286. 최무영 교수의 물리학 강의

 

 

 

제목: 최무영 교수의 물리학 강의

글: 최무영

독서기간: 2019.07.26~2019.08.21

 

민서, 명서야~~ 오늘은 처음으로 물리학에 관한 책을 읽기 시작했어. 물리학 하면 뉴튼이나 아인슈타인이 생각나지만 이에 관한 책은 한 번도 읽지 않았네. 아빠는 중학교 시절에 물리를 배웠는데 복잡해서 참 싫어했던 과목 중 하나였어. 교과서는 왜 그렇게 딱딱하게 만들고 재미없게 보이는지...

이 책을 조금 읽어보았는데 아빠가 생각하는 과학과 많이 달랐어. 즉, 과학은 결국 인간이 만든 것이기 때문에 우리 사회 안에 머물러 있고 한편으론 철학과도 관련이 많은 듯하구나.

 

1부 과학이란 무엇인가

 

1강 과학이란 무엇인가

 

과학은 자연현상을 연구하는 학문이야. 그런데 우리는 인문학과 과학은 확연히 다르다고 생각한단다. 아빠도 그렇고 말이야. 그런데 인문학의 중심에 있는 문화재는 과학이 없다면 만들어질 수 없는 것들이야. 즉, 과학은 우리 생활의 곳곳 그리고 생각지도 못한 곳에 사용되고 있어.

과학적 사고란 무엇일까? 이는 아빠도 말로만 늘 하던 당연한 것을 의심하는 것이야. 의심함으로써 기존의 패러다임을 뒤집는 것이 과학적 사고란다. 이는 폐쇄된 사회에서는 위험한 일이고 현대에서도 심한 저항감을 받는 단다. 결국, 당연한 것을 의심하는 사람이 혁신을 일으키는 거란다.

 

2강 과학적 지식

물리학은 특정지식을 모아서 보편 지식을 만드는 학문이야. 여러 특정 지식을 증거로 삼아 그로부터 보편적인 법칙을 세우는 것이지. 이론은 대체로 개념과 진술로 이루어져 있어. 진술은 이론에서 개념들 사이의 관계를 규정지어 주는 요소를 말해. 개념과 기본 진술은 임의 요소지만 그로부터 이끌어지는 진술은 논리적 정합성이 있어야 한다고 해. 그리고 이것은 결국 우리의 감각 경험과 연결이 되어야 하지. 우리는 대칭성을 가지고 있으면 안정되고 아름답다고 하지만, 물리학에서 대칭성이 두 가지일 경우 역동성을 가진단다. 이는 그림이나 음악에서도 나타나며 역동성을 느낄 수 있단다. 고흐의 <오베르의 교회>를 한 번 보렴.

 

3강 과학의 발전과 시대정신

물리학의 발전사에서 고전물리는 운동과 빛에 관한 연구를 한 뉴튼이 중심에 있어. 그리고 이를 상대성 이론과 양자역학으로 현대 물리학으로 넘긴 아인슈타인이 있고 말이야. 휴대전화, 컴퓨터 따위의 전자 기술, 배아 복제, 유전자 조작 식품의 유전공학은 양자 역학으로부터 기인한 것이고 에너지의 상당 부분, 핵분열 반응을 이용한 핵폭탄은 상대성이론에서 나온 것이니 우리 생활과 아주 밀접한 관계가 있어. 그리고 20세기 중반에 들어와서 대상 자체의 핵심이 정보라는 통계역학이 발전하기 시작했단다.

혼돈과 질서에 관한 이야기는 아빠의 사고의 틀을 완전히 허물었어. 우리는 정형화된 교육시스템 속에서 질서는 좋은 것이고 혼돈은 나쁜 것이라 배웠지. 그런데 일식의 주기를 정확히 예측할 수 있는 것은 질서인데 주사위를 던졌는데 6이 나왔다면, 다시 똑같은 힘과 속도를 주었는데 다시 6이 나오게 하기는 힘들지. 즉 혼돈이란 정확히 일치하지 않는 경우에서 발생하는 예측 불가능성이야. 사실 혼돈 속에는 놀라운 질서를 가지고 있어. 즉, 질서와 혼돈은 동전의 양면 같은 것이라 할 수 있지. 그러니 혼돈이 나쁜 것이라 생각하지 마렴.

