물리법칙의 발견이 곧 생활의 발견이다! 실제로 물리법칙은 우리 삶의 곳곳에 작용하고 있으며, 지난 수천 년 동안 연구자들은 우리 삶과 세계 속에 가득한 물리법칙들의 일부를 발견하고 규명했을 뿐이다. 결국 물리법칙은 바로 우리의 삶이며 생활이다. 따라서 저자는 물리법칙을 이해하는 것이 바로 삶과 세계를 이해하는 시발점이 될 수 있다고 말한다. 물리법칙의 발견이 곧 생활의 발견이며, 나아가 생명과 세계와 우주를 이해하는 일이 된다는 것이다.

청소년 및 일반인들에게 ‘과학책 읽는 문화’를 심어주려고 기획된 한국과학문화재단 과학문화총서인 이 책은 다양한 물리법칙과 이론을 많은 사람들이 손쉽게 접할 수 있는 대중과학서로서 손색이 없을 것이다.
물리법칙의 발견이 곧 생활의 발견이다!

‘안전벨트는 생명선’이라는 캠페인성 광고를 본 적이 있을 것이다. 이 광고에 ‘물리법칙’이 숨어 있다면 믿을 수 있겠는가. 우리가 차를 탈 때 안전벨트를 매는 이유는 불의의 사고에서 우리를 보호하기 위해서다. 안전벨트는 다른 차와 충돌을 했을 때 우리 몸을 안전하게 잡아준다. 그런데 충돌을 하면 왜 몸이 튕겨져 나갈까? 그건 바로 ‘관성의 법칙’ 때문이다. 관성의 법칙이란 ‘외부로부터 힘의 작용이 없는 한 물체의 운동 상태는 변하지 않는다’는 것이다. 다시 말해 달리는 자동차 안에 있던 사람은 갑작스런 충돌이 일어났을 때에도 계속 앞으로 달리려 한다. 그래서 튕겨져 나가는 것이다. 하지만 우리가 그러한 관성의 법칙을 의식하며 안전벨트를 매는 것은 아니다. 그럼에도 본질적으로 우리는 물리법칙들 안에 살고 있으며 그것으로부터 영향을 받는다.
이 책은 바로 그 지점에서 시작하고 있다. 대부분의 사람들은 ‘물리법칙’ 하면 전공자들이 어려운 수학공식을 달달 외우며 머리를 싸매고 연구하는 것이라고 생각한다. 다시 말해 우리와는 동떨어진 낯선 영역에서 일어나는 그들만의 일로 생각하는 것이다. 더욱이 현대물리학의 이론과 법칙들은 너무 작거나 너무 큰 세계에서 일어나는 현상들을 다루기 때문에 더욱 이해하기 어렵다. 수학적인 지식이 없는 상태에서 물리현상에 다가가게 되면 걸리버나 이상한 나라의 엘리스처럼 낯선 이방인이 될 수도 있다. 하지만 실제로 물리법칙은 우리 삶의 곳곳에 작용하고 있으며, 지난 수천 년 동안 연구자들은 우리 삶과 세계 속에 가득한 물리법칙들의 일부를 발견하고 규명했을 뿐이다. 결국 물리법칙은 바로 우리의 삶이며 생활이다. 따라서 저자는 물리법칙을 이해하는 것이 바로 삶과 세계를 이해하는 시발점이 될 수 있다고 말한다. 물리법칙의 발견이 곧 생활의 발견이며, 나아가 생명과 세계와 우주를 이해하는 일이 된다는 것이다.
청소년 및 일반인들에게 ‘과학책 읽는 문화’를 심어주려고 기획된 한국과학문화재단 과학문화총서인 이 책은 다양한 물리법칙과 이론을 많은 사람들이 손쉽게 접할 수 있는 대중과학서로서 손색이 없을 것이다.

