그리스 자연철학에서 복잡계 과학까지 | 세상 보는 눈이 바뀌는 물리학 이야기

시민과 물리학의 낯선 조합?

이 책의 제목인 ‘시민의 물리학’에서 ‘시민’과 ‘물리학’의 조합이 낯설지도 모르겠다. 하지만 꼭 그렇지만도 않다면? 우선 ‘시민’이란 단순히 ‘시(市)’에 사는 구성원을 뜻하기도 하지만, 보통은 한 도시를 넘어 한 국가, 또는 국가마저 넘는 범위의 구성원으로서 정치적인 권리를 갖고 그 권리를 행사하는 사람을 말한다. 동시에 가지고 있는 권리를 제대로, 적극적으로 행사해야 하는 의무도 갖고 있다. ‘시민정신’이나 ‘시민혁명’의 ‘시민’이 이런 의미의 시민일 것이다. 그리고 이 부분에서 물리학으로 대표되는 과학(물리학이 원래 자연을 탐구하는 오래된 학문이므로)과 시민이 만난다. 깨어 있는 시민은 세상을 바꾸는 동력이 되어왔다. 가깝게는 지난 2016년 촛불집회를 통해서도 알 수 있다. 과학 역시 그렇다. 과학의 역사는 세상을 바꿔온 혁명의 역사다. 과학은 한 단계씩 발전할 때마다 새로운 눈으로 세상을 다시 보게 해주었고, 인류의 역사를 바꿨다. 지동설은 지구를 우주의 중심에서 몰아냈고, 진화론은 인간의 특별한 지위를 박탈했으며, 만유인력 법칙은 분리되었던 하늘과 땅의 세계를 통합시켰고, 상대성이론은 절대 시공간의 가능성을 끝내버렸으며, 양자역학은 우주가 관찰자와 무관하게 이미 결정되어 있다는 뉴턴의 세계관을 무너뜨렸다. 그리고 이제 현대과학은 기존의 관점을 또 한 번 넘어서 물질과 생명과 인간을 연결 짓는 또 다른 변화의 물줄기를 만들고 있다. 합리적 태도, 비판적 입장, 개방적 자세, 보편성이 과학이 가진 미덕이다. 이러한 과학의 특성이 없었다면 과학은 지금까지 발전해올 수가 없었고, 우리는 여전히 몇 천 년 전 조상들과 그다지 다를 바 없는 삶을 살고 있을 것이다. 시민도 마찬가지다. 앞으로도 갈 길이 멀기는 하지만, 우리 시민이 비판적이고 합리적인 자세로 세상을 바라보고, 포용력 넘치는 개방성과 보편성을 갖추지 못했다면, 과연 지금 같은 기본권을 누리고 세상을 바꾸겠다는 꿈을 꾸며 살아갈 수 있었을까?

추천의 글
◆ 물리학을 이해하는 데 도움 줄 단단한 디딤돌 | 장회익(서울대학교 물리학과 명예교수)
◆ 깊은 생각, 삶의 성찰로 이끄는 과학책 | 최무영(서울대학교 물리천문학부 교수, 《최무영 교수의 물리학 강의》 지은이)
◆ 문과, 이과를 넘어 시민의 교양으로 | 강내희(지식순환협동조합 대안대학 학장)
◆ 인문학과 정통 물리학의 재미있는 만남 | 박인규(서울시립대학교 물리학과 교수)

저자의 글

여는 글 - 과학, 새로운 세상을 꿈꾸는 시민의 반려 학문
왜 시민인가?˙ / 세상을 보는 눈이 바뀌는 배움 / 모든 곳에 통하는 보편성˙/ 상식을 뒤집으며 앞으로 나아가는 물리학˙/ 자연을 통합해온 물리학˙/ 대립을 넘어서는 물리학 / 밀고 당기면서 함께 나아가는 과학˙/ 모든 기술이 꼭 필요한 걸까?

