물리의 역사가 과학 개념을 바꿨다! | 과학사 전공 교수의 재미있는 물리 이야기

일반적으로 ‘과학’이라는 분야는 절대적이고 변하지 않는 진리를 품고 있는 것처럼 여겨진다. 하지만 학문은 오랜 기간 동안 다양한 이론이 등장함으로써 형성되고 변화한다. 자연과학도 예외가 아니다. 과학 시간에 배우는 과학 개념은 많은 과학자가 세상을 이해하는 방식을 찾기 위해 서로 논쟁하고 검증하는 과정을 거쳐 정리한 것이다. 〈세상을 바꾼 과학〉시리즈는 과학 교과서 속의 이론들이 어떻게 만들어졌는지 이야기를 통해 들려준다. 이 책에서 저자는 현재의 과학 이론을 과학의 역사에 자연스럽게 녹여 내 쉽고 재미있게 익힐 수 있도록 했다. 또한 책에 실린 귀여운 삽화와 다채로운 시각 자료들은 독자가 과학을 다양한 각도에서 더욱 풍부하게 이해하도록 돕는다. 시리즈의 첫 번째 권인 《세상을 바꾼 물리학》에서는 빛과 물체의 운동, 에너지, 양자역학 등 물리의 핵심적인 개념들을 다룬다. 고대 그리스의 아리스토텔레스부터 오늘날의 상대성 이론까지, 옛사람들이 어떻게 세상을 해석했는지, 그 설명 방식이 왜 바뀌어야 했는지를 따라가 본다. 물리 역사의 흐름을 함께 지켜보다 보면 이전에는 어렵게만 느껴지던 물리를 자연스럽게 이해하며 비판적으로 사고하는 법을 익히게 될 것이다.

저자의 말
들어가는 글

Chapter 1 물체는 왜 아래로 떨어질까? | 자유 낙하 법칙의 발견
ㆍ 물건들이 자기 자리를 찾아간다고?
ㆍ 중세, 근대역학의 씨앗을 품다
ㆍ 갈릴레오, 운동 연구에 수학을 이용하다
ㆍ 갈릴레오가 근대역학을 시작하다

Chapter 2 갈릴레오, 새로운 우주관을 찾아 나서다 | 관성과 근대역학의 시작
ㆍ 지구가 태양을 돌기 위해 새로운 역학이 필요해지다
ㆍ 땅은 움직이고, 우리도 함께 움직인다
ㆍ 운동과 정지 상태는 관찰자에 따라 결정된다
ㆍ 갈릴레오, 근대역학을 시작한 사람

Chapter 3 뉴턴, 달과 사과를 잡아당기는 힘을 밝히다 | 중력과 과학 혁명의 완성
ㆍ 뉴턴, 다양한 학문을 연구하며 세상의 진리를 탐구하다
ㆍ 과학사 사상 최고의 걸작 《프린키피아》의 탄생
ㆍ 운동을 정의하고 증명하다
ㆍ 중력, 모든 운동을 설명하는 힘
ㆍ 뉴턴이 근대역학을 확립해 온 세상을 밝히다

Chapter 4 무지개를 만드는 빛의 정체를 찾아라! | 빛의 성질과 광학
ㆍ 보이지 않는 입자로 가득 찬 데카르트의 세계
ㆍ 뉴턴, 프리즘으로 빛을 실험하다
ㆍ 빛은 입자일까, 파동일까? 과학자들의 편이 갈리다
ㆍ 빛에 대한 논란, 최후의 승자는?

Chapter 5 자석과 번개가 같은 현상이라고? | 전자기 유도 법칙과 전자기학
ㆍ 나침반은 왜 늘 북쪽을 가리킬까?
ㆍ 전기에도 종류가 있다? 없다!
ㆍ 전기를 저장하고 수학으로 표현하다
ㆍ 개구리 뒷다리가 가져온 전기 연구의 새로운 길
ㆍ 전선 옆에 있는 나침반은 왜 움직일까?
ㆍ 모든 전기와 자기 이론이 하나로 통합되다
ㆍ 맥스웰의 전자기 이론, 19세기 과학을 바꾸다

