하루 일과 속에 숨겨진 놀라운 과학 원리

물리학의 눈으로 살펴본 평범한 일상의 신세계

중력, 빛, 에너지, 상대성 이론, 열역학 이론, 패러데이 법칙 등 어렵고 난해한 이론에 압도된 우리는 학창시절부터 지금까지 물리학을 피하고 싶은 학문으로 생각해왔다. 하지만 자세히 살펴보면 아침에 일어나는 순간부터 잠자리에 들 때까지 우리 주변은 온통 물리학 세상으로 둘러싸여 있다. 커피머신 타이머, 전동 칫솔, 스마트폰 등 우리가 사용하는 생활 기기들의 작동 원리는 신기하게도 구식 벽시계의 추가 좌우로 움직이는 것처럼 진자의 물리적 운동이며, 고속도로에서 자동으로 정산되는 하이패스기기나 자동차의 마스터키도 사용하는 진동수만 다를 뿐 라디오의 작동 원리와 비슷하기 때문이다. 와이즈베리 신간《소소한 일상의 물리학 The Physics of Everyday Things》은 이처럼 우리가 평소에 사용하는 물건들과 그와 관련된 주변의 소소한 일상에 어떠한 과학적 원리가 숨겨져 있는지 흥미롭게 살펴본다.

1장 하루의 시작
2장 시내 운전
3장 병원
4장 공항
5장 비행기
6장 프레젠테이션
7장 호텔

감사의 말
주

‘전류’는 전하의 운동으로, 추가 왔다 갔다 진동하는 것과 마찬가지로 계속해서 변한다. 추가 가장 빠르게 움직이는 호의 맨 아래쪽에서는 전류가 많이 흐르고, 추가 순간적으로 정지하는 호의 가장 높은 곳에서는 전류가 흐르지 않는다. 움직이는 전하는 전류와 마찬가지로 자기장을 만들어낸다(이것을 암페어 법칙이라고 한다). 이때 전하가 빨리 움직일수록 자기장은 커진다. 계속해서 변화하는 전류를 만드는 진동 추는 동일한 정도로 변화하는 전기장을 만들어낸다. 이렇게 해서 변화하는 이 자기장은 변화하는 전기장을 만들어낸다(이것을 패러데이 법칙이라고 한다).
전기장과 자기장이 일정한 리듬으로 퍼져나가는 진동을 ‘전자기파’라고 하는데, 이는 진동하는 추와 진동수가 같다. 전자기파에는 에너지가 담겨 있으므로 이를 만들어 내려면 에너지가 소모된다. 이렇듯 추의 움직임으로 인한 에너지가 전자기파로 전환되므로, 전하를 띤 추의 진동은 천천히 정지하게 된다. 진자가 아주 빠르게(가령 1초에 1,000조 번) 왔다 갔다 진동하면 우리는 이런 전자기파를 눈으로 볼 수 있는데, 즉 전자기파는 가시광선으로 나타난다.
1장: 하루의 시작, 15p