협동 현상은 분자 그 자체로는 말할 수 없지만 분자가 협동하여 모여서 물체를 이룰 때 특정한 성질을 갖는 것이야. 분자만 연구한다고 분자의 집합체 성질을 알 수 있는 게 아니야. 이것은 환원주의 관점이 잘못되었다는 것을 보여주고 한편으로 데카르트가 말한 모든 복잡한 것은 할 수 없을 때까지 분해해서 분석해야 한다고 했던 것이 생각나는구나.

 

4강 과학의 성격

과학의 가치는 중립적일까 아니면 의존적일까? 최무영 교수님은 이것이 간단한 문제가 아니라고 하지만, 물리학에서 사용하는 보편적 이론은 어쨌든 인간의 가치에 영향을 받기 때문에 가치 의존적이지 않을까 아빠는 생각한단다. 그 이유는 대부분 인간 중심으로 생각하기 때문이 아닐까?

과학의 객관성 및 합리성은 과학의 대표적인 성격이야. 왠지 과학 하면 주관성이 배제되고 비합리적인 것은 끼어들 틈이 없을 것 같거든. 그런데 이런 과학에서도 정확한 수치로 끝나지 않는 것이 많기 때문에 과학자들 간에 합의에 의해 수용을 한다는구나. 즉, 주관적 판단이 개입을 한다는 것이지. 합리성 또한 현재 우리가 틀리다고 생각하는 지구중심설도 운동의 이해라는 주어진 목적을 잘 달성할 수 있기 때문에 합리적이라 할 수 있어. 결국, 과학 활동의 사회적 요소들, 가치와 의미의 문제 등을 생각해야 하기에 이 또한 간단한 문제가 아니라 하네. 인문학의 대표 격인 철학만큼이나 많은 생각이 필요하구나.

 

2부 물질의 구성 요소

 

5강 물리학과 물질세계

물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학이라고 하는 데 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있는데 동역학 중에서 가장 대표적인 것이 뉴턴의 고전역학이야. 그다음에 20세기에 와서 슈뢰딩거와 하이젠베르크 등이 만든 양자역학이 있단다.

물리학의 범위는 우리가 생각할 수 있는 가장 작은 단위에서부터 또 상상할 수 있는 가장 큰 단위, 즉 우리의 상상 속 모든 곳이 범위라고 할 수 있어.

원자란 말 자체가 더는 쪼갤 수 없다는 뜻을 지녔지만, 원자는 전자와 원자핵으로 구성되어 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 이뤄져 있어. 19세기 후반에 빛은 파동이라고 확증했는데, 빛은 알갱이들의 흐름으로 생각하게 되었고, 빛알이라는 이름을 붙였고 한자로는 광자라고 하는구나.

 

6강 기본입자와 쿼크 이론

물리학의 대칭성 법칙에 따라 리더퍼드는 전자가 음전기를 띠고 양성자는 양전기를 띠는데, 이 둘 사이에 대칭성이 없다는 것을 실험을 통해 깨달았어. 그리고 디랙이 이론적으로 예견했고, 앤더슨이 그 반대 입자가 있다는 것을 발견했어.

물질을 구성하는 기본 요소인 알갱이들을 성질에 따라 분류하면 무거운 입자를 바리온, 중간 정도인 중간자, 그리고 가벼운 입자를 렙톤이라고 해. 바리온과 중간자는 강상호 작용, 곧 핵력이 작용할 수 있으므로 합해서 하드론이라고 불러.

쿼크 이론은 여러 가지 시행착오를 거듭하다 만들어졌어. 현재 받아들이는 이론에서는 여섯 가지의 쿼크가 있다고 생각되고 있어. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 쿼크라고 부르는 더 작은 세 개의 입자로 이루어져 있고 양성자와 중성자에서는 두 종류의 쿼크, u 쿼크와 d 쿼크를 발견할 수 있다고 해.

자연에 존재하는 기본 상호작용은 네 가지인데 세상의 모든 힘은 결국 네 가지 상호작용 중 하나라고 해. 약한 힘부터 나열하면, 중력 상호작용, 약 상호작용, 전자기 상호작용, 강상호작용이야. 중력 상호작용이 미치는 범위는 넓지만 힘은 약하고 강상호 작용은 힘의 범위는 좁지만, 핵분열을 이용학 핵폭탄의 위력을 보여주니 가장 강한 파괴력을 가지고 있단다.

현재는 이 네 가지의 상호작용을 하나의 이론으로 통합하려는 과학자들이 많다고 하는구나.