1장 드디어 과학이 시작되다 - 그리스 자연철학
탈레스, 과학의 시작˙/ 변화에 대해 생각하는 헤라클레이토스와 파르메니데스˙/ 피타고라스는 말한다, 세상은 모두 수!˙/ 뭔가 익숙한 숫자 7 / 그리스 시대의 원자론, 현대과학을 여는 열쇠가 되다 / 수학에서 세계의 본질을 찾아 헤맨 플라톤˙/ 모든 것에는 목적이 있다는 아리스토텔레스의 생각/ 물리법칙을 아름답게 표현한 아르키메데스의 시도

2장 위대한 거인의 어깨 위에 우뚝 선 뉴턴 - 고전물리학의 시작
지구가 움직인다, 코페르니쿠스˙/ 별과 행성에 관한 세 가지 법칙, 케플러 / 좌표계란 엄청난 도구, 데카르트˙/ 최초의 근대 과학자, 갈릴레이 / 뉴턴 있으라 1 미래는 결정되어 있다! / 뉴턴 있으라 2 하늘과 땅은 똑같은 세상˙/ 또 하나의 클래식, 고전역학˙/ 뉴턴의 운동법칙 세 번째 / 뉴턴 법칙의 확장, 운동량과 에너지˙/ 드라마틱한 성공과 골치 아픈 실패˙/ 남은 문제들˙/ 커져가는 뉴턴 역학에 대한 반발˙

3장 전기와 자기, 빛의 정체를 밝히다 - 전자기학의 탄생
빛은 입자인가? 파동인가?˙ / 이중틈새에 의한 간섭실험이 증명한 ‘빛은 파동이다!’˙/ 전기력과 자기력˙/ 패러데이가 발명한 전기장과 자기장 / 전기는 자기를 만들고, 자기는 전기를 만들고…˙/ 맥스웰, 전자기학을 완성하다˙/ 빛의 정체를 밝히다˙/ 인간은 볼 수 없는 빛 / 새로운 물리학의 징조˙/ 우리의 19세기를 돌아보며

4장 상대성이론이 세상을 뒤집어놓다 - 현대물리학의 시작
이것은 빨간 장미야˙/ 갈릴레이의 상대성원리˙/ 빛은 어떻게 전파되는 걸까?˙/ 빛의 속력은 언제나 같고, 시간과 공간 모두 상대적이다 / 갈릴레이와 무엇이 다른가?˙/ 3차원 공간에서 4차원 시공간으로 / 세상에서 가장 유명한 공식˙/ 일반상대성이론을 만들어낸 가장 즐거운 상상˙/ 시공간은 평평하지 않다˙/ 중력이란 시공간의 구부러짐˙/ 일식이 보여준 드라마틱한 중력˙/ 쪼그라드는 우주는 용납할 수 없다!˙/ 우주는 팽창한다˙/ 죽음의 별 블랙홀˙/ 고독한 아인슈타인˙

5장 이상한 나라의 양자역학 - 현대물리학의 또 한 축
최초의 양자물리학자 플랑크˙/ 다시 시작된, 빛은 입자인가? 파동인가? / 원자가 실제로 존재한다!˙/ 믿기 힘든 이상한 생각˙/ 빛만 파동? 입자도 파동!˙/ 불확정성원리와 고전물리학의 붕괴˙/ 양자역학을 반석 위에 올린 또 하나의 방정식˙/ 양자역학에 확률을 도입한 보른˙/ 원자 속 어딘가에 전자가 분포할 확률은?˙/ 수소 말고 다른 원자들은?˙/ 새롭게 등장한 스핀 / 물리학을 둘러싼 보수파와 진보파˙/ 알쏭달쏭한 상보성원리˙/ 양자역학과 특수상대성이론의 만남 / 원자 속으로 들어가다˙/ 대통일을 위한 꿈˙/ EPR 역설, 아인슈타인의 반격˙/ 살아 있기도 하고 죽어 있기도 한 슈뢰딩거의 고양이 / 양자역학을 둘러싼 오해˙

6장 혼돈과 복잡성까지 끌어안은 물리학 - 복잡계 과학의 또 다른 혁명
혼돈의 조건 나비효과 / 비선형과 토끼의 운명˙/ 부분 속의 전체 / 수많은 개별 입자로 이루어진 세계˙/ 열역학과 통계역학˙/ 열역학의 세 가지 법칙˙/ 엔트로피와 질서˙/ 시간은 왜 미래로만 흐르는가?˙/ 열린시스템에서 저항하는 존재들˙/ 질서도 혼돈도 아닌 복잡계˙/ 임계점을 지나 스스로 만들어내는 질서˙/ 대표적 복잡계, 생명˙/ 새로운 과학혁명˙

