교과서에서 뛰쳐나온 진짜 물리학 이야기!
물리학을 아는 것은 곧
더 나은 일상을 만드는 일로 이어집니다.

‘딱딱하고 어렵다’는 수식어로 대표되는 학문 물리학. 온갖 복잡한 수식과 법칙으로 배웠던 교과서 속 물리학은 으레 우리의 일상과는 머나먼 학문으로 치부되었다. 하지만 아침에 눈을 떠 잠들기 전까지 일상 곳곳에 물리 법칙이 함께하고 있다는 사실을 알게 된다면 물리에 대한 편견이 조금은 사그라지지 않을까? 아침밥을 지어준 전기밥솥에, 몸무게를 잰 체중계에, 등굣길에 이용한 교통카드에, 휴대폰 속 플래시 메모리에, 버스를 멈추는 브레이크에, 붉은빛으로 물드는 석양에, 거실을 밝히는 형광등에, 휴대폰 무선충전기에…… 이렇듯 물리 법칙은 우리의 일상 속 켜켜이 자리 잡고선 알게 모르게 당신의 삶을 좀 더 풍요롭게 일궈주고 있다. 이 책은 평소 한번쯤 이건 왜 이럴까 하는 궁금증으로 다가왔을 법한 일상 속 현상들을 물리학자의 시선으로 명쾌하게 답해준다.
물리학자의 시선으로 바라본
우리의 일상 속 물리학 들여다보기
물리학이라고 하면 다들 막연히 어렵고 복잡한 학문이라고 치부하기 십상입니다. 만유인력의 법칙, 양자역학 같은 어디선가 한번쯤 들어보았던 과학 용어들을 떠올리며 생활과는 거리가 먼 학문이라고 생각합니다. 그러나 물리는 결코 교과서 속에 갇혀 있는 학문이 아닙니다. 지금 주변을 찬찬히 둘러보면 일상의 풍경을 촘촘하게 메우고 있는 물리 현상들과 만날 수 있습니다.
예컨대, 전차의 바퀴나 자동문을 움직이는 전동기, 지나가는 구급차 사이렌 소리의 변화, 창 너머로 보이는 푸른 하늘과 저녁놀, IC 카드로 하는 결제, USB 메모리에 사용되는 양자역학의 원리 등등 생활 곳곳에서 물리학을 응용한 현상들과 마주할 수 있습니다.

세상을 보는 눈을 달라지게 하는
물리의 세계로 초대
이 책은 이처럼 일상생활에서 경험할 수 있는 수많은 현상과 첨단 기기에 숨어있는 ‘물리의 원리’를 찾아내 소개합니다. ‘어? 이것도 물리 법칙이었어?’ 하고 느낄 만한 흥미로운 이야깃거리를 따라가다 보면, 눈에 비치는 일상의 풍경과 무심코 집어든 도구 안에 물리학이 조용히 숨 쉬고 있음을 느낄 수 있을 겁니다.
물리는 결코 보통 사람이 가까이 하기 힘든 신비한 무언가도 아니거니와, 공식을 외워 오로지 반복 연습해야 하는 학문은 더더욱 아닙니다. ‘앎으로써 세상을 보는 눈이 달라지는’, 인생을 살짝 풍요롭게 만드는 학문입니다.

PART 1 의외의 장소에 존재하는 물리 법칙
물리 법칙은 우리 생활 곳곳에, 일상적이고 익숙한 현상에 숨어있습니다. ‘어? 이런 곳에 물리가?’ 하고 느껴질 만큼 물리와 연관 없어 보이는 현상들 속에서 법칙을 이끌어내는 이야기들에 흥미롭게 빠져들 것입니다.
블루라이트 차단 안경의 렌즈가 알려주는 빛의 파동 성질, 정전기가 생기는 원인인 마찰 대전, 무게를 길이로 변환하는 체중계를 만드는 데 쓰이는 훅의 법칙, 전철이 급제동할 때 몸이 쏠리는 현상에 숨어있는 관성의 법칙, 꽉 닫힌 유리병 뚜껑을 열 때 이용하는 열운동과 열팽창률, 브레이크를 밟는 정도의 힘으로 무거운 자동차를 멈추게 하는 파스칼의 원리, 강철로 만든 배가 물에 뜨는 비밀에 숨어있는 아르키데스의 원리에 이르기까지, 이처럼 물리 법칙은 깊숙이 우리 생활 속에 어우러져 있습니다.

