 현재 대만 마이크론 테크놀로지에서 엔지니어로 근무하고 있다.
총 여섯 개 파트로 구성된 책은 고전역학1(파트1), 고전역학2(파트20, 전자기학(파트3), 양자역학(파트4), 열역학(파트5), 일반상대성이론과 현대 우주론(파트6) 등에 통해 뉴턴 역학, 다체多體의 운동, 사물의 회전, 전자기장, 난해한 양자역학, 열역학, 아인슈타인의 일반상대성이론, 현대 우주론 등을 설명한다.
변하는 것은 왜 어려울까?
우리는 변화를 여려워하지만, 막상 바뀌고 나면 그 상태를 유지하는 일은 의외로 어렵지 않은 경우가 많다. 유지하고 싶은 고집. 즉 '관성'을 갖고 있기 때문이다. 우리들의 당연한 상식인 '관성의 법칙'이다. 자동차가 움직이는 이유는 바퀴가 구르고 있기 때문이다. 이는 엔진, 연료, 변속기, 구동축, 기어 등 정교한 내부 장치 때문이다.
아무런 장치가 없는 평범한 야구공을 공중에 던지면 잠시 날아가다가 땅에 떨어진다. 특별한 장치가 없는 공은 던지는 행위를 통해 상태가 변해 날아가는 공으로 바뀌었다. 그렇다. 야구공은 우리의 손이 움직이던 방향으로 날아가기를 택했다. 바로 이것이 사물이 가진 관성 때문에 일어나는 현상이다. 지금은 당연하게 여기는 관성이라는 개념이 널리 받아들여질 때까지는 험난한 여정이 있었다.
문과 출신인 내가 이 책을 이유가 바로 이런 숨은 스토리들에 지적 호기심이 많은 탓이다. 먼 옛날 서양인들의 세계관에 가장 중요한 영향을 미친 사람이 있다. 천동설天動說로 유명한 아리스토텔레스는 지상에 속한 존재들은 정지 상태가 가장 안정적이므로 별도의 힘을 받지 않으면 운동을 멈추어야 함을 주장했다. 던져진 창이 날아가다가 땅에 떨어지고, 바람을 받지 못하면 돛단배는 나아갈 수 없는 이유가 바로 이런 것이란 설명이었다. 약 2천년 동안 서양인들의 세계관에 이는 뿌리 깊게 박혀있었다.
그러나 16세기의 천문학자 니콜라스 코페르니쿠스가 주장한 지동설地動說로 인해 천동설은 심하게 흔들리기 시작했다. 이는 태양이 지구를 도는 게 아니라 오히려 지구가 태양의 주위를 돈다는 주장이다. 그런데, 한 가지 문제점이 있었다. 지구는 어째서 계속 움직일 수 있느냐에 대한 해답이 필요했다. 여기서 17세기의 물리학자 갈릴레오 갈릴레이는 '모든 물체는 원래의 움직임을 유지하려는 성질이 있다'고 한 단계 발전시켜 주장했다. 나아가 모든 물체의 운동이 이런 성질을 가졌다고 설명했다.
이 대목에서 흥미로운 질문이 등장했다. 어째서 우리는 지구가 움직이고 있음을 왜 느낄 수 없는가?란 것이다. 천동설 신봉자들의 질문을 살펴보자. 그들은 이런 질문을 했다. 항해하는 배 위에 있으면 배가 움직이는 것을 알 수 있는데, 지구 위에 있는 우리는 왜 지구가 움직이고 있음을 느끼지는 못하는가?
갈릴레이는 이는 오해에서 비롯된 주장이라고 말했다. 만약 큰 배의 선실 내부에 있어서 바깥 풍경을 볼 수 없다면 선실 안을 돌아다니는 모든 과정에서 배가 움직인다고 느낄 수 없고 구별하기가 힘들다고 답했다. 또 지구가 움직이고 있을지라도 그 위에서 우리가 움직임을 느낄 방법은 없다고 설명했다.
'갈릴레이의 배' 실험은 물체가 서로에 대해서 움직이더라도 그것은 상대적인 움직임일 뿐, 어느 하나가 멈춰 있는 것이고 다른 하나가 움직이는 게 아니란는 '상대성원리'를 내포하고 있다. 그렇다. 갈릴레이의 상대성원리는 관성의 법칙과도 매우 잘 맞아떨어진다. 즉 모든 물체는 각자의 입장에선 정지해 있는 것과 다름없으며 그저 서로 상대적인 움직임만 있을 뿐이다.
용수철을 사랑하는 물리학자들
용수철龍鬚鐵, 이를 풀이하면 '용의 수염을 닮은 쇠'란 뜻이다. 상상 속의 동물인 용의 수염을 떠올리며 이런 용어를 개발한 선인先人의 상상력도 정말 신기하다. 이 발명품은 15세기 경 유럽에서 탄생했다고 알려진다. 시계 같은 정밀기계의 부품으로 들어가며 역사의 전면에 등장했다. 이젠 볼펜, 침대, 자동차, 건물의 내진설계 등에 널리 사용되고 있다.