 

7강 물리법칙의 대칭성

자연의 해석에서 물리법칙의 보편 이론에서 진술은 적절한 대칭성이 있어야 한다고 여겨져. 즉, 원처럼 몇 도를 돌리든 대칭을 이루는 것처럼 말이야. 자연에서 대칭성은 완전하지 않고 조금 깨져 있다는 것을 발견한 우는 물리의 세계에서 물질만 있고 반대 물질이 없다는 이론을 증명했어. 물리법칙에서는 시간 되짚기 대칭성이 있다고 했는데 우리 일상에서는 명백하게 시간 되짚기 대칭이 없는 경우가 대부분이야. 이것은 개개의 운동 분자들은 물리법칙을 따르지만, 개개의 운동 분자들이 모인 개체는 처음 상태로 돌아오지 않아서 시간 되짚기 대칭이 깨진단다. 이를 엔트로피는 커지게 된다는 표현을 쓰고 있어. 그리고 이는 '열역학 둘째 법칙'이라고 부른다고 해.

 

3부 자연현상의 역학적 기술

 

8강 고전역학

동역학은 갈릴레이가 고전역학 관점의 효시고 17세기에 뉴턴이 고전역학을 창안했어. 그런데 19세기말, 20세기 초에 들어오면서 고전역학 체계로 해석할 수 없는 현상들이 생겼지. 고전역학은 일상 세계에서 대단히 성공적인 이론이고, 반면에 양자역학은 작은 미시 세계의 기술에 성공적이었어. 고전역학은 형태를 바꿔서 에너지라고 하는 개념을 써서 나타낼 수도 있어. 운동에너지와 잠재에너지를 합쳐서 '역학적 에너지'라고 불러. 움직이지 않은 물체에도 잠재에너지가 있다는 개념은 신선하구나. 해밀턴 역학은 에너지 개념을 이용한 새로운 고전역학 형식으로 '해밀턴의 원리'라는 것이 제안되었어. 해밀턴의 원리는 '최소작용원리'이고, 이것은 뉴턴의 운동법칙과 완벽하게 같다고 하는구나. 고전 물리학의 핵심 내용 두 가지는 역학과 전자기학이야. 뉴턴이 운동을 기술하는 데 성공했고 맥스웰이 전자기 현상과 빛의 이해에 성공했지.

 

9강 공간과 시간

아인슈타인이 천재라는 것은 기존의 시간과 공간에 대한 이해에는 근본적인 오류가 있고, 우리가 시간과 공간을 제대로 파악한다면 역학 법칙만이 아니라 전자기 법칙도 관측자에 관계없이 똑같으리라고 생각했다고 해. 즉, 아인슈타인은 기존의 완벽하다고 생각되는 법칙의 근본을 흔들고 새로운 기준을 세운 셈이야. 그래서 아인슈타인은 지식보다 상상력이 중요하다고 했나 봐. 한때 에테르가 우주에 가득 차 있어서 물리 법칙을 떠받치고 있다고 생각되었지만, 아인슈타인은 에테르라는 절대성이 있을 수 없다고 생각했어. 특수상대성 이론이 주는 대표적인 것으로는 물체는 정지해 있을 때보다 길이가 짧아지고 시간이 천천히 흐르게 된다는 거야. 또한 질량은 늘어나서 무거워지고 말이야. 그뿐만 아니라 질량이 에너지와 같다는 결론을 얻었지. 이게 바로 핵에너지의 원리라고 하는구나. 핵폭탄이나 핵 발전이 다 여기서 나왔다고 하니, 인류의 미래를 운명 지을지 모르는 주사위 같은 것이 여기서 나왔다고 한 것을 보면 기술의 발전이 좋은 것만은 아니구나.

 

10강 특수상대성이론

상대성이론의 핵심은 시간과 공간의 문제야. 이전에는 시간과 공간의 개념이 타당하지 않았으나 그걸 확장해서 일반화해야 한다는 것이 상대성이론의 핵심이야. 특수상대성이론은 특수한 상황에서 발생한다는 이론이고 아인슈타인은 기본원리, 두 가지 가설로부터 출발한단다. 첫 번째는 상대성원리이고 두 번째는 빛의 빠르기는 일정하다는 원리야. 상대성이론은 서로 다른 두 관측자의 관계를 규명하는 데 핵심이 있어. 아빠가 이 부분을 읽으면서도 이해가 가지 않는 부분이 많았는데 읽고 나니 더 이해가 되지 않는구나.-_- 기초부터 차근차근 다시 봐야 이해가 될 것 같아. 전체적으로는 시간과 공간이 대칭적으로 어울려서 시공간을 이룬다는 것이 기본인 듯하구나.