PART 2 사물의 움직임을 통해 물리를 이해하기
물리학 교과서에서 배웠던 여러 법칙들은 알고 보면 사물이 움직이는 원리와 연관되어 있습니다.
무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리면 어떤 물체가 먼저 떨어질지를 밝히는 실험에서 시작된 낙하 법칙, 주변의 운동을 이해하는 뉴턴 제2법칙, 씨름선수와 초등학생이 충돌했을 때 일어나는 상황으로 살펴보는 작용 · 반작용의 법칙, 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 더한 값이 일정하게 유지되는 경우에서 확인하는 역학적 에너지 보존 법칙, 피겨스케이트 선수가 회전할 때 이용하는 물리 법칙인 각운동량 보존 법칙, 대량의 자료를 통해 과학적 천체 지도를 그려내는 케플러 법칙, 우주의 기원을 최초로 증명한 허블 법칙 등에서 이를 확인할 수 있습니다.

PART 3 가전제품의 물리 원리 알기
가전제품 속에는 그야말로 수많은 물리 법칙들이 살아 숨 쉬고 있습니다. 어느새 생활필수품이 되어버린 가전제품들을 다들 편리하게 사용은 하고 있지만 제품들의 작동 원리에 대해서까지 깊게 생각해보지는 않았을 겁니다.
에어컨이 시원한 바람을 내는 원리인 열역학 제1법칙, 토스터·다리미·전기담요·전기주전자 등 열을 내는 제품에 쓰이는 줄의 법칙, IC교통카드·무선충전기·인덕션 히터처럼 비접촉 상태에서 전기가 흐르는 불가사의한 현상을 일으키는 패러데이의 전자기 유도 법칙, 전기밥솥의 밥을 짓는 원리에서 살필 수 있는 퀴리 온도, 일상적인 데이터를 주고받는 데 편리한 플래시 메모리에 숨어있는 양자역학에 이르기까지, 가전제품에 쓰인 법칙들을 하나씩 들여다보면서 물리가 우리의 생활을 얼마나 편안하고 윤택하게 해주는지 깨닫는 계기가 될 것입니다.

PART 4 우리의 생활 기반을 지탱하는 물리
어느새 현대인의 필수품이 된 휴대전화는 물리 법칙 맥스웰 방정식을 활용하지 않았다면 아마도 존재하지 못했을 겁니다. 전기를 움직임으로 바꾸는 전동기가 사용되는 제품들, 즉 선풍기·세탁기·자동문 같은 제품의 작동 원리에는 플레밍의 왼손 법칙이 큰 역할을 하고 있습니다. 어둠을 밝히는 형광등과 네온사인에도 원자의 에너지 준위라는 법칙이 숨어있습니다. 이렇듯 생활 곳곳에서 만나게 되는 물리 법칙들을 하나씩 파헤쳐봅니다.

PART 5 자연을 한 단계 더 깊이 이해하기 위한 물리
자연 속에서 살필 수 있는 물리 법칙들에는 어떤 것이 있을까요?
북반구와 남반구에서 반대 방향으로 도는 태풍의 소용돌이 속에는 물리 법칙 코리올리 효과가 숨어있습니다. 붉게 물드는 아름다운 석양의 하늘빛을 지구가 아닌 화성에서도 볼 수 있을까요? 레일리 산란이 그 답을 밝혀줍니다. 그 밖에도 멀어지는 구급차의 소리가 낮게 들리는 이유를 밝혀주는 도플러 효과, 비행기가 양력을 얻어 뜨는 원리를 명쾌하게 파헤치는 베르누이의 정리에 이르기까지 자연 속 여러 현상 속에서도 물리 법칙들을 만날 수 있습니다.