용수철의 가장 중요한 특징은 본래의 모습으로 복원되려는 성질이다. 이를 '복원력'이라 부른다. 17세기 물리학자 로버트 훅은 실험을 통해 복원력은 용수철이 늘어나거나 줄어든 길이에 정비례한다는 사실을 발견, 이를 수식으로 나타냈다.
또 다른 특징은 바로 에너지를 저장할 수 있다는 점이다. 용수철에 매달린 물체의 속력 역시 물체가 현재 어디에 위치하느냐에 따라 정확하게 결정된다. 또 매달린 물체의 운동에너지를 탄성 잠재력에너지로 변환했다가 다시 운동에너지로 변환될 수 있는 특징은 용수철로 하여금 단순히 힘을 발생시키는 장치를 넘어 에너지 저장의 역할을 가능하게 한다.
원래 상태로 돌아가려는 용수철과 현재의 움직임을 끝까지 밀고 나가려는 물체의 전혀 다른 두 성질이 만나 이토록 역동적인 진동을 만들어낸다는 사실이 경이롭다. 어쩌면 우리가 사는 이 세상 역시, 서로 다른 방향성이 팽팽하게 공존하기에 동적이고 아름다운 풍경을 빚어내는 것은 아닐까 하고 말이다.
회전의 미학
자연에 존재하는 모든 사물은 관성을 지니고 있음을 앞서 살펴보았다. 이러한 관성은 물체의 회전운동에서도 유사하게 작용한다. 외부의 돌릴 힘이 없는 상태라면 가만히 있는 물체는 계속 가만히 있고, 돌고 있는 물체는 그 회전을 유지하려 한다. 물리학에선 이를 관성모멘트라고 부르는데, 일반적으로 물체의 질량이 클수록 커지는 성질을 지녔다.
마치 체조 경기의 평행봉 처럼 보도블록 가장자리 턱 위를 아슬아슬하게 걷는 아이들을 종종 볼 수 있다. 넘어질 듯 말 듯 스릴을 즐기던 아이들은, 몸이 옆으로 기울어질 것 같은 느낌이 들면 자연스럽게 양팔을 옆으로 쫙 펼친다. 우리 모두 대부분 어릴 적에 다 해본 장면이다.
왜 그럴까? 팔을 몸통으로부터 최대한 멀리 뻗으면 몸 전체의 관성모멘트가 커지고, 그 결과 몸이 옆으로 갑작스럽게 돌아가며 넘어지는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 우리의 몸은 물리학 이론을 모르더라도, 관성모멘트를 이용해 넘어지는 것을 방지할 수 있는 이런 마법같은 기술은 이미 본능적으로 아는 셈이다.
당연한 것은 없다
패러데이와 맥스웰을 비롯한 많은 물리학자 덕분에 인류는 전자기력에 대해 깊은 이해를 갖추게 되었고, 빛의 정체 또한 밝혀낼 수 있었다. 그런데, 전자기장을 만들어내는 주체인 전하가 무엇인지는 여전히 쉽게 답하기 어려운 질문이다. 모든 물질이 원자로 이루어져 있으며, 그 원자는 또다시 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자로 이루어져 있음을 안다. 비교적 최근의 일이다. 어떤 과정을 거쳐 탄생했을까?
고대 그리스인들은 호박을 마찰시키면 뭔가 신비로운 성질이 깃들어 깃털이 달라붙게 된다고 생각했다. 18세기에 들어 이 전기적 성질이 실을 통해 대전帶電된 물체에서 그렇지 않은 물체로 옮겨갈 수 있다는 사실이 알려지게 된다. 이때부터 물리학자들은 전기를 띠며 흐르는 무언가가 내부에 존재한다고 생각하기 시작했다. 전하를 양전하와 음전하로 분류하게 된 것도 이 무렵이다.
전하電荷에 대한 이해가 현대적인 모습을 갖추게 된 것은 맥스웰 방정식(전기장과 자기장에 관한 연립방정식)이 완성되고 한참 뒤의 일이다. 1897년, 영국 물리학자 조지프 존 톰슨이 전자를 발견한 것이 전환점이 되었다. 19세기 중후반에 들어 사람들은 진공상태의 관 양쪽에 고전압을 걸어 한쪽을 음극, 반대쪽을 양극으로 만들면 음극 쪽에서 음전하를 띤 무언가가 튀어나온다는 걸 알게 되었다. 이를 음극선이라 불렀다. 톰슨은 음극선의 경로에 전기장과 자기장을 걸어가며 성질을 분석, 그 정체가 질량을 가진 입자란 결론을 내렸다. 이후 어니스트 리더퍼드의 살험을 통해 원자핵의 존재가 밝혀지고, 원자가 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자로 구성되어 있다는 오늘날의 원자모형이 탄생했다.