 

11강 일반상대성이론

일반상대성이론은 특수상대성이론보다 보편적이기 때문에 더 어렵다고 해. 특수상대성이론은 등속도로 운동하는 관측자들은 동등하다는 전제인데 일반상대성원리는 그걸 더 확장해서 모든 관측자가 동등하다고 주장하고 있어. 아인슈타인은 마하의 절대성 부정은 받아들였지만 극도의 실증주의적 사고는 공감하지 않았다고 해. 마하는 직접 관측할 수 없다는 이유로 원자의 개념도 강하게 부정해서 볼츠만과 대립했어. 하지만 마하의 원리에 영향받아 가속 기준틀을 포함해서 "모든 기준틀은 동등하다"라는 일반상대성원리가 얻어졌고, 이는 일반상대성이론의 기본원리로 전제되고 있어. 상대론은 예술에도 많은 영향을 미쳤고, 특히 에셔와 피카소에게 많은 영향을 주었단다. 전에 읽은 책에서 피카소는 푸앵카레의 영향을 받았다는 기억이 나는구나.

 

12강  양자역학

양자역학은 현실의 세계에서 이해하기 힘든 원자의 작용이 있어. 이런 세계가 있다는 것이 놀랍기만 하네. 하지만, 양자역학은 우리가 사용하는 컴퓨터, 핸드폰 등 가장 많이 접하고 있는 기기들의 원리가 되고 있다고 하니 더욱 놀라웠어. 양자역학 하면 왠지 순수학문 영역에서만 다루고 있는 줄 알았는데 말이야.

양자역학은 고전역학과는 다른 측면이 있고 사실, 양자역학의 범위는 고전역학을 포함하고 있어. 가장 대표적으로 고전역학과 다른 부분은 주어진 알갱이나 물체의 운동 상태는 순간순간마다 그 물체의 위치와 속도로 나타내지만, 양자역학은 불확정성 원리가 적용되어 주어진 알갱이의 위치와 속도를 함께 정확히 측정할 수가 없어. 즉, 물리라는 학문과는 좀 어울리지 않지만 알갱이의 위치와 속도를 확률로만 파악할 수 있다는 거야. 그래서 아인슈타인도 이 양자역학에 대해서는 부정적인 입장이었다고 하는구나. 가장 이해가 되지 않는 부분은 측정이 대상에 필연적으로 영향을 끼친다는 거야. 어떤 대상을 측정했는지 안 했는지가 그 대상을 다르게 바꾼다니 참 이상하기도 하지...

 

13강 측정과 해석

양자역학과 고전역학은 완전히 다른 관점에서 출발해. 출발점과 상태의 규정, 그리고 동역학 방정식, 즉 운동의 법칙 등이 완전히 다르지. 양자역학에는 우리가 상식적으로 이해하기 어려운 문제가 많아. 고전역학에서는 대상의 상태를 위치와 속도로 규정했는데, 양자역학에서는 상태 함수라는 것으로 규정하는데, 이는 우리가 측정하는 물리량과 직접 관련이 없어 더 어려운 거지.ㅜㅜ

 

4부 혼돈과 질서

14강 혼돈과 질서

우리는 흔히 '혼돈'하면 뭔가 정리되지 않은 혼란스러운 상태여서 좀 거북한 느낌이 들어. 하지만, 혼돈 안에는 나름대로의 질서가 있단다. 지금껏 우리가 학교에서 배워온 것은 질서가 좋다는 것이 우리의 뇌리에 각인이 되어 있을 거야. 그런데, 질서가 가장 좋았던 박정희 시대가 좋다고 말할 수 있을까? 무력의 공포를 이용하여 질서를 유지시킨 사회는 언젠가 무너지게 되어 있어. 가장 좋은 것은 자유로운 사회 속에서 그 안에 나름대로의 질서가 자리 잡고 있는 유연한 사회가 사람들이 살아가기 좋은 상태일 거야. 아빠도 질서는 무조건 좋은 것이란 생각을 했었는데 물리학 책에서 이런 깨달음을 얻을 줄 몰랐어.