PART 6 미시 세계에서 우주 끝까지의 물리
우리 눈으로 직접 볼 수 없는 미시 세계와 그를 넘어 광활한 우주 속에서 발견할 수 있는 물리 법칙들에는 어떤 것들이 있을까요?
누가 보더라도 빛의 속도가 같음을 증명하는 광속 불변의 원리, 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 탄생시킨 주춧돌이 된 등가 원리, 미시 세계의 입자는 위치와 운동량의 요동이 동시에 작아질 수 없기에 미래를 확정적으로 예측하는 일이 불가능함을 밝히는 불확정성 원리까지. 신비로운 미시 세계만큼이나 흥미로운 물리 이야기가 펼쳐집니다.
물리학은 ‘딱딱하고 어렵다’라고 생각하기 쉽습니다. 그렇지만 우리 인류가 오랜 세월 축적한 과학적 사고력의 결정체인 물리학을 멀리할 수만은 없습니다. 여행을 떠나는 비행기 속에서도, 전기밥솥에서 밥이 되어가는 순간에도 물리학은 우리와 함께하고 있기 때문입니다. 이 책은 주제별로 물리학을 재구성해 생활 속의 다양한 사례를 통해서 평소에 문득문득 궁금하던 현상들의 해답을 제공합니다. 물리학을 전공한 선생님들이나, 물리학을 공부하고자 하는 학생들에게 친절한 물리 지침서가 되리라 생각합니다.
_저현고 과학교사 박인규

일상생활 속에서 궁금했던 많은 일들의 과학적 원리를 청소년들이 이해하기 쉽게 풀어놓은 책입니다. 다음 장에는 어떤 이야기가 나올지 궁금해지는 책! 무심코 지나쳤던 일들에 대해 ‘아하! 그렇구나!’를 외칠 수 있는 책! 호기심을 자극해 청소년들의 과학적 사고력, 통찰력을 키워줄 책입니다.
_대화고 과학교사 김지홍

‘빛’에 관해서는 전제가 되는 지식이 몇 가지 있습니다. 먼저 빛은 ‘전자기파(전자파)’의 일종입니다(빛은 파동이기 때문입니다). 전자기파라는 명칭을 들으면 가장 먼저 전자레인지나 컴퓨터에서 나온다는, 그 눈에 보이지 않는 ‘무언가’를 뜻하는 거 아닌가 하는 생각이 들 것 같습니다. 맞습니다. 그것도 전자기파이고 눈에 보이는 빛도 전자기파입니다. 조금 더 과학적으로 설명하자면 빛은 ‘전기장’과 ‘자기장’이라는 것이 진동하면서 전달되기 때문에 ‘전자기파’라고 부르는 것입니다.
PART 1 의외의 장소에 존재하는 물리 법칙 13쪽

스마트폰으로 영상을 보면 기기가 점점 뜨거워집니다. 또 노트북을 무릎 위에 올려둔 채 장시간 사용해도 견디기 힘들 만큼 뜨거워지죠. 이처럼 전자제품을 장시간 사용해서 뜨거워지는 경우는 일상에서 흔히 경험하는 일입니다. 왜 이런 일이 일어날까요? (중략)
‘전류가 흐른다’라는 것은, 도선 안을 전자가 움직이고 있다는 뜻입니다. 전기 회로는 비유하자면 ‘전원에 의해 높은 곳으로 올라간 전자가 점점 낮은 곳으로 미끄러져 내려와 한 바퀴 돈 다음 원래 높이로 되돌아가는 것’과 같습니다. 그리고 그 ‘미끄러져 내려오는 부분’이 전기 저항에 해당합니다. 미끄럼틀을 타고 내려오면 마찰 때문에 엉덩이가 뜨거워지듯 전자가 저항(미끄럼틀)을 거쳐 갈 때도 마찰 같은 작용이 있기 때문에 ‘열’이 발생하죠. 이것이 ‘줄 열’입니다.
PART 3 가전제품의 물리 원리 알기 118쪽