물리학은 우리가 경험하는 전자기 현상들을 어떻게 전자를 통해 설명할까? 스마트폰에 자꾸 먼지가 달라붙어 곤란했던 경험은 누구나 있을 것이다. 이는 반드시 먼지가 대전되어 있기 때문은 아니다. 전기적으로 중성인 먼지도 스마트폰에 달라붙을 수 있다. 중성인 물체가 어떻게 정전기력을 받을 수 있는 것일까? 나일론 천으로 유리 재질의 스마트폰 화면을 닦게 되면 마찰에 의해 스마트폰 표면이 대전되고, 그로 인해 전기장이 형성된다. 그리고 이 전기장은 근처 먼지 내부의 전하 분포를 변화시켜 부분적인 대전을 일으키게 된다. 구체적인 과정은 물질의 특성에 따라 다른 양상으로 나타난다.
우리가 빛의 속도로 달릴 수 있다면
아인슈타인의 상대성이론은 현대 사회 곳곳에 스며들어 있는데 당시 물리학자들에게는 너무나도 낯선 것이었다. 뉴턴 역학은 일상의 물리법칙들을 설명해왔고, 물리학자들은 체계가 완성되었다고 믿었지만, 아인슈타인이 그 체계를 다시 세운 것이다. 그러나 한계가 있음에도, 물리학자들은 뉴턴 역학이 틀렸다고 생각하지는 않는다. 속도가 빛에 비해 충분히 느린 일상적인 상황에서는 여전히 훌륭하게 작동하기 때문이다. 아인슈타인의 이론은 뉴턴 역학을 폐기한 것이 아니라 더 넓은 틀로 확장시켰다고 할 수 있다.
이것은 물리학이 발전하는 주요한 방식이다. 기존 이론이 설명하는 세계를 포함하면서, 그 너머까지 밝힐 수 있는 깊은 이론을 탄생시키는 것이다. 특수상대성이론은 물리학의 흐름을 바꾼 거대한 전환점이었다. 그러나 이것은 20세기 물리학이 가져온 혁명의 일부에 지나지 않는다. 같은 시기, 물리학의 다른 영역에서 진정 거대한 파도가 밀려오고 있었기 때문이다.
현대 원자론의 마지막 퍼즐
양자역학이 탄생하게 된 것은 결국 원자를 이해하기 위해서다. 보어의 원자모형은 수소 원자의 스펙트럼을 완벽하게 설명할 수 있었다. 하지만 그의 모형은 수소가 아닌 다른 원소들의 분광 스펙트럼을 설명하는 데는 한계가 있었다. 또 당시엔 논리적으로 설명할 수 없었던 여러 가정에 의존하고 있다는 약점도 존재했다. 해결할 수 없는 아래의 문제들이 있었다.
첫째는 원소의 주기성이다. 1869년 주기율표라고 불리는 표를 러시아 화학자 멘델레예프가 제작했다. 모든 원소는 원자 번호와 화학적 성질에 따라 주기적으로 반복된다는 것을 보여준다. 이 규칙은 그의 경험에 의해 발견되었지만, 왜 그런 주기성이 나타나는지는 아무도 모른다.
둘째는 원자들이 자기장 속에 있을 때 벌어지는 현상인 제이만효과를 제대로 설명하지 못한다. 1896년 네델란드 물리학자 피터 제이만은 자기장이 원자의 스펙트럼에 미치는 영향에 대한 연구를 하던 중 자기장이 스펙트럼 선을 두껍게 만드는 흥미로운 현상을 발견했다. 이는 하나의 선이 여러 개로 갈라지며 나타나는 것이었다.
어쩌면 완전한 물리학은 영원히 도달할 수 없는 지평선 같은 것일지도 모른다. 그러나 그것을 단순히 결핍이라고 치부할 수는 없다고 생각한다. 물리학이 우리에게 가르쳐준 가장 중요한 것은 완벽한 정답이 아니라, 계속해서 앞으로 나아가는 태도였으니까. 혼란과 충돌은 실패의 흔적이 아니라, 앞으로 나아갔다는 증거이다. 완전하지 않기에 계속될 수 있다.
물리학은 세상 만물의 이치를 탐구한다
이밖에도 책은 열역학과 일반상대성이론 및 현대 우주론에 관한 설명을 이어간다. 나는 학창 시절에 과학, 물리학 같은 학과목을 제대로 배워본 적이 없다. 신문기사나 독서 중에 알기 못하는 용어나 이론이 나오면 인터넷을 활용해 검색해서 최소한의 지식을 습득해 왔다. 그래서 부족한 과학 지식을 채우고자 이 도서를 읽게 되었고 정말 유익한 공부 시간이었다. 나처럼 문과 출신이라 과학 분야에 약한 모든 분들에게 책의 일독을 권한다.
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