 

15강 거시적 관점과 통계역학

동역학은 기본적으로 결정론적인 이론 체계야. 동역학이란 일반적으로 물리학의 방법이란다. 자연과학에서는 물질이라는 실체가 있고 그것이 자연현상을 일으킨다고 전제하고 있어. 물질을 구성하는 요소들, 구체적으로 분자나 원자, 더 세분해서 양성자, 중성자, 전자 따위의 기본입자들이 있고 그들 사이에 적당한 상호작용으로 우리가 경험하는 모든 자연현상이 나타난다는 것이 기본 전제야.  고전역학이니 양자역학이니 하는 방법들을 미시적 관점이라고 해. 두 개의 똑같은 물질이 있는데 그 안의 분자는 속도나 위치가 같은 상태가 아니야. 이런 수많은 분자를 연구해도 특별한 특성을 발견하는 것이 의미도 없을뿐더러 시간이 엄청 오래 걸릴 거야. 그래서 이런 분자의 집합 상태를 연구하는 것이 거시적 관점이고 미시적 관점에서 시간 되짚기 성질이 있는데 거시적 관점에서는 그 성질이 깨지는 현상은 통계역학의 중심 문제란다. 알면 알수록 점점 물음표만 늘어나는 물리학의 세계란다. ㅠㅠ

 

16강 엔트로피와 정보

엔트로피(entropy)는 물질이 변화되는 경향성을 설명하는 개념인 '무질서도의 척도', 즉 '무질서한 정도'를 의미해. 물질의 물리적 ・ 화학적 변화를 설명하기 위해 도입된 개념이야. 그런데 우리가 집에 가서 방을 잘 정돈하면 방의 엔트로피가 줄어들거나 정자와 난자가 수정을 해서 수정란을 만들고 이것이 배아가 되어서 분화하는 모습을 보면 질서를 만드는 것, 역시 엔트로피를 줄여 가는 것이라 생각하며 열역학 제2법칙이 성립하지 않는다고 생각하기 쉬워. 하지만 이것은 외부세계와 외떨어진 상태가 아니라면 전체의 엔트로피는 결국 늘어난다고 하는구나.

그동안 맥스웰의 악마와 엔트로피를 통해서 알게 된 중요한 사실은 우리가 관측을 해서 자연현상을 해석할 때, 해석하려는 대상 자체뿐만 아니라 대상의 정보가 우리에게 얼마나 전해질 수 있는지도 매우 중요하다고 했어. 따라서 자연을 해석할 때에는 대상 자체의 성격 못지않게 대상에 대한 정보가 우리에게 얼마나 전해질 수 있는지도 아주 중요해. 예전에는 공기가 맑아 걷는 것이 쾌적했지만, 요즘은 걸어 다니면 공해로 인해 불편하지. 자동차를 타고 다니면 몸은 편해지지만 환경오염과 운동 부족을 일으켜 엔트로피의 측면에서 매우 부정적인 영향을 끼친다고 하니 기술의 발전이 꼭 삶의 질을 높여주는 것은 아니란다.

 

6부 우주의 구조와 진화

17강 관측되는 우주

아빠도 그렇지만 너희들도 아마, 우주하면 '신비'라는 단어가 먼저 떠오를 거야. 우주의 끝은 어디고 어떻게 생겨났을까? 우주론은 고대 그리스의 아리스토텔레스나 이집트의 프톨레마이오스 같은 사람이 지구중심설을 주장했어. 중세에 코페르니쿠스가 이러한 지구중심설 대신에 태양중심설을 주장했는데 이는 패러다임의 교체로서 과학혁명이라고 할 수 있어. 이는 우주론이 철학이나 신학의 범주에서 과학의 범주로 넘어오게 했어. 이것에 크게 공헌한 사람이 코페르니쿠스 이후로 케플러나 갈릴레이 같은 사람들이야. 아우구스티누스는 "시간이라는 것 자체가 우주의 탄생과 같이 시작했기 때문에 우주의 시작 이전이라는 말은 성립할 수가 없다"라고 했어. 이는 현대 물리학 관점에서 보면 정확한 답이라는구나.

20세기에 들어와서 아인슈타인과 허블을 통해서 현대적 우주관으로 바뀌었어. 또 20세기에는 커다란 망원경이 만들어지면서 태양계가 속해 있는 우리 미리내 은하 밖의 천체, 곧 외계 은하를 관측할 수 있게 되었어. 신기한 것은 우리 지구도 공전하지만 태양계도 원운동을 하는데 1초에 250Km를 움직인다고 하니 우리가 어지럽지 않은 것도 신기하구나. 그리고 태양계는 은하의 중심에서 3-4만 광년 떨어진 변두리에 있다고 하니 우린 촌놈 중에 촌놈이구나.ㅎㅎㅎ

 

18강 별과 별사이물질

인간이 우주를 이해하는 것에 대한 비유는 1000층짜리 건물이 있는데 지하 10층에 개미 한 마리가 이 건물이 어떻게 생겼는지 아는 것과 같아. 그만큼 드넓은 우주에 대해 우리 인간은 극히 일부분만 알고 있다는 것이지. 천체까지 거리를 측정하는 방법은 가까운 천체의 거리를 잴 때에는 간단하게 시차를 조사하면 되고, 이보다 먼 천체의 경우에는 별의 밝기를 이용한다는구나.