차량 내 컴퓨터는 동력조향 시스템과 통신하여 자동차가 빈 공간으로 후진하는 속도를 감안해서 운전대를 잘 맞추어 돌려준다(대부분의 시스템에서 이 속도는 아직 운전자가 제어한다). 이 기술은 최근에야 등장했지만, 자동차가 다른 물체와 충돌하는 것을 피하는 물리적 기술은 레이더와 근접신관의 발전과 함께 제2차 세계 대전 때부터 있었다. 레이더Radar는 무선 감지와 거리 측정Radio Detection and Ranging의 약자로, 스펙트럼의 라디오 부분에서 전자기파 파동이 방출되어 물체에서 반사된 후 안테나에 의해 감지되는 장치다. 레이더 시스템은 반향 기법으로 거리를 측정한다. 자동차 범퍼에 설치한 안테나?수신기가 라디오파 파동을 방출한다. 이 파동은 물체에서 반사되어 다시 수신기로 돌아온다. 밖으로 나가는 파동을 방출하는 순간과 반사된 파동을 수신하는 순간 사이의 시간 경과를 기록하면 레이더 시스템과 물체 사이의 거리를 쉽게 계산할 수 있다. 앞과 뒤 범퍼에 수신기를 여러 개 갖춘 차량도 있어서, 다른 차량의 위치 비교를 통해 자체 위치를 정확하게 판단할 수 있다.
2장: 시내 운전, 69p엘리베이터 안전에서 주요 규정은 예비의 예비 시스템을 마련하는 것이다. 굵은 쇠줄 하나면 엘리베이터 하나를 견딜 만큼의 강도로 충분하다. 그런데 대부분 엘리베이터에서는 쇠줄을 4~8개 사용한다. 이 때문에 쇠줄이 한두 개 끊어져도 엘리베이터가 추락하지는 않는다. 설령 쇠줄 8개가 모두 동시에 끊어진다고 해도 엘리베이터는 추락하지 않는다. 엘리베이터 양쪽에는 수직 레일이 둘러싸고 있다. 엘리베이터의 롤러가 이 레일에 맞물려 있으므로 엘리베이터는 완벽하게 수직을 유지할 수 있다 이 롤러에는 가속도계가 있어서 엘리베이터가 흔들리거나 떨리는 것을 감지하여 이를 보정하는 힘을 가해 진동을 상쇄해준다. 엘리베이터 속도가 일정 수준을 넘어서면, 레일을 따라 미끄러지는 엘리베이터 브레이크가 작동해서 레일을 붙잡는다. 이런 브레이크는 클램프를 강제로 열리게 하는 전자석을 사용한다. 전력이 끊겼을 때 클램프는 자동으로 레일에서 죽은 사람의 억센 손아귀와 같은 역할을 한다.
3장 : 병원, 82~83pATM 단말기의 화면을 만질 때 이용자의 손가락은 전기회로의 일부가 된다. 만질 때의 압력을 감지하는 ATM기 화면도 있고, 이용자 몸의 전기 전도성을 감지하는 ATM기 화면도 있다. 압력을 감지하는 터치스크린은 화면이 실제로 손가락 힘에 저항하는 ‘저항성’ 감지 기능을 사용한다. 아주 작은 여러 개의 정사각형으로 가득한 체스 판처럼 터치스크린 영역은 정리된 격자무늬로 나누어진다. 사용자가 만지는 화면의 앞면은 전기를 전도하는 투명한 플라스틱이다. 이 플라스틱은 얇은 절연체에 의해 화학적으로 변성된 일종의 유리로부터 분리되었는데, 이 유리도 전기를 잘 전도한다. 사용자가 화면을 누르면 맨 위에 있는 전도체가 맨 아래에 있는 전도성 유리와 접촉해서 회로를 닫히게 하고, 맨 위층과 맨 아래층 사이에 전류가 흐를 수 있게 된다.
4장 : 공항, 124~125p
액정은 액체의 모든 특성을 갖춘 진짜 유체다. 그것을 용기 가득 채우고 용기를 기울이면, 다른 점성액과 다를 바 없이 분자의 집합이 흘러나와 쏟아진다. 하지만 결정체에서 볼 수 있듯이 그것의 분자 단위 배열에는 근본적인 질서가 있다. 대부분의 결정성 고체에는 물질을 통해 주기적으로 반복되는 기본 요소로 원자 하나 또는 작은 분자들이 있다. 액정에서는 이런 역할을 탄소 기반의 큰 분자가 맡는다. 이 분자는 상세한 화학적 구성요소들과 이들의 결합 방식에 매우 민감한 특성이 있다. 정확한 구성과 분자가 상호작용하는 방식에 따라 이 분자는 일반액체와 같이 무작위로 배열될 수 있다. 하지만 온도를 낮추면 무작위성이 덜한 배열을 가질 수도 있다. 얼음이 녹거나 물이 끓는 현상과는 달리 액정에 발생하는 전이에서는 분자의 재배치가 덜 급격하게 일어난다. 예를 들어, 이 긴 사슬 분자의 일부는 이웃 분자와의 정전기 작용 때문에 그 기다란 쪽이 기본적으로 모두 같은 방향으로 정렬될 수 있다. 이는 이쑤시개 여러 개를 폭이 좁고 긴 상자에 넣은 것과 같다.
6장 : 프레젠테이션, 195~196p 참고로 시속 160킬로미터로 날아가는 강속구의 운동에너지는 140줄이다. 차량을 들어 올려서 기존의 도로나 고속도로로부터 완전히 분리된 존재가 되게 하려면 야구공보다 100배가 넘는 에너지가 필요할 것이다. 그리고 이것도 차량을 단순히 들어 올렸다가 주차하는 데 필요한 에너지에 불과하다. 차량을 공중에 뜬 상태로 유지하려면 계속해서 아래로 미는 힘을 가해야 한다. 그렇게 하면 뉴턴의 제3법칙 덕분에 차량은 중력을 거스르고 위로 향하게 된다. 이는 들로리언이 약 1.5톤의 힘을 쉬지 않고 아래로 밀어야 한다는 뜻이다. 이런 힘의 공급을 중단하면 즉시 중력에 의해 땅으로 되돌아가는 가속운동을 할 것이다
7장: 호텔, 195~196p