닫는 글 - 시민의, 시민에 의한, 시민을 위한 과학
과학혁명 그 이후˙/ 과학자의 역할˙/ 자본주의와 과학기술˙/ 시민과학자, 우리 모두 삶의 혁명으로˙

주석과 참고문헌
인물 찾아보기

과학은 어느 학문보다도 먼저 기존의 세계관을 총체적으로 바꿀 수 있는 힘을 가지고 있습니다. 지동설은 지구를 우주의 중심에서 몰아냈죠? 진화론은 인간의 특별한 지위를 박탈했죠? 만유인력 법칙은 분리되었던 하늘과 땅의 세계를 통합시켰고, 상대성이론은 절대 시공간의 가능성을 끝내버렸으며, 양자역학은 우주가 관찰자와 무관하게 이미 결정되어 있다는 뉴턴의 세계관을 무너뜨렸습니다. 그리고 이제 현대과학은 기존의 관점을 또 한 번 넘어서 물질과 생명과 인간을 연결 짓는 또 다른 변화의 물줄기를 만들고 있습니다. -27쪽그리스는 16~17세기에 성립된 근대과학의 씨앗이 뿌려진 곳이자 최초로 과학적 사고가 등장한 곳입니다. 물론 당시의 사상을 현대적 의미의 과학이라고 할 수는 없습니다. 토머스 쿤이 말한 패러다임이 존재하지 않고 과학의 핵심이라고 할 실험과 검증도 없었으니까요. 여러 철학자들이 나름의 논리적 근거로 자신의 주장을 펼쳤지만, 그들이 제시한 다양한 주장은 지금 우리가 알고 있는 사실과는 거리가 멀어 보입니다. 그럼에도 그리스 시대는 신화에서 벗어나 인간 스스로 세계의 본질에 관해 사유하기 시작한 과학혁명의 시대였으며 지금도 과학 문화의 중요한 거름이 되고 있습니다. 우리가 그리스에서 이야기를 시작하는 이유가 바로 여기에 있습니다. -48쪽태양계의 모든 천체가 만유인력에 따라 태양 둘레를 돌고 있으니 뉴턴의 운동법칙에 이 힘을 집어넣고 계산하면 지구를 비롯한 모든 행성들의 위치와 속도를 정확히 예측할 수 있습니다. 그런데 매우 재미있는 사실이 있습니다. 만유인력 법칙처럼 힘이 거리의 제곱에 반비례하는 경우 물체가 그리는 궤도는 원뿔곡선이라는 점입니다. 이 곡선들은 원뿔을 다양한 방법으로 자를 때 원, 타원, 포물선, 쌍곡선의 형태로 생깁니다. 이 도형들은 모두 2차방정식으로 나타낼 수 있고요. 오랫동안 원 궤도와 타원 궤도를 놓고 씨름했던 케플러를 생각해보면 허무해지기도 하는 결과입니다. 만유인력이 작용하는 한 태양계의 행성은 원이나 타원뿐 아니라 포물선이나 쌍곡선처럼 열린 궤도를 가질 수도 있기 때문입니다. -94쪽전기현상과 자기현상이 하나의 이론으로 통합되는 과정은 과학혁명이 지니는 대표적 특성 가운데 하나를 보여줍니다. 전기력과 자기력은 전자기력이라는 하나의 힘으로 통합되었고 우리는 이 통합된 이론 체계를 전자기학이라 부릅니다. 전기와 자기에 관한 수수께끼 풀이는 여기에서 그치지 않습니다. 세상을 밝히는 빛이란 도대체 무엇인가 역시 풀어야 할 어려운 문제였습니다. 결론부터 말하면 빛은 전기와 자기가 협력해 공간을 통해 전파해나가는 전자기 파동입니다. -117쪽상대성이론은 아인슈타인이 수학자들의 도움으로 이룩한 이론으로 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나뉩니다. 1905년에 발표한 특수상대성이론은 중력과는 상관이 없습니다. 상대적으로 일정한 속도로 움직이는 두 관찰자에게 세상이 어떻게 보이는지에 관한 이론이며, 여기서는 각각 분리되어 있던 시간과 공간이 시공간으로 통합되고 질량과 에너지 역시 하나로 통합되는 대전환이 일어납니다. 그 10년 뒤에 발표한 일반상대성이론은 뉴턴의 만유인력 법칙을 밀어내고 새로운 중력 이론으로 자리 잡습니다. 이것은 일정하지 않은(가속도가 있는) 속도로 운동하는 두 관찰자에 대한 이론입니다. 일반상대성이론에 따르면 만유인력은 주어진
