물리와 세상, 그 사이의 존재
곳곳에서 살아 숨쉬는 물리학의 원리

* 이 책은 2001년부터 2007년까지 독일에서 총 7회에 걸쳐 해마다 장소를 바꾸어가며(뮌헨, 뒤스부르크, 드레스덴, 슈투트가르트, 베를린, 브레멘, 프랑크푸르트) 열린 ‘하이라이트 물리학’ 행사의 결과를 집대성한 것입니다.

≪물리와 세상: 사물 뒤에 숨겨진 모든 것≫은 독일에서 2000년을 ‘물리학의 해’로 정하면서 1년 단위로 낸 자료집을 모아낸 ‘책 속의 책’이다. 아인슈타인은 말할 것도 없고(상대성이론이 없었다면 GPS도, 내비게이션도 없었을 것이다) X선을 발견한 빌헬름 뢴트겐, 양자물리학의 세계를 연 막스 플랑크, 핵분열을 발견한 오토 한 등을 떠올려보면, 현대 물리학은 어느 정도 독일이라는 나라와 인연이 깊다. 어쨌든 이 첫해부터 10만 명이 넘는 사람들이 방문한 ‘물리학의 해’ 행사를 계기로 독일에서는 각종 과학 분야를 기념하는 행사를 기획해왔고, 유네스코는 2005년을 세계 물리학의 해로 선포하기도 했다.
≪물리와 세상≫은 에너지 문제(1장)를 시작으로, 파동(2장), 시간(3장), 힘(4장), 원소(5장), 지구와 우주(6장), 생명(7장)을 차례로 짚어나간다. 각 장은 해마다 설정한 주제를 중심으로 개별적으로 물리학을 다루고 있지만, 이들은 서로 맞물리면서 일관되게 ‘물리와 세상’ 그 자체를 이야기한다. 독자들은 그 안에 등장하는 지구물리학, 천체물리학, 입자물리학, 중력물리학, 양자물리학, 핵물리학, 생물물리학, 대기물리학, 신경물리학, 수리물리학, 원자물리학 등 멀게만 느껴지는 수많은 물리학 분야가 어떻게 우리 삶과 두터운 관련을 맺고 있는지 친절한 설명과 다채로운 사진을 통해 만나게 된다.


딱딱한 물질의 이면에는 무엇이 있는가?
성실한 과학 연구와 결합된 인간의 상상력은 어떤 일을 이루어낼 것인가. 열 발전기를 장착해 체온을 전류로 변환할 수 있다는 이론을 살펴보자. 이는 곧 실현 가능한 일이 될 것이다.

“휴대전화의 전지가 바닥나서 난감할 때가 많다. 만일 환경에서 에너지를 ‘수확’한다면 그런 문제는 해결할 수 있을 것이다. 사실상 소량의 전기에너지는 어디에나 존재하는 역학적인 진동이나 열이나 화학에너지로부터 얻을 수 있다. 적당한 변환 장치를 이용하면 그 에너지를 뽑아낼 수 있다. 예컨대 체온으로 작동하는 MP3플레이어를 개발할 수 있을 것이다.”
- 본문 51쪽 글상자 “전지여, 안녕!” 중에서

그렇다면 현재 활용되고 있는 첨단 기술을 살펴보자. 디지털 보청기는 인공적인 청각 보조 장치로서 1996년에 개발되었다. 보청기는 진동수에 따라서 다르게 증폭하며 소리의 크기를 구별해 다르게 증폭해야 한다. 디지털 보청기는 소음을 제거하며 감지된 소리를 사용자의 장애 유형과 정도에 따라 맞게 처리한다.
굳이 물아일체라는 단어를 꺼내지 않더라도 우리는 어쩌면 가까운 미래에 기기를 몸에 내장한 채 활동하며 살아갈지도 모른다. 안경이 이미 몸의 일부인 것처럼 아무렇지도 않게 말이다. 물리학을 이해하는 데 우리는 굳이 생물과 무생물의 경계를 명확히 구분할 필요가 없다. 생물은 물질로 이루어져 있으며 그 작은 물질들이 어떤 성질을 띠고 어떤 원리로 움직이냐에 따라 그것이 구성한 생물의 존재를 결정짓기 때문이다. 예를 들어 우리 몸에는 신경세포가 1000억 개 들어 있고 뇌는 20와트(W)의 일률로 에너지를 소비한다. 이것을 쉽게 설명해보자. 우리 머리에는 작은 전구가 켜져 있는 것이고, 뇌에서 필요로 하는 순수 포도당은 생물학적인 최고급 연료인 셈이다.
인류 전체의 당면 과제인 에너지 문제는 어떤가. 과학자들은 에너지를 마이크로파 형태로 하늘에서 지구로 보내는 꿈을 꾼다. 지구 궤도에 거대한 태양광발전소를 건설함으로써 지구로 에너지를 보내자는 것이다. 재생 가능한 에너지원은 에너지 문제의 해결책으로 가장 중요한 키워드다. 그 가운데 풍력과 수력은 형태가 바뀐 태양에너지라 할 수 있다. 바람이 일으키는 파도 역시 중요한 에너지원으로 기능할 수 있다. 파도는 물을 운반하는 것이 아니라 에너지를 운반한다. 미래에 파력발전소들이 전기에너지를 대량으로 생산할 때도 파도의 에너지만 있으면 된다.

