1977년에 쏘아올린 보이저 1호는 지금도 태양계 밖을 향해 같은 속도로 계속 나아가고 있다. 이처럼 움직이는 물체에 힘이 가해지지 않으면 그 물체는 계속 같은 속도로 진행한다. 이를 운동의 제 1 법칙(관성의 법칙)이라 한다. 물리학에서는 속도와 속력을 구별한다. 속도는 운동의 방향도 포함하기에 화살표(벡터)로 표현한다. 힘은 물체의 속도를 변화시킨다. 일정 시간의 속도 변화량을 가속도라 한다. 무거운 물체일수록 가속도는 작아진다. 같은 물체에 가해지는 힘이 셀수록 가속도는 커진다. 힘은 질량×가속도다.
수축한 용수철의 힘이 풀릴 때 위에 올라 탄 사람이 가벼우면 급격히 가속하고 무거우면 천천히 가속한다. 이 때의 힘과 가속도로 위에 탄 사람의 무게를 알 수 있다. 우주에서 용수철로 몸무게를 측정하는 방법이다. 수영 선수가 벽을 차면 벽은 찬 힘과 같은 크기의 힘으로 수영 선수를 밀어낸다. 중력처럼 ‘떨어져 있는 물체에 작용하는 힘’에도 작용, 반작용의 법칙은 성립한다. 즉 스카이 다이빙 선수가 지구 중력에 끌려 떨어질 때 지구도 스카이 다이빙 선수에게 끌리고 있다는 말이다.
달은 지구 주위를 초속 1km로 계속 돈다. 그렇게 빠른 속도로 움직이는데도 달이 날아가 버리지 않는 것은 지구와 달이 만유인력으로 서로 당기기 때문이다. 만유인력이 없다면 달은 관성의 법칙에 따라 직선으로 날아가 버렸을 테지만 실제로는 만유인력으로 달은 지구에 끌리기에 곡선으로 움직인다. 만유인력 때문에 생기는 달의 속도 변화는 속력이 아니라 방향 변화다. 앞으로 똑바로 던진 공은 만유인력의 영향으로 직선보다 아래쪽을 향하는 궤도를 갖는다. 이를 낙하라고 하면 공은 던져진 순간부터 낙하하는 것이다.
급가속하는 버스에서는 뒤쪽으로 관성력이 작용하고 급정거하는 버스에서는 앞쪽으로 관성력이 작용한다. 속도 변화가 없는 버스에서는 관성력이 작용하지 않는다. 공기조차 없는 우주 공간에서는 지면이나 공기를 밀어 가속할 수 없다. 연료를 방출하면 반대 방향으로 운동량이 생긴다. 하야부사 2호는 이온엔진을 탑재했다. 이온엔진은 가속할 때 가스 상태인 제논 이온을 뒤로 배출한다. 하야부사는 일본의 소형 소행성 탐사기다. 운동 에너지가 커지면 위치 에너지가 감소한다. 운동 에너지가 감소하면 위치 에너지가 증가한다. 두 에너지의 총량은 항상 일정하다. 이를 역학적 에너지 보존법칙이라 한다.
에너지에는 다양한 형태가 있다. 열 에너지, 빛 에너지, 소리 에너지, 화학 에너지(원자나 분자에 저장된 에너지), 핵 에너지(원자핵에 저장된 에너지), 전기 에너지, 운동 에너지, 소리 에너지 등이다. 에너지는 서로 바뀔 수 있다. 에너지가 바뀌어도 에너지의 총량은 늘거나 줄지 않고 항상 일정하다. 이를 에너지 보존 법칙이라 한다. 역학적 에너지 보존만을 따지면 컬링 선수가 밀어낸 켤링 스톤은 운동 에너지를 잃지 않고 계속 나아가겠지만 마찰력이나 공기 저항 때문에 멈춘다. 마찰력은 접촉한 물체 사이에 작용하는 '운동을 방해하는 방향으로 가해지는 힘'이다. 두 물체가 접촉하는 한 마찰력은 절대 0이 되지 않는다.
공기 저항도 물체의 운동을 방해하는 힘이다. 마찰력이나 공기 저항은 운동을 방해하는 방해꾼으로 생각될 수 있다. 그러나 이 힘이 없으면 세상은 불편하기 짝이 없을 것이다. 마찰력이 없으면 지면을 차면서 걸을 수도 없고 움직이기 시작하면 멈출 수도 없다. 공기 저항이 없으면 빗방울이 엄청나게 빠른 속도로 떨어져서 피부에 맞으면 견딜 수 없이 아플 것이다.
공기 중에는 항상 대량의 기체 분자가 날아다닌다. 그 기체 분자가 흡착판에 충돌할 때 작은 힘이 더해지고 그것이 모여 큰 힘이 되어 흡착판을 벽에 누른다. 공기(대기)에 의한 압력을 대기압(기압)이라 한다. 대기가 상온일 때는 1세제곱 센티미터에 기체 분자가 대략 10의 19제곱 개(1000조의 1만배) 존재한다. 기체 분자의 움직임이 온도 차이를 만들어낸다. 온도란 원자나 분자 운동의 활발한 정도를 가리킨다. 여름이 덥게 느껴지는 것은 기체 분자가 우리 몸에 활발하게 부딪혀 기체 분자의 운동 에너지가 우리 몸으로 전해져 온도가 올라가기 때문이다.