시공간에서 물체들 사이에 힘이 작용하기 때문에 생기는 것이 아니라 질량을 가진 물체가 자기 주위의 시공간을 구부러뜨리면서 주위에 있는 다른 물체의 운동 경로를 변화시키기 때문에 생깁니다. -150쪽불확정성원리는 엄청난 사실을 말해줍니다. 고전역학이 미시세계에 적용될 수 없다는 사실 말입니다. 고전역학에서 대상인 입자의 운동을 예측할 때는 다음과 같은 과정을 거칩니다. 먼저 작용하는 힘에 대해 알아내고 현재 입자의 위치와 운동량을 정확히 측정한 다음 뉴턴의 운동방정식을 풀면 다른 시점의 위치와 운동량을 정확히(적어도 원리적으로는) 알 수 있습니다. 그리고 다시 어느 시점에서 위치와 운동량을 측정함으로써 예측을 검증합니다. 이 과정이 고전역학의 핵심입니다. 여기에는 현재의 위치와 운동량을 오차 없이 정확히 측정할 수 있다는 대전제가 깔려 있습니다. 그런데 하이젠베르크의 불확정성원리는 이 전제가 근본적으로 불가능하다고 말합니다. 방정식을 풀기 위한 기본 입력 데이터인 현재 위치와 운동량이 근본적으로 정확할 수 없는데 방정식을 아무리 정확히 푼들 그 결과가 정확할까요? -214쪽미시적이고 환원론적인 관점으로 이해할 수 있는 물리적 대상은 완벽에 가까운 질서를 보여줍니다. 공전하는 지구와 흔들리는 시계추, 포물선으로 날아가는 공이 대표적이죠. 이들의 운동은 완벽하게 기술되며 정확히 예측할 수 있습니다. 그러나 셋 이상의 대상이 서로 상호작용하며 운동하는 상황에서는 혼돈과 같은 예측 불가능한 현상이 일어나고, 방정식도 정확히 풀 수 없습니다. 자연은 질서와 혼돈이 결합하여 조화를 이루는 매우 복잡한 세계입니다. 완전한 질서처럼 보이는 내면에 혼돈이 존재하고 반대로 매우 혼란스러운 상황에도 그 안에 질서가 존재합니다. 이 체계는 내부 구성요소가 무엇이냐에 관계없이 통일된 모습을 보여주며, 따라서 환원론적 관점만으로는 이해할 수가 없습니다. -286쪽자본 권력의 시녀가 된 과학기술의 위험성은 보통 시민들의 일상적 삶마저 위협하고 있습니다. 몇 해 전 우리나라에서 많은 희생을 가져온 가습기 살균제 사태는 이른바 ‘청부 과학자’들이 연구보고서까지 조작한 참사로 밝혀졌습니다. 하루 4,000만 개의 달걀을 생산하는 나라에서 건강에 치명적인 살충제를 양계장에 버젓이 뿌리며 돈을 버는 상황은 또 어떻게 이해할 수 있을까요? 카슨 덕택에 오래전에 금지된 DDT 성분이 여전히 토양에 남아 그 흙에서 자란 풀을 먹은 닭한테서 검출됐다는 소식도 있었죠. 이처럼 한번 오염된 토양이 회복되려면 많은 시간이 걸립니다. 아무튼 지금 우리 일상을 둘러볼 때 너무나 많은 위험물질이 우리 건강과 안전을 노리고 있습니다. 이제 우리 삶의 방식 자체를 근본적으로 반성할 때입니다. -302쪽