Chapter 6 증기가 기계를 움직일 수 있다니! | 에너지 보존 법칙과 열역학
ㆍ 열을 측정할 도구를 만들다
ㆍ 열을 지닌 신비한 물질, 칼로릭
ㆍ 카르노, 증기 기관의 원리를 연구하다
ㆍ 세 과학자가 동시에 에너지 보존 법칙을 만들다
ㆍ 계속해서 증가하는 우주의 혼돈, 엔트로피 개념이 탄생하다
ㆍ 에너지 개념, 물리학을 형성하다

Chapter 7 상자 속의 고양이는 살았을까, 죽었을까? | 코펜하겐 해석과 양자역학
ㆍ 에너지가 작은 덩어리라고?
ㆍ 모든 물질은 파동의 성질을 지녔다
ㆍ 양자역학, 학문적 기초를 다지다
ㆍ 솔베이 회의에서 양자역학의 표준 해석이 탄생하다
ㆍ 양자역학으로 순간 이동을 꿈꾸다

Chapter 8 시간과 공간의 비밀을 밝혀라! | 상대성 이론
ㆍ 기차역의 시간 계산이 상대성 이론을 탄생시키다
ㆍ 빠르게 움직일수록 시간은 느려진다
ㆍ 공간이 휘어서 중력이 생긴다고?
ㆍ 중력파 관찰로 상대성 이론을 증명하다