일상적인 데이터를 주고받는 데 편리한 USB 메모리와, 디지털 카메라나 스마트폰의 기억 매체로 자주 쓰이는 SD 카드. 이 흔해빠진 기기 속에 참으로 희한한 ‘양자역학의 세계’가 펼쳐져 있습니다. 이른바 ‘터널 효과’라는 현상인데, 대체 어떤 것일까요?
PART 3 가전제품의 물리 원리 알기 140쪽

네온사인은 진공 상태의 유리관 안에 소량의 ‘네온’이라는 기체를 넣어 밀봉한 뒤 전극을 삽입해서 강한 전압을 거는 구조로 만듭니다. 그리하면 고전압으로 가속된 전자가 네온 원자와 충돌해서 네온 원자 안의 전자가 튕겨 나갑니다. 그리고 그 빈자리로 높은 궤도에 있던 전자가 떨어지면 두 궤도 간의 에너지 차가 전자기파로 방출됩니다. 그 색깔이 바로 가시광선의 붉은색에 해당합니다. 이뿐이라면 붉은색만 나오겠지만 네온 대신 다른 기체, 예컨대 아르곤을 이용하면 아르곤의 에너지 준위를 반영한 색깔인 파란빛이 방출됩니다. (중략) 이러한 지식을 알고 나니 밤거리 풍경이 어딘가 달라 보이지 않나요?
PART 4 우리의 생활 기반을 지탱하는 물리 165쪽

코리올리 힘이 나타나는 현상으로 유명한 것은 역시 태풍의 소용돌이 방향입니다. 태풍은 중심의 저기압을 향해 공기가 빨려 들어가는데, 그때 북반구에서는 ‘진행 방향의 오른쪽 수직 방향’으로 힘이 작용합니다. 따라서 옆 페이지에서 보듯이 결과적으로 반시계 방향으로 도는 소용돌이가 됩니다. 반면 남반구에서는 코리올리 힘이 반대 방향이 되므로 남반구의 태풍은 시계 방향으로 도는 소용돌이가 됩니다.
지구의 자전으로 생기는 코리올리 힘은 기본적으로는 상당히 큰 구조(태풍 따위)에서 나타나는 현상이므로 ‘욕조 마개를 뽑았을 때의 소용돌이 방향’ 같은 작은 구조와는 관련이 없습니다. 실제로 남반구에 출장을 갈 기회가 있는 사람은 자택과 출장지의 욕조 소용돌이를 한번 관찰해봅시다. 남반구라고 해서 꼭 반대 방향은 아닐 겁니다.
PART 5 자연을 한 단계 더 깊이 이해하기 위한 물리 180쪽

좀 더 과장된 예로, 지구에서 거의 빛의 속도로 머나 먼 별까지 날아가는 로켓을 생각해봅시다. 쌍둥이 형제 중 형은 로켓을 타고 동생은 지구에 남았다고 합시다. 로켓이 거의 빛의 속도로 지구에서 멀어질 때 형제는 둘 다 ‘상대의 시계가 느리게 간다’고 관측합니다. 이는 ‘시계’라는 특정한 기계의 동작에 대해서만 성립하는 것이 아니라 소립자의 수명이나 생체리듬, 그 밖의 모든 시간에 대해 성립합니다. 따라서 로켓이 지구에서 날아갈 때 형제는 모두 ‘상대는 좀처럼 나이를 먹지 않는다’라고 관측합니다. 마침내 로켓이 U턴을 해서 다시 지구로 돌아온다고 합시다. 재회한 형제는 어떻게 됐을까요? 결론은 로켓에 타고 있던 형이 더 젊습니다(즉, 형의 시계가 더 느리게 갑니다). 대체 왜 그럴까요? 이 사례는 ‘쌍둥이 역설’ 또는 ‘우라시마 효과’라고 합니다.
PART 6 미시 세계에서 우주 끝까지의 물리 218쪽