시민이라면 알아야 할 ‘과학’ 갖춰야 할 ‘과학정신’
몇 년 전 한국을 떠들썩하게 만든 비극이 있었다. 바로 가습기 살균제로 인해 몇 십 명이나 되는 사람이 목숨을 잃은 사건이다. 가습기 살균제를 만든 회사에서는 제품에 들어간 물질의 유해성을 몰랐다고 주장하지만, 그것과 별개로 가장 큰 문제는 그 물질을 조사한 후 안전성을 보증해준 과학자들이다. 실제로 파악하지 못했을 수도 있지만 과학기술에 대한 무지와 무관심, 전문가 집단에 대한 맹신이 너무나 위험함을 단적으로 보여준 사건이었다. 현대사회가 과학기술로 만들어진 사회이기 때문에 이와 비슷한 사례는 부지기수였고, 앞으로도 없을 거라는 보장이 없다. 보통 사람이라면 설명해도 이해하지 못할 것처럼 어려운 과학지식, 그 맹점을 파고들어 전혀 과학적이지 않은 주장을 하며 사리사욕만 챙기는 일부 전문가 집단들. 이들이 우리 시민의 생명을 노리고 있다는 게 과격하기만 한 주장일까?
셀 수 없이 쏟아지는 신기술, 신제품의 위해성을 알기 위해 모든 과학지식을 다 이해하면 좋겠지만, 불가능한 일이다. 하지만 우리는 주어진 정보를 토대로, 합리적으로 생각하고 의심해볼 수는 있다. 그리고 적극적으로 문제제기를 하는 거다. 시민이라면 알아야 할 과학은 과학지식 그 자체일 수도 있지만 바로 ‘과학한다는 것’의 본질인 ‘과학정신’이라고 할 수 있다. 2,500년 동안의 물리학 혁명들, 세계관의 혁명들
상당히 거창하게 시작하기는 했지만, 《시민의 물리학》은 물리학과는 별로 인연이 없는 보통 사람들에게 물리학의 기본 지식을 알기 쉽게 설명하는 게 핵심 목표인 정통 물리학 책이다. 다만 어려운 이론과 법칙, 복잡한 수식이 아니라 물리학으로 대표되는 과학의 역사를 통해 설명한다. 더불어 지금까지의 물리학을 세워온 인류의 지성들이 ‘당대 진리’에 대한 비판적 생각과 합리적 의심이 없었다면, 상식에 반하는 기상천외한 발상에 개방적이지 않았다면 지금의 물리학과 과학은 결코 없었음을 생생히 보여준다. 물리학은 2,500년 전 그리스 자연철학에서 시작해 몇 번의 ‘혁명’을 거쳐 현재에 이르렀다. 과학이 혁명을 거치면서 세상 보는 눈을 바꿀 때마다 인류는 세상 보는 눈을 변화시켰다. 과학 발전의 역사는 곧 혁명의 역사라고 할 수 있다.
잠깐! 다른 과학 분야도 많은데 하필 물리학이냐고? 물리학은 본래 자연의 본질을 탐구하는 학문이다. 지금은 물리학 분야 자체도 많이 세분화되어 있지만, 근대과학에 이르기까지 과학은 곧 물리학이었다. 자연을 살피는 학문이기 때문이다.
《시민의 물리학》은 그리스의 철학자 탈레스로부터 시작한다. 이렇게까지 멀리까지 거슬러올라가는 이유는 이때 ‘과학이 시작’됐기 때문이다. 이전에는 자연에 대해 인간을 지배하는 존재, 의심을 품을 여지도 없이 그냥 주어진 것으로 생각했다. 하지만 탈레스를 위시해 고대 그리스의 자연철학자들은 ‘생각’을 하기 시작했다. 자연을 주어진 그대로 보기를 거부했다. 합리성과 비판성이라는 과학정신의 시작이자 과학의 시작이다. 당대 많은 철학자들이 지금 우리가 보기에는 얼토당토않은 주장을 펼쳤지만 중요한 건 ‘의심’과 ‘질문’이기에 이들은 ‘과학의 문을 열어젖힌’ 사람들이 맞다!(1장)