참고 자료
사진 출처

흔히 현재를 이해하고 미래를 예측하기 위해서는 먼저 과거를 알아야 한다고 말한다. 우리는 과거를 분석해서 현재를 이해하기 위해 고조선에서 현대에 이르기까지의 역사를 공부한다. 과학사도 마찬가지다. 우리는 현재의 과학 이론을 제대로 이해하기 위해 과학사를 알아야 한다.
과학사에는 정답이 없다. 과학사는 다양한 사료를 이용해 여러 과학적 사건의 역사적 의미를 찾는 학문이고, 역사 해석에는 다양한 관점이 있기 때문이다. 과학사 연구를 하다 보면 관점에 따라 역사적 사건의 중요도나 사건에 대한 해석이 달라지기도 한다.
- 저자의 말, 8~9쪽화살을 위로 똑바로 쏘아 올려 보자. 만약 지구가 자전을 한다면 화살이 떨어지는 동안 땅이 움직이기 때문에 화살은 다른 곳에 떨어져야 하는데, 실제로는 제자리에 떨어진다. 마찬가지로 높은 탑에서 떨어뜨린 공도 뒤쪽이 아니라 바로 아래로 떨어진다. 지구가 가만히 있지 않으면 이런 일은 있을 수 없다.
이는 코페르니쿠스가 제시한 새로운 우주 체계를 받아들이기 위해서는 지구의 운동과 관련된 의문들을 함께 해결해야 함을 의미했다. 즉 천문학의 변화를 수용하기 위해 역학적인 문제에 대한 답을 찾을 필요가 있었던 셈이다.
- Chapter 2 갈릴레오, 새로운 우주관을 찾아 나서다, 49쪽핼리의 질문을 받은 뉴턴은 행성이 타원 궤도를 그릴 것이며, 자신이 이미 계산을 해 보았다고 답했다. 뉴턴은 그때 계산한 종이를 찾을 수 없어 나중에 핼리에게 다시 계산해서 보여 주기로 했다. 얼마 뒤 핼리는 행성의 궤도에 관한 역제곱 법칙을 증명하는 뉴턴의 편지를 받았다.
뉴턴은 계산식을 완성한 것에 머무르지 않고 약 18개월 동안 먹지도 자지도 않으면서 우주와 물체의 운동에 관한 법칙들을 정리해 책으로 엮었다. 물론 케플러의 법칙에 대한 증명도 함께 실었다. 이 책이 바로 과학사에서 최고의 걸작으로 일컬어지는 《프린키피아》이다.
- Chapter 3 뉴턴, 달과 사과를 잡아당기는 힘을 밝히다, 75쪽독일의 자연철학주의자들은 자연 세계가 모두 하나로 연결되어 있기 때문에, 다양한 형태로 나타나는 여러 자연 현상들 사이에는 공통점이 있을 것이라고 믿었다. 이들은 인력과 척력이라는 두 힘으로 전기와 자기를 비롯한 모든 현상을 설명할 수 있을 것이라고 생각했고, 빛, 열, 중력, 전기, 자기와 같은 힘들이 모두 연관되어 있으므로 서로 다른 종류의 힘으로 전환될 수 있다고도 생각했다.
외르스테드는 이런 독일 자연철학의 영향을 받았기에 그동안 별개의 것으로 여겨지던 전기 현상과 자기 현상이 서로 연관되어 있을 가능성을 떠올릴 수 있었다.
- Chapter 5 자석과 번개가 같은 현상이라고?, 138쪽마이어는 1840년에 자바호라는 배를 타고 네덜란드 동인도 회사로 가던 중 특이한 현상을 관찰했다. 자바호의 전속 의사로 일하고 있었던 마이어는 폐병에 걸려있는 선원의 피를 검사했다. 그는 선원의 정맥혈이 이상하리만치 붉다는 점을 발견했다. 일반적으로 산소를 소진한 정맥혈은 새로 산소를 운반하는 동맥혈보다 어두운데도 말이다. 마이어는 배를 탄 다른 동료들의 정맥혈도 거의 동맥혈처럼 보일 정도로 붉다는 것을 알아냈다.
그는 열대 지방의 열기가 피의 색깔과 연관이 있을지도 모른다고 생각했다. 따뜻한 지방에서는 체온을 유지하는 데 더 적은 열이 들고, 체온 유지를 위해 쓰는 산소량도 다른 곳에서보다 적을 것이다. 마이어는 그러면 혈액 속에 산소가 많이 남아 있게 되므로 정맥의 피가 다른 지역에서보다 상대적으로 더 붉을 것이라고 결론을 내렸다.
- Chapter 6 증기가 기계를 움직일 수 있다니!, 173쪽 과학적 지식은 그 자체로 역사성을 지니고 있다. 고대 그리스에서 시작해 중세와 근대를 거치면서 자연철학자나 과학자는 당대의 학문적 질문에 답하고자 노력했고, 그 과정에서 과학적 지식은 계속 변화해 왔다. 때로는 관찰이 선행되고 나서 이론이 나오고, 때로는 이론이 먼저 등장하고 이후에 뒷받침하는 증거가 제시되었다.
과학의 역사성은 우리가 알고 있는 과학적 지식이 앞으로도 계속해서 변화할 수 있음을 보여준다. 현재의 과학적 지식은 현재까지의 과학 활동이 낳은 결과물이다. 따라서 지금 존재하는 지식으로 설명할 수 없는 현상이 관찰되면 과학적 지식은 또 변화할 것이다.
- Chapter 8 시간과 공간의 비밀을 밝혀라!, 235쪽