우주에 물질이 존재하는 양식은 크게 두 가지가 있어. 하나는 스스로  빛을 내는 '별'이라는 양식이고, 다른 하나는 별이 아닌 것으로, 통틀어서 '별사이물질(성간물질)'이라고 불러. 대체로 기체나 먼지 같은 것들이므로 별사이먼지라는 표현을 쓰기도 한단다. 먼지의 성분은 70%가량이 수소이고 20-30% 정도는 헬륨이야. 그다음으로는 탄소라고 해. 이러한 별사이물질은 우주 전체에 넓게 퍼져 있는데, 어떤 경우에는 모여서 구름을 이루며 스스로 빛을 내지는 못하지만 별빛을 흡수했다가 내보내면서 아름다운 빛깔을 내기도 해. 언제, 이런 아름다운 성운을 볼 수 있을까? 북유럽이나 캐나다쯤은 가야 볼 수 있을 텐데 말이야.ㅎㅎ

별은 기체나 먼지 덩어리로 있을 때는 온도가 영하 270도가량 되지만 중력이 작용하면서 공 뭉치가 만들어지면 온도가 높아져. 그러면 어느 정도 안정된 상태에서 원시별이 생겨나는데 중력이 작용해서 계속 응축하면 중심부의 온도와 압력이 매우 높아진단다. 극히 높은 온도와 압력에서는 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응이 일어나고 이렇게 되면 빛을 내기 시작하고 비로소 별로 탄생하게 된단다. 핵융합은 불안정해서 아직 에너지 생성에 사용하고 있지 않지만 딱 한 곳 한 방에 엄청난 인간들을 살상할 수 있는 수소폭탄에 사용한다는구나. 핵분열도 전기 에너지를 만들고 있지만, 원자로의 수명이 길지 않고 문제는 핵폐기물을 수만 년 동안 폐쇄해야 한다니 관리 비용이 지나치게 높다고 해. 요즘 나오는 청정 수소에너지도 결국, 이 수소가 천연가스나 석유, 석탄에서 얻는 것이라고 하니 에너지 이득은 없다는구나. 태양은 온도가 그리 높지 않은 별이라는구나. 6000도 밖에 안된데..ㅎㅎ 해가 연령이 오래되어 빨강장다리별이 되어 부풀어 오르는데 화성까지 커진다고 하니 그때는 지구가 성경에서 말하는 불지옥이 되면서 생애를 마감한다는구나. 우리 민서, 명서는 아직 걱정하지 않아도 된단다. 아직 45억 년 정도 남았다고 하니...ㅋ

우주의 물질은 대부분 수소와 헬륨이지만 지구에는 철이 가장 많고 산소, 실리콘, 마그네슘, 알루미늄 등이 있어. 구성 물질로 보자면 매우 특수한 별이라고 할 수 있지. 화성과 금성 같은 '지구형 행성'에 가장 많은 원소는 철이고 목성이나 토성 등 거대한 '목성형 행성'은 기체 덩어리로서 수소, 탄소, 질소 등이 주된 구성 원소야. 한편 우리 몸을 구성하는 원소 중에 가장 많은 것이 산소, 그다음에 탄소, 수소, 질소, 칼슘 같은 것들이야. 이러한 무거운 원소들은 원래 우주에는 존재하지 않았다고 해. 이것은 순전히 별이 만들어 준거야. 별 때문에 우리가 살아갈 수 있는 것인데 우리가 사는 목적이 그냥 편하게 먹고 자기 위한 것이 아닌 것 같은 느낌이 오는구나.