온도가 점점 내려가면 원자나 분자의 운동이 줄어 결국 이론상의 최저온도에 도달한다. 이를 절대 영도 K(켈빈)라 한다. 절대 온도 0도씨는 마이너스 273. 15K다. 높은 곳으로 올라갈수록 공기가 희박해져 기압이 낮아진다. 과자 봉지에 가해지는 압력보다 봉지 안의 기체가 밖을 향해 미는 힘이 강해져 봉지가 부풀어 오른다. 뜨거운 물체는 주위의 원자를 강하게 흔든다. 온도 차이가 있는 물체 사이에 열이 이동한다. 진동의 차이가 없어지면 온도의 차이가 없어진다. 뜨거운 캔의 표면에는 금속 원자가 활발하게 진동하고 있다. 손으로 잡으면 손의 표면에 있는 분자가 강하게 요동하고 결국 손 내부의 분자까지 진동해 열을 느낀다. 기체의 열에너지는 외부로 향한 일의 양만큼 감소한다. 이를 열역학 제1법칙이라 한다.
파동이란 주위로 어떤 진동이 전달되는 현상이다. 소리와 빛이 대표 예이다. 빛은 공간 자체에 존재하는 전기장과 자기장의 진동이 전달되는 파동이다. 빛은 횡파이고 소리는 종파다. 파동의 진행 방향에 대해 수직으로 진동하는 파동이 횡파다. 파동의 진행 방향과 같은 방향으로 진동하는 파동이 종파다. 소리는 공기가 성긴 부분과 빽빽한 부분이 교대로 전달되는 현상이다. 북을 두드리면 북의 가죽이 갑자기 푹 꺼진다. 그러면 가죽 주위의 공기가 희박해지고 밀도가 낮은 소(疎) 부분이 생긴다. 그 다음 북의 가죽이 격렬하게 튀어 오른다. 그러면 북의 가죽 주위의 공기가 압축되어 공기의 밀도가 높은 밀(密) 부분이 생긴다. 북의 가죽이 튀어 올랐다가 움푹 꺼질 때마다 주위 공기에 밀 부분과 소 부분이 생기고 주위로 전달된다. 이때 공기는 그 자리에서 앞뒤로 진동을 반복한다. 소와 밀의 변화가 차례차례 전해지는 현상을 소밀파라 한다. 이것이 음파의 정체다.
지진파에는 종파와 횡파가 있다. P파는 세로로 요동을 일으킨다. S파는 땅 위에서 가로로 크게 흔들린다. P파는 종파, S파는 횡파다. 피해를 일으키는 주요 원인이 주로 S파이다. 컵에 물을 부으면 컵 바닥에 놓인 동전이 떠올라 보인다. 빛의 왼쪽과 오른쪽에 속도 차가 생긴다. 빛이 공기에서 물로 진입하면 속도가 느려진다. 이미 물로 진입한 빛과 아직 진입하지 않은 빛 사이의 속도 차이로 빛의 진로가 꺾인다. 굴절이 일어나는 것이다. 속도 차이가 클수록 크게 꺾인다.
흰색 태평광이 프리즘에 들어가면 파장(색)에 따라 굴절 각도가 달라져 무지개처럼 일곱 가지 색으로 나타난다. 이를 빛의 분산이라 한다. 비 갠 후 나타나는 무지개는 빛이 공기 중에 떠다니는 무수한 물방울을 통과하며 분산되어 나타나는 현상이다. 비눗 방울에 닿은 빛은 서로 다른 경로로 진행한다. 비눗 방울의 표면이 알록달록한 이유는 간섭으로 강해진 빛의 색이 보이기 때문이다. 빛이 반사되는 위치나 각도에 따라 강해지는 빛의 파장(색)이 조금씩 바뀌어 무지개 같은 무늬가 보이는 것이다.
소리는 벽을 타고 돌아서 온다. 이를 회절이라 한다. 파동은 장애물이 있으면 돌아서 간다. 회절은 기본적으로 파장이 길수록 잘 일어난다. 사람 음성의 파장은 1미터 전후로 비교적 길어서 벽이나 건물을 돌아서 가기 쉽다. 빛의 파장은 짧아서 일상생활에서는 거의 회절하지 않는다. 그늘이 생기는 것을 보면 알 수 있다. 만일 빛이 회절하면 직접 태양 빛이 닿지 않는 건물 뒤에도 빛이 돌아가 그늘이 생기지 않을 것이다.