물리법칙이 지배하는 세상

세상에 생명이 존재하기 전부터 우주는 물리법칙의 지배를 받아왔다. 그리고 이 땅에 생명이 도래한 이후, 더 나아가 인류가 출현한 이후로도 계속해서 물리법칙은 존재해왔다. 지난 수천 년 동안 인류는 물리법칙을 이해하기 위해 노력해왔으며, 자연 속에서 발견한 물리법칙들을 응용하고 발전시켜왔다. 20세기는 그 발전이 가파른 상승곡선을 타며 놀라운 발견과 창조를 거듭해온 시기다. 그리고 21세기는 지금까지 상상할 수 있었던 것을 뛰어넘는 도약의 세기가 될 것이다. 우리는 최첨단 이론의 우주선 안에 탑승해 있는 것이다. 그런 만큼 물리법칙과 물리세계에 대한 이해는 (단지 전공자뿐만 아니라) 이 시대를 살아가는 사람들에게 필수적으로 요구되는 일일지 모른다. 우리 앞에 놓여 있는 컴퓨터, 인터넷, 휴대전화 등 너무나 익숙하게 사용되고 있는 그 모든 것을 바라보라. 거기에 물리법칙이 함께 숨 쉬고 있다. 따라서 이 책에서 다루는 다양한 물리법칙들을 알게 되면 세상을 이해하는 깊이와 관점이 달라질 것이다.

낯선 물리법칙에게 말 걸기

낯선 세계에 발을 들여놓을 때 우리가 가장 먼저 하는 일은 무엇일까? 그것은 바로 그 세계의 ‘언어’를 배우는 일이다. 따라서 저자는 ‘물리법칙’이라는 낯선 세계의 첫걸음으로 그 ‘용어’들을 하나하나 짚어가고 있다. 서문에서도 밝히고 있듯이 “최첨단 물리학의 흥미진진한 소재들을 다룬 책 못지않게 가장 기본적인 핵심이 되는 물리법칙과 이론을 소개하는 책도 마땅히 나와야 한다”는 문제의식도 바로 거기서 비롯되고 있다. 즉 최신 이론들은 독자들에게 ‘매혹적’으로 느껴질 수 있지만 그만큼 어렵고 ‘낯선’ 세계이기 때문에 그곳으로 바로 직행하기보다는 기본을 이해하는 데서 시작하자는 것이다.
이를 위해 저자는 크게 다섯 영역으로 물리법칙의 세계를 소개한다. 첫째 힘과 운동, 둘째 물질과 에너지, 셋째 원자와 소립자, 넷째 별과 우주, 다섯째 크기와 숫자. 흥미로운 점은 고전적인 이론의 영역, 즉 케플러의 법칙과 만유인력의 법칙에서부터 최신 이론의 영역, 즉 쿼크이론과 초끈이론에 이르기까지 물리학의 역사를 거의 망라하고 있는 이 목록들이 단순히 물리법칙의 역사 순으로 나열되어 있지 않다는 것이다. 저자는 그러한 방법보다 위에서 말한 ‘다섯 영역’으로 물리 세계를 크게 나누고, 각 영역 안에서 고전이론부터 최신이론까지 ‘핵심 용어’의 흐름을 짚어주고 있다. 따라서 독자들은 우리가 접할 수 있는 여러 물리세계에서 물리법칙의 발견이 어떻게 흘러왔는지 한눈에 이해할 수 있게 된다. 또한 각 장을 이해하다보면 결국 이 다섯 영역이 하나의 세계로 통합되어 있음도 이해할 수 있다. 이는 낯선 나라의 언어를 처음 배운 후 그 나라의 문화, 종교, 철학, 정치 등을 이해하고 나면 그 나라의 전체가 유기적으로 통합되어 있음을 알 수 있는 것과 같은 이치이다.