 

19강 우주의 기원과 진화

너희들은 상상하고 있을지도 모르지만, 아빠는 우주가 지금도 계속 불어나고 있다는 것이 상상이 가지 않아. 아인슈타인은 우주상수를 집어넣어서 우주가 멈춰 있도록 만들었어. 우주는 약 137억 년 전 대폭발로 탄생한 뒤 계속 불어나고 있으니, 미래는 어떻게 될까? 137억 년 전 우주가 탄생한 뒤에는 무지하게 뜨거웠는데 1초쯤 지나서 온도가 100억 도가량으로 식었다고 해. 계속 식어서 우주의 나이가 100만 살쯤 되었을 때 온도는 3000도 정도가 되었고, 현재 우주의 온도는 영하 270도가량이야. 그리고 대폭발 후 38만 년쯤 지나면서 온도가 더 떨어지면서 원자핵과 전자가 묶여서 비로소 수소와 헬륨 원자들이 만들어졌어. 그리고 빛알과 양성자, 전자와 원자핵의 결합이 풀리면서 우주가 투명해졌다고 해. 시간이 한참 지나서 대폭발한 지 수억 년쯤 되면 수소와 헬륨이 중력 때문에 모여서 별과 은하 등 천체를 만들기 시작하지. 중력이 작용해 은하들이 모여들어서 은하 집단이나 초집단 등 거대 구조를 형성했어. 우리가 3월 1일에 갔었던 '반 고흐' 전시회에서 본 <별이 빛나는 밤>은 고흐의 상상력이 실제와 얼마나 비슷한지... 그리고 고요한 밤하늘을 역동적으로 나타낸 것에 천재라는 생각이 들었어. 우주는 예술가들에게도 많은 영감을 주었음이 분명해.

 

20강 우주와 인간

우주는 늘 인간의 궁금증과 호기심의 대상이었고 또한 경외의 대상이기도 했어. 과학이 발달하지 않은 시절에는 신화와 연결되면서 권선징악의 주체가 되기도 했지만, 과학이 발달하면서 관측을 중심으로 현상을 파악하며 신화적 요소는 완전히 사라지지 않았지만, 상당 부분을 과학이 대체했어. 우주와 인간은 늘 연결되어 있었기 때문에 우주에 대한 관념은 늘 인간의 일상생활에 영향을 미쳤어. 가장 대표적인 것이 예술계이지. 예술은 상상력이 굉장히 중요하니까... 그런데 점점 정확한 정보를 과학을 통해 알게 되고 있으니, 우주에 비하면 손톱의 때만큼도 안 되는 인간이 이 광활한 우주에 대해 알아가고 있다는 것이 정말 신기하구나.

 

7부 복잡계와 생명현상

21강 복잡성과 고비성

복잡성은 언뜻 무질서와 연관이 많은 것처럼 보이지만 완전히 다르단다. 복잡성은 질서와 무질서의 사이에 있어. 질서와 무질서의 사이라는 특성을 우리말로 고비성이라고 하고 한자어로는 임계성이라 해. 공간에서 이러한 고비 성질은 이른바 스스로 닮음으로 나타나며 그러한 성질을 지닌 대상을 쪽거리라고 불러. 쪽거리는 2차원이나 3차원의 자연수가 아니라 일반적으로 소수라고 해. 예컨대 1.5차원이나 2.3차원처럼 말이야. 시간에서의 고비성에서도 진동수의 질서는 너무 단조롭고 진동수의 무질서는 헤비메탈처럼 소음으로 들려. 하지만 이 사이의 진동은 모차르트나 바흐, 베토벤의 음악이 속해서 듣기에 편안하다고 하는구나.

 

22강 복잡계의 물리

복잡계 물리는 자연의 다양한 복잡성이 근본적으로 복잡계가 보이는 '떠오르는 현상'이라고 간주해. 복잡성이란 바로 이러한 협동 현상으로 떠오른 집단 성질이라 할 수 있어. 복잡성은 자연에 무척 다양한 현상으로 나타나는데 이에 따라 다양한 복잡계를 생각할 수 있어. 유리는 고체 같지만 액체이고 모래는 고체이지만 액체 같아.

또 다른 예로서 무질서계가 있어. 물질이 자라남이나 경계, 복합체, 부서짐, 섬유다발, 결합 떨개와 돌개 따위를 들 수 있어. 자연에는 많은 수의 떨개들이 서로 결합해서 집단 거동을 보이는 현상이 흔히 있어. 음악회에서의 박수나, 세포 등등..

일반적으로 물리학은 보편 지식 체계를 추구하므로 복잡한 현상은 다룰 수 없다는 것이 기존의 생각이었지만 복잡계는 21세기 물리학의 핵심 연구 주제로 자리 잡고 있단다.