과학사 교수이자 영재 교육 전문 교사가 알려 주는 물리의 역사!
과학의 역사와 이론을 연결해 기존 과학사 책의 한계를 뛰어넘다!
뉴턴이 떨어지는 사과에 영감을 받아 중력을 떠올렸다는 일화를 모르는 사람은 없을 것이다. 하지만 뉴턴은 흔히들 알고 있는 것처럼 혼자 천재성만으로 중력을 떠올린 것이 아니다. 뉴턴은 자신이 ‘거인의 어깨 위에 올라서 있었기 때문’에 위대한 업적을 세우는 것이 가능했다고 말했다. 그는 이전의 과학자에게서 영향을 받아 자신의 이론을 만들었고, 그 또한 이후의 과학자의 이론에 많은 영향을 끼쳤다.
이처럼 과학 수업 시간에 배우는 과학 이론은 과거의 수많은 과학자들이 서로 영향을 주고받으며 형성된 것이다. 따라서 과학 이론의 변화 과정을 살펴보는 것은 과학 개념을 이해하는 가장 좋은 방법이다. 하지만 대다수 기존 과학사 도서는 이런 영향을 통합적으로 보여 주기보다는 흥미로운 일화와 위인 중심의 단편적인 이야기만을 싣고 있다. 이런 방식으로는 현재의 과학 이론과 역사를 분리해 보게 된다.
저자 원정현 교수는 독자가 과학사를 통해 과학의 개념을 배울 수 있도록 둘 사이의 균형점을 찾아냈다. 저자는 과학사학자이자 과학 영재 교육을 담당하던 중학교 교사로서, 과학 교육에 과학사를 재미있게 접목할 방법을 오랜 기간 고민해왔다. 그 고민의 결과물이 바로 〈세상을 바꾼 과학〉 시리즈이다. 이 시리즈에서 과학의 역사와 과학적 개념이 유기적으로 연결되어 서로를 보완한다. 〈세상을 바꾼 과학〉 시리즈는 과학 이론이 어떻게 만들어졌는지를 다양한 각도에서 조명하여 과학이라는 과목을 좀 더 깊이 있게 이해할 수 있도록 도와준다. 현재의 이론을 이해하기 위해서는 역사를 알아야 한다!
고대 그리스부터 현재까지, 질문에 대한 답을 찾아가는 과학자들을 만나다!
자연과학은 자연 현상이 왜, 어떻게 일어나는지 질문을 던지는 것으로 시작되었다. 〈세상을 바꾼 과학〉 시리즈에서는 과학을 물리, 화학, 생물, 지구과학 분야로 나눈 뒤, 그 분야의 중요한 핵심 개념들이 변화해 가는 과정을 좇는다. 책에서 다루는 과학의 핵심 개념은 과학 교과서를 참고하여 선별했다. 그만큼 과학을 이해하는 데 있어 기본적이고도 중요한 이론들이다. 옛사람이 세상을 이해하는 방식이 달라지는 과정을 따라가다 보면 자연스럽게 오늘날의 과학에 이른다.
〈세상을 바꾼 과학〉의 첫 번째 권인 《세상을 바꾼 물리학》은 고대 그리스의 자연철학자 아리스토텔레스에서부터 시작한다. 위로 던진 물체가 아래로 떨어지는 현상을 설명하기 위해 애쓰던 자연철학자의 노력은 갈릴레오를 거쳐 뉴턴에 이르러 중력의 개념을 탄생시킨다. 근대의 과학자들은 빛의 본질을 두고 치열하게 논쟁하였다. 에너지 보존 법칙을 발견하기도 하고, 전기와 자기를 각각 연구하다가 결국 둘이 같은 현상이라는 사실을 깨도 한다. 이 책은 양자역학과 상대성 이론이라는 매우 중요한 최신 과학 이론도 빼놓지 않는다. 과학자들이 기존의 이론을 비판하고 수용하고, 발전시키고, 새로운 이론을 내놓으며 과학을 정립해 온 역사를 함께 살펴보자!

다양한 자료로 과학을 쉽고 재미있게 이해하다!
《세상을 바꾼 물리학》은 독자의 이해를 돕기 위해 다양한 장치를 적극적으로 활용했다. 역사 현장을 담은 사진은 과학적 발견들을 생생하게 체험하게 하며, 본문 중간에 들어가는 도식과 삽화는 어렵게 느껴질지도 모를 내용을 쉽게 풀어준다. 또한 본문의 핵심적인 내용을 정리해 주는 메모들은 핵심적인 과학 개념과 역사적 배경을 놓치지 않게 해 줄 것이다.
각 장의 끝부분에는 본문에서 다루지 못한 짧고 재미있는 이야기들을 덧붙였다. 뉴턴과 라이프니츠는 왜 논쟁했는지, 과학자의 이름을 딴 단위에는 무엇이 있는지, 상대성 이론은 어떻게 실생활에 적용되고 있는지 등 흥미로운 주제의 이야기는 방대한 과학의 역사 속에서 숨을 고를 수 있는 쉼터 역할을 한다. 또한 각 장에서 다룬 내용을 정리하는 코너도 마련하여 내용을 되짚어 볼 수 있다. 이 책으로 과학의 역사와 과학 이론을 통합적으로 이해하는 시선을 갖춘다면, 과학적이고 비판적으로 사고하는 힘도 자라날 것이다.◈ ◈ ◈
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