맥주를 마시면 멍청해진다?
아인슈타인은 사교를 위한 특별한 경우가 아니면 술을 잘 마시지 않았다고 한다. 맥주를 마시면 멍청해진다는 이유였다. 만약 무알코올 맥주가 생산되는 오늘날 아인슈타인이 살아 있다면 술꾼이 되었을지도 모를 일이다.
그러나 아이러니하게도 아인슈타인의 확산 이론이 없었다면 무알코올 맥주도 생겨나지 않았을 것이다. 아인슈타인은 확산 과정을 수학적으로 기술해 액체 분자의 크기와 아보가드로수(일정한 양의 물질 속에 들어 있는 분자의 개수)의 값을 알 수 있었는데, 프랑스 과학자 장 페랭은 브라운운동을 실험한 끝에 1908년 아인슈타인의 이론을 입증했다. 만일 통제된 확산 과정이 없다면 반도체 산업과 칩 생산은 불가능할 것이고, 무알코올 맥주도 바로 이 통제된 확산과 삼투현상 덕분이다.

이처럼 물리학을 주제로 갖가지 과학 이야기를 펼쳐놓는 이 책은 일면 전문적이고 복잡해 보여도 물리학이 실상 우리 삶과 떼려야 뗄 수 없는 우리 내부의 또 다른 세상임을 귀띔해준다. 이 ‘보이는 것 너머’에 숨겨진 문을 열면 무궁무진한 새로운 세계가 기다리고 있다. 이 책에 등장하는 다채로운 사진과 그림, 명확하고 풍부한 사례를 통해 우리는 물리학의 과거를 배우고 현재를 이해하며 미래를 짐작할 수 있다.
아울러 물리학이 일상에서 어떤 역할을 하는지 알고 싶다면, 21세기 물리학이 궁금하다면 이 책에서 그 해답을 찾을 수 있다. ≪물리와 세상≫은 과학을 공부하는 학생에게는 전공서로 넘어가는 징검다리가, 교양에 목마른 성인에게는 손에 잡히는 물리학으로 신선한 즐거움을 줄 것이다. 인문과 과학의 경계를 허무는 과학의 대중화는 이런 과정 속에서 이루어질 것이다.


*지은이와 옮긴이 소개
물리학 분야의 저명한 저널리스트이자 작가인 토마스 뷔르케 박사(3. 시간, 빛, 우연)를 비롯해 토마스 데 파도바(2. 파동의 세계), 알렉산더 파블락(7. 물리학과 생명), 마티아스 슐렌부르크 박사( 4. 힘의 놀이 / 6. 보이는 것 너머의 세계), 롤란트 벵엔마이어(1. 에너지 문제의 해결책은? / 5. 춤추는 원소)가 각각 이 책의 집필에 참여했다.

*편집자
루트비히 슐츠 교수(드레스덴 고체물리학 연구소, 독일물리학회 대표)
위르겐 리히터 교수, 헤르만-프리트리히 바그너 박사(독일 연방 교육연구부 대표)

*과학 자문
헬무트 에슈리히 교수, 페터 프롬헤르츠 교수, 볼프강 M. 헤클 교수, 하이너 뮐러-크룸하르 교수, 에버하르트 바서만 교수

1. 에너지 문제의 해결책은?
태초에 불이 있었다 │ 에너지 공장 │ 생명의 에너지 살림살이 │ 에너지 꾸러미 │ 여행하는 에너지

2. 파동의 세계
첨단 기술과 소리│ 폐허를 만드는 파도 │ 파장의 마술 │ 새로운 빛으로 본 세계 │ 공간과 시간의 잔물결

3. 시간, 빛, 우연
기적의 해, 1905년 │ 빛을 타고 달려라 │ 빛 파동에서 양자 도깨비로 │ 분자들의 야릇한 춤 │ 구부러진 공간과 느려진 시간

4. 힘의 놀이
아주 작은 세계에서 활약하는 힘들 │ 양자 세계로의 여행 │ 힘들의 사중주 │ 하늘과 땅 사이 │ 지평 너머로

5. 춤추는 원소
냄비 속의 춤 │ 태초의 열에서 단단한 물질로 │ 부드러움의 발견 │ 마법의 8인조 춤 │ 붕괴의 역사 │ 생명의 재료

6. 보이는 것 너머의 세계
지구로 가자 │ 자연의 패턴 │ 영리한 물질│ 감각의 과학

7. 물리학과 생명
광선 처방 │ 생명의 분자들 │ 세포 속의 물리학