익숙한 세계의 재발견

앞서 언급했듯이 물리법칙이 지배하는 세계는 결코 낯선 세계가 아니다. 다만 물리법칙 자체가 낯설 뿐이다. 그런 의미에서 물리법칙을 이해하는 것은 낯선 세계를 새로 발견하는 것이 아니라 ‘익숙한 세계를 재발견’하는 것이나 다름없다. 따라서 저자는 이 ‘생활의 재발견’을 위해 각 용어를 설명하면서 친숙한 일상의 상황들을 도입해 보여준다. 예를 들어 ‘빛의 증폭이 만들어낸 3차원 가상현실―레이저’에서는 “영화 <007 골드핑거>에서 레이저로 두꺼운 철판을 절단하는 장면”을 소개하고, “상품마다 부착된 독특한 바코드에 헬륨-네온 레이저를 비추면 반사된 빛이 전기 신호로 바뀌면서 품목명과 가격이 계산서에 찍히게 된다”는 설명으로 이해를 도우며, ‘아인슈타인과 음주측정기―광전효과’에서는 “알코올이 측정기 안의 백금 양극판에 닿으면 푸른색의 가스로 변하고 금속판에 닿으면 전자가 방출되어 전류를 발생”시키는 음주측정기의 작동원리가 해당 용어의 실례임을 소개한다.
이렇듯 저자는 (사실은 하나인) 물리세계와 일상세계의 접점을 정확하게 짚어줌으로써, 낯설지만 결코 우리와 무관하지만은 않은 물리법칙의 세계를 새롭게 발견하고 더 나아가 우리에게 ‘익숙한 세계’를 재발견하도록 만든다.

감여는 글｜익숙한 세상을 지배하는 낯선 물리법칙들

1. 힘과 운동으로 이루어진 세상
우주의 질서를 엿보다 _ 케플러의 법칙
운동의 본질에 접근하다 _ 자유낙하운동
거인의 어깨 위에 올라서다 _ 뉴턴의 운동법칙
자연에 숨겨진 힘의 정체를 밝히다 _ 만유인력의 법칙
운동을 알면 물리가 보인다 _ 운동량보존법칙
에너지는 형태만 바뀔 뿐이다 _ 에너지보존법칙
자연은 효율적으로 일한다 _ 최소작용의 원리
전기와 자기는 동전의 앞뒷면 _ 전자기력

2. 물질과 에너지로 이루어진 세상
극저온의 세계와 자기부상열차 _ 초전도
빛의 증폭이 만들어낸 3차원 가상현실 _ 레이저
제4의 물질이 우주를 창조하다 _ 플라즈마
나노기술이 미래를 바꾼다 _ 나노
세상에 공짜는 없다 _ 열역학 제1법칙
열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다 _ 열역학 제2법칙
자연은 무질서를 좋아한다 _ 엔트로피
한 알의 모래에서 세계를 본다 _ 카오스

3. 원자와 소립자로 이루어진 세상
진공 속에서 태어난 물질 _ 원자론
새로운 원소를 예측하다 _ 원소의 주기율표
어둠 속에서 불을 밝히다 _ 플랑크의 양자론
원소들도 다이어트를 한다 _ 방사능과 방사선
자연이 보여주는 통일성과 대칭성 _ 원자모형
아인슈타인과 음주측정기 _ 광전효과
신도 주사위놀이를 한다 _ 불확정성원리
입자들의 개성은 각양각색 _ 배타원리
파동과 입자의 이중성 _ 물질파이론
같기도 하고 아니 같기도 하고 _ 행렬역학과 파동역학
상호 배타적인 것은 상보적이다 _ 상보성의 원리
세상에서 가장 강한 힘 _ 핵력
약하지만 핵을 붕괴시키는 힘 _ 약력
자연의 궁극적인 기본 물질은 무엇일까 _ 소립자
물질의 바다를 항해하다 _ 쿼크이론

4. 별과 우주로 이루어진 세상
태초에 빛이 있었다 _ 특수상대성이론
시공간에서 펼쳐지는 우주 교향곡 _ 일반상대성이론
빛조차 삼켜버리는 어두운 별 _ 블랙홀이론
우주는 점점 멀어진다 _ 우주의 기원
우주 탄생의 시나리오 _ 빅뱅이론
우주의 요람에서 무덤까지 _ 별의 진화
만물의 이론 혹은 수학적 아이디어 _ 초끈이론

5. 크기와 숫자로 이루어진 세상
물리량의 표준을 정하다 _ 국제단위계
달은 왜 떨어지지 않을까 _ 만유인력상수
제5의 힘은 존재하는가 _ 중력가속도
자연은 진공을 싫어한다? _ 대기압
물질의 특성을 가진 최소단위 _ 아보가드로수
참을 수 없는 존재의 뜨거움 _ 열의 일당량
양자역학과 고전역학의 연결고리 _ 플랑크상수
누가 빛의 흐름을 붙잡는가 _ 빛의 속도
미시세계는 불연속적이다 _ 전자의 전하량

부록｜과학용어 사전