하지만 그리스가 로마에 의해 멸망하면서 아주 오랫동안 과학은 정체를 겪어야 했다. 그럼에도 그 사이 그리스 문헌들을 끊임없이 번역하고 연구한 아랍의 과학자들과 실용적인 수학과 측정을 토대로 자연현상을 이해하려 했던 실증적 장인들 덕분에 16세기에 이르러 갈릴레이, 케플러, 데카르트 등의 거인의 어깨 위 우뚝 선 뉴턴이 등장할 수 있었다. 만유인력 법칙과 뉴턴의 운동법칙 세 가지로 이전까지의 세상과 완전히 다른 세상을 열어젖힌 뉴턴 역학의 등장이다.(2장) 이어 서로 별개의 현상이라고 생각했던 전기와 자기현상, 그리고 빛까지 통합시킨 전자기학이 등장하면서 우리는 또다시 새로운 자연을 발견한다. 전자기학의 등장은 고전물리학의 완성과 동시에 현대물리학으로 넘어가는 디딤돌이 되어주었다.(3장)
바로 ‘빛’에 대한 호기심이 아인슈타인으로 하여금 특수상대성이론과 일반상대성이론을 세우게 해주었고(4장), 플랑크와 보어를 비롯해 많은 젊은 학자들이 원자 같은 아주 작은 입자의 세계에 관해 고민하게 해주었기 때문이다(5장).
그리고 이제 인류는 또 다른 과학혁명을 마주하려고 한다. 바로 복잡계 과학의 등장이다. 고전역학이든 상대성이론이든 양자역학이든 잘 선택된 대상 두 개에 대해서만 완벽하게 운동을 기술할 수 있다. 하지만 주위를 조금만 둘러봐도 알 수 있듯이 이 세상은 두 개의 상호작용만으로 이루어지지 않았다. 그런데 인류는 컴퓨터라는 기술의 발전으로 두 개가 넘는 세상에 대해서도 기술할 있게 되었다. 그것이 열역학과 카오스이론으로 대표되는 복잡계 과학이다. 복잡계 과학의 혁명성 중에서 특히 중요한 것은 우리의 평범한 일상을 과학으로 기술할 수 있는 길이 열렸다는 점이다. 도시와 인구와의 관계, 지진이 일어나는 횟수와 규모와의 관계, 지구 역사에서 있었던 대량 멸종의 강도와 빈도, 인간이 일으킨 전쟁의 규모와 빈도의 관계 등 그 경향성을 파악할 수 있게 되면서 이전에는 과학의 영역이 아닌 곳마저도 과학의 영역에 포함되고 있다(6장).
《시민의 물리학》은 이렇듯 고대 그리스에서 뉴턴의 고전역학을 거쳐 상대성이론과 양자역학, 최근의 복잡계 과학까지 물리학으로 대표되는 과학의 혁명적 발전을 따라가면서 물리학에 대해 기본적으로 이해할 수 있도록 하고, 물리학 역사의 ‘혁명’적 관점을 짚어가면서 시민인 우리가 과학정신을 갖춰야 하는 이유와 그럴 수 있도록 실마리를 제시한다. 농사짓는 물리학자의 성실한 시도
《시민의 물리학》의 저자인 유상균은 경남 함양에서 농사를 짓는 농사꾼이자 일주일의 적지 않은 시간을 강의를 위해 서울로, 전주로 향하는 고속버스 안에서 시간을 보내는 물리학자다. 처음에는 평범하게 강의실과 연구실에서 시간을 보내던 물리학자는 자본주의의 폐해를 목격하면서 자연 속으로, 사람들 속으로 들어가야겠다고 결심한다. 환경과 생태에 대한 지대한 관심으로 농사를 짓고, 물리학을 넘어 여러 영역의 사람들과 함께 부단히 가르치고 배움으로써 자본주의를 극복하고 인간과 자연이 더불어 건강하게 사는 좋은 세상을 만드는 것이 목표다.
대학 졸업 후 일찍 자리잡아 교수가 되었지만, 교수 자리에 안주하기를 거부하고 미국 유학 후에는 대안대학인 경남 함양의 녹색대학교, 그리고 지금은 서울의 지식순환협동조합 대안대학에서 과학을 가르치면서 새로운 세상을 만들 꿈으로 가득차 있다. 대부분이 과학에 공포감을 갖고 있는 학생들이 저자의 강의를 들으면서 과학의 매력에 푹 빠져들어 ‘창작의 영감’을 얻기도 한다. 이 책을 읽는 독자들도 저자 유상균의 쉽지만 예리하고, 푸근하지만 묵직한 설명을 읽으면 과학과 물리학의 매력에 푹 빠질 것이다.