 

23강 생명현상의 이해

물리학과 생물학은 서로 다르고 아무런 관련도 없는 것 같지만 역사적으로 물리학과 생물학은 직접 관련을 맺고 서로 기여한 사례가 제법 있다고 해. 현미경을 만들어서 코르크를 관찰하고 세포를 발견한 훅은 물리학자라고도 할 수 있어. 18세기 동물이 전기신호로 움직인다는 사실을 알아낸 갈바니는 의사이자 물리학자야.

생명이란 무엇인가에 대한 정리는;

첫째로 살아 있는 것은 짜임새가 있다.

둘째로 살아 있는 것은 물질대사를 한다.

셋째로 생명의 중요한 특징은 번식이다.

넷째로 생명체는 환경의 변화에 응답한다.

 

그렇다면, 세균이나 바이러스도 생명일까? 이에 대한 답은 어떤 대상이 살아 있는 것인지 판단할 때 그 자체만으로 판단하는 것은 적절하지 않다는 점이야. 즉, 생명이란 환경과 결합해서 판단해야 함을 암시하고 있지.

 

8부 과학과 현대사회

24강 과학과 기술

우리 대부분은 과학이 기술이라고 생각하고 있어. 아빠도 그렇고 말이야. 하지만, 과학과 기술은 엄연히 다르단다. 과학은 자연을 이해하려 하는 것이고 과학을 기반으로 기술이 발전하지. 신자유주의의 기조에 따라 기술을 극대화시키며 돈과 권력을 움켜쥐려는 현대인이 과연 행복한 것인지 의문이구나. 현대사회는 수요에 따라 기술이 발전하는 것이 아니고 기술이 수요를 창출한단다. 이는 후에 큰 문제가 될 수 있어. 기술을 제어할 수 없다는 것이지. 결과적으로 이는 환경파괴, 핵문제, 개인의 인권침해 등등 많은 문제들을 누군가 제어할 수 있다는 거야. 우리 인간이 지구를 지배하는 주인인 듯 하지만 생물학적으로 보면 길이가 1밀리미터밖에 되지 않는 시 엘레강스의 유전자가 대략 2만 개라고 해. 사람은 몇 개 정도일까? 처음에 사람들은 그 결과가 믿어지지 않아 발표도 하지 못했다고 해. 그런데 사람의 유전자는 약 2만 2천 개라고 하는구나. 이런 것을 보면 인간이  다른 생물에 비해 그리 특별한 존재도 아니라는 거야. 인간복제에 대한 윤리 문제도 있지만, 복제한 것은 자연이 만들어 낸 생명을 절대 따라갈 수 없다는구나.

 

25강 과학과 우리의 삶

현대사회에서 과학의 영향은 지대하단다. 하지만, 사람들은 과학의 유형적 측면만 바라보고 있어. 아빠도 과학 정신에 대해서는 생각해 본 적이 없단다. 인간은 과학의 유형적 영향을 통해서 엄청난 행위능력을 얻게 되었어. 하지만 가치 이념과 관련된 과학의 무형적 영향은 거의 받아들이지 않는다는 것이지. 과학의 발전에 따라 예전에는 하나의 사건이 지구를 해칠 만큼 큰 사건이 되지 않았지만, 현대로 오면서 한 번의 선택으로 그 파장은 상상을 할 수가 없단다.

결국, 과학은 자연을 이해하려는 목적이고 그 목적은 고갱의 그림 제목과 같단다. <우리는 어디서 왔는가? 우리는 무엇인가? 우리는 어디로 가는가?>

 

민서, 명서야... 아빠에게 어려운 물리학 책을 보았다는 것이 비록 이해가 잘 안 되는 부분도 있었지만 뿌듯하단다. 결국, 물리학도 다른 인문학과 마찬가지로 인간의 근원적인 물음에 답하는 것이 목적이라는 것도 알았고 말이야. 이 책을 거의 한 달 동안 읽었네. 그 사이 이사도 하고 정신이 없어 꾸준히 읽지는 못했지만, 이 책을 읽었다는 것이 다행으로 여겨진단다. 그러면서 드는 생각은 모든 학문은 같은 목적을 가지고 있을 거란 거야..... 너희들도 잘 생각해 보기 바라!

 

2019.08.21.23:30.... 민서, 명서는 오늘 개학하고 내일 책을 챙기고 있을 때.... 제발 일찍 좀 자라 ㅜㅜ... 우리 민서, 명서를 사랑하는 아빠가...