소소한 일상을 특별하게 만드는
신기하고 위대한 물리 여행 스마트폰으로 음악을 들으려면 우선 디지털 부호를 대기의 밀도에 따라 음파로 변조해야 한다. 배터리에 저장된 전기적 위치에너지를 운동에너지로 전환하는 것은 초당 수백 회로 회전하는 전동 칫솔의 기본 원리다. 토스트 한 장을 굽기 위해서는 전기 에너지를 열과 빛으로 전환시켜야 하는데 열역학 제1법칙과 전자기학, 양자역학이 그와 관련되어 있다. 냉장고는 입으로 불어서 뜨거운 커피를 식히는 것과 같은 증발 냉각 방식으로 내부 온도를 내린다. 우리가 모르는 곳을 운전할 때 도움을 받는 내비게이션이나 위치탐색기의 GPS 원리는 아인슈타인의 상대성 이론 덕분이다. 엘리베이터의 기본 원리는 무거운 물건을 들어 올리는 도르래와 같다. 하지만 빌딩 꼭대기 층이 가까워지면서 무중력 상태를 느끼는 이유는 일정하게 지속되던 가속이 줄어들고 바닥면에 아래로 향하는 힘이 가해져서 일시적으로 몸무게가 가벼워졌기 때문이다. 병원에서 사용하는 X선은 라디오파, 마이크로파, 가시광선, 자외선 같은 전자기 방사선의 일종이지만 X선을 만드는 가장 일반적인 방법은 ‘변화하는 전류가 변화하는 자기장을 만들어내는’ 원리가 핵심이다. 공항 검색대의 스캐너는 밀리미터파를 사용한 ‘후방 산란’의 원리를 통해 우리의 몸과 가방 속 상태를 확인한다. 자동문의 동작센서 원리는 몸에서 나오는 빛을 감지해서 이러한 전자기적 방사선을 전기 신호로 변환해주는 야간 투시경과 같다. 모든 우리 몸 속 원자는 37도로 표현되는 평균 운동에너지로 진동하고 있다. 그리고 진동하는 전자는 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 빛을 방출한다. 체온 덕분에 우리는 모두 100와트짜리 적외선 전등을 켜고 있는 셈인 것이다. 이 책에 등장하는 A는 물리학 원리를 바탕으로 하루를 보낸다. 그러한 원리에는 오래 전부터 전해져온 것도 있지만 아주 새롭고 참신한 것도 있다. 에너지 보존의 법칙은 우리 삶의 모든 면을 오랫동안 지배해왔다. 하지만 그에 못지않게 전자기학의 기초 원리도 중요한 역할을 담당한다. 이러한 기본 개념들이 A의 일과를 따라 반복적으로 여러 번 사용되면서 그의 하루는 결코 평범하지 않은 날이 되었다. 저자는 생소한 과학 이론을 따분하게 설명하거나 대충 얼버무리지 않고 핵심 원리만을 뽑아내어 우리가 일상에서 자주 사용하는 기기들에 연결시킴으로써 호기심 많은 독자들을 신기한 물리 세상으로 안내한다. 어렵고 골치 아픈 사물의 원리를 색다른 관점으로 설명하는 이 책을 읽다 보면, 순간 ‘아하!’ 하는 깨달음과 함께 우리가 늘 사용하는 모든 물건이 더욱 새롭고 가깝게 다가올 것이다.