들어가며 세상을 보는 눈을 달라지게 하는 물리학의 세계

PART 1 의외의 장소에 존재하는 물리 법칙
01 빛의 간섭 ▶ 블루라이트를 차단하는 장치
02 지레의 원리 ▶ 작은 힘으로 큰 힘을 만들어내다
03 마찰 대전 ▶ 정전기는 왜 생길까?
04 훅의 법칙 ▶ 무게를 길이로 변환하는 똑똑한 장치
05 관성의 법칙 ▶ 전철이 급제동을 하면 왜 몸이 앞으로 쏠릴까?
06 열운동과 열팽창률 ▶ 꽉 닫힌 유리병 뚜껑을 여는 지혜
07 파스칼의 원리 ▶ 브레이크에도 이용되는 큰 힘
08 아르키메데스의 원리 ▶ 강철로 만든 배가 물에 뜨는 비밀

PART 2 사물의 움직임을 통해 물리 이해하기
01 낙하 법칙 ▶ 무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리면?
02 운동 법칙 ▶ 주변의 운동을 이해하는 뉴턴 제2법칙
03 작용 · 반작용의 법칙 ▶ 씨름선수와 초등학생이 충돌한다면
04 역학적 에너지 보존 법칙 ▶ 운동 에너지+퍼텐셜 에너지가 일정하게 유지되는 경우
05 각운동량 보존 법칙 ▶ 피겨스케이트 선수가 이용하는 물리 법칙
06 케플러 법칙 ▶ 대량의 자료를 통해 과학적 천체 지도를 그려내다
07 만유인력의 법칙 ▶ 물리학에서 가장 유명한 법칙
08 허블 법칙 ▶ 우주의 기원을 최초로 증명하다

PART 3 가전제품의 물리 원리 알기
01 열역학 제1법칙 ▶ 에어컨은 어떻게 방을 시원하게 할까?
02 줄의 법칙 ▶ 노트북이 뜨거워지는 원리
03 패러데이의 전자기 유도 법칙 ▶ 비접촉 상태에서 전기가 흐르는 불가사의
04 퀴리 온도 ▶ 전기밥솥으로 밥을 짓는 원리
05 플랑크 법칙 ▶ 색깔을 통해 온도를 알 수 있다면 멀리 있는 항성의 온도도 알 수 있다!
06 터널 효과 ▶ 플래시 메모리에도 사용되는 양자역학의 원리

PART 4 우리의 생활 기반을 지탱하는 물리
01 맥스웰 방정식 ▶ 휴대전화, 텔레비전, 라디오 전파의 원리
02 플레밍의 왼손 법칙 ▶ 전기를 ‘움직임’으로 바꾸는 전동기의 원리
03 원자의 에너지 준위 ▶ 형광등은 어떻게 빛을 낼까?
04 초전도와 BCS ▶ 에너지 손실을 없애는 꿈의 현상

PART 5 자연을 한 단계 더 깊이 이해하기 위한 물리
01 코리올리 효과 ▶ 북극에서 한국을 향해 공을 던진다면?
02 레일리 산란 ▶ 지구와 화성의 석양은 왜 다른 색일까?
03 도플러 효과 ▶ 멀어지는 구급차의 소리는 왜 낮게 들릴까?
04 베르누이의 정리 ▶ 비행기가 양력을 얻는 원리를 해명하다

PART 6 미시 세계에서 우주 끝까지의 물리
01 광속 불변의 원리 ▶ 빛의 속도는 누가 보더라도 같다
02 질량-에너지 등가 ▶ 질량에 숨겨진 막대한 힘이란?
03 등가 원리 ▶ 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 탄생시킨 주춧돌
04 불확정성 원리 ▶ 미래를 확정적으로 예측하는 일은 불가능하다!

끝마치며 우리 주변에 숨어있는 물리 법칙을 찾아보자