하늘이 푸른 이유는 공기가 파란색 빛을 산란시키기 때문이다. 미세 입자에 부딪히면 빛은 사방팔방으로 튄다. 푸른 하늘도 노을도 모두 빛의 산란이 만들어낸다. 파란색이나 보라색은 파장이 짧아서 하늘의 어느 방향을 보더라도 눈에 들어온다. 건물이 높을수록 지진에 천천히 흔들린다. 물체에는 크기에 맞게 잘 흔들리는 주기와 진동수가 있다. 이를 고유 주기 또는 고유 진동수라 한다. 건물이 높을수록 주기가 느린 지진파와 공명한다. 제자리에서 진동을 반복하는 파를 정상파(定常波)라 한다. 바이올린처럼 양끝을 고정한 현에 발생하는 파는 제자리에서만 진동을 반복하고 나아가지 않는다.
전기와 자기는 서로 닮았다. 자극도 서로 당기거나 밀어낸다. 스마트폰이 뜨거워지는 이유는 도선의 원자가 흔들리기 때문이다. 전류의 정체는 전자의 흐름이다. 전류의 방향은 전자의 이동 방향과 반대다. 도선에 전류가 흐르면 자석이 된다. 전류가 자기장을 만든다. 발전소는 자석을 돌려 전류를 만든다. 발전소에서 만들어 가정으로 보내는 전기는 흐르는 방향이 계속 바뀐다. 이를 교류라 한다. 1초 동안 교류의 주기적 변화가 반복되는 횟수를 주파수라 한다. 플레밍의 왼손법칙으로 도선에 걸리는 힘을 알 수 있다.
코일이 회전하여 모터가 된다. 전기와 자기가 빛을 만든다. 교류처럼 방향이 바뀌면서 전류가 흐르면 주위에는 변화하는 자기장이 생긴다. 그러면 이번에는 그 자기장을 감싸듯 변하는 전기장이 생긴다. 그 결과 전기장과 자기장이 서로 연속적으로 파동처럼 나아간다. 맥스웰은 이 파동을 전자기파라 불렀다. 맥스웰은 전자기파가 나아가는 속력을 직접 측정하지 않고 이론적인 계산으로 구했다. 그 값은 초속 30만 km다. 빛의 속력과 같다. 전자기파는 빛이라는 의미다.
원자의 크기는 1000만 분의 1mm다. 전자는 특정 궤도에만 존재한다. 통상 전자는 원운동을 하면 전자기파를 방출하여 에너지를 잃는다. 그래서 원자핵 주위를 도는 전자는 점차 에너지를 잃고 원자핵으로 떨어질 것이라 생각했다. 닐스 보어는 원자핵 주위를 도는 전자는 띄엄띄엄 떨어진 궤도에만 존재하며 바깥 궤도에서 안쪽 궤도로 이동할 때 외에는 전자기파를 방출하지 않는다고 보았다. 전자는 왜 특정 궤도에만 존재할까?
루이 드 브로이는 전자도 파동의 성질을 갖는다고 생각했다. 전자가 파동의 성질을 가질 때 전자 궤도의 길이가 전자 파동의 정수배이면 전자 파동이 궤도를 한 바퀴 돌 때 정확하게 파동이 이어진다. 이때가 전자가 전자기파를 방출하지 않는 안정 상태가 된다고 보았다. 궤도의 길이가 파장의 정수배가 되지 않으면 그 궤도에는 전자가 존재하지 않는다.
태양 내부에서는 수소 원자핵이 융합한다. 태양 중심 온도는 1500만도씨, 기압은 2300억 기압이다. 그런 곳에서는 수소 원자핵과 전자가 제각각 흩어져 날아다닌다. 수소 원자핵 네 개가 격렬히 충돌하고 융합하여 헬륨 원자핵이 만들어지는데 반응 전과 반응 후의 질량 합계는 0.7% 가벼워진다.
줄어든 만큼의 질량이 태양을 빛나게 하는 에너지가 된다. 원자력 발전에서는 우라늄 원자핵이 분열한다. 핵분열 반응도 엄청난 에너지를 만들어낸다. 원자로 내에서 핵분열이 일어날 때 중성자가 방출되고 그 중성자가 다른 우라늄 235에 흡수되어 연쇄적인 핵분열이 일어난다. 우라늄 235 원자의 핵은 중성자 1개를 흡수하면 불안정해져 아이오딘 139와 이트륨 93 등 가벼운 두 개의 원자핵으로 분열하여 막대한 에너지를 만든다.
원자 구조 연구에서 양자역학이 태어났다. 관측하면 전자의 파동이 순식간에 줄어든다. 전자는 관측하지 않을 때는 파동의 성질을 가지면서 공간에 퍼져 존재하고 빛을 쬐어 그 위치를 관측하면 전자의 파동이 순식간에 줄어들어 한 곳에 집중된 뾰족한 파동이 형성된다. 이렇게 한 점에 집중된 파동은 입자처럼 보인다. 미시 입자의 움직임을 설명하는 이론을 양자역학이라 한다. 양자역학은 현대물리학의 근간이 되는 이론의 하나다.
