런던 대학교 물리학 교수가 들려주는 일상 속 과학 이야기

“일상의 과학적 소양을 높여주는 물리학 필독서!” 팝콘과 날씨, 케첩과 달팽이, 빨대와 코끼리에 공통점이 있다? 과학적 사고의 힘을 높이고 물리학의 즐거움을 찾아주는 책!

“주방에서나 우주에서나 물리학의 패턴은 똑같다!” 런던 대학교 물리학 교수이자 BBC 과학 다큐멘터리 진행자가 부엌에서, 정원에서, 길가에서 발견한 과학의 즐거움 블루베리는 푸른색인데 블루베리 잼은 왜 붉은색일까? 팝콘과 날씨의 공통점은 무엇일까? 전갈과 자전거를 타는 사람이 사막에서 함께 살아남는 방법은? 이 질문들은 우리에게 왜 중요할까? 우주의 온도에 대해서는 한 번도 생각해보지 않은 사람도 토스터를 보면 식빵이 왜 뜨거워지는지 알 수 있다. 《찻잔 속 물리학》은 이렇게 주방에서나 우주에서나 보편적으로 작용하는 물리학 법칙들을 통해 일상에서 마주치는 소소한 일들과 우리가 사는 더 큰 세상을 연결해보는 과학 에세이다. 기체법칙, 중력, 표면장력, 파장 등 세계를 움직이는 8가지 보편적 물리 법칙을 팝콘, 타워브리지, 거품 입욕제, 서핑 같은 우리 주변의 친근한 사물들을 매개로 만나볼 수 있다. 런던 대학교 물리학자이자 BBC 과학 다큐멘터리 진행자인 저자 헬렌 체르스키는 일상적인 행위와 자연 곳곳에 숨어 있는 과학의 경이로움을 발견하는 데 탁월한 재능을 보인다. 제빵 수업을 받거나 빨대로 음료수를 마시면서, 정원에서 달팽이를 관찰하거나 스프링보드에서 다이빙을 하면서 우리가 자주 접하면서도 깊이 생각해보지는 않았던 현상들에서 시작된 물리학 법칙이 가장 중요한 과학과 기술에 어떻게 적용되는지 쉽게 이해할 수 있도록 도와준다. “세상은 물리학 패턴으로 이루어진 모자이크다.” 일상에서 과학을 배우는 것은 세상에 대한 지식을 얻는 지름길! 헬렌 체르스키는 바위마다 빗방울마다 모래 알갱이마다 숨어 있는 과학의 신비를 훌륭하게 밝혀준다. - 조던 엘렌버그(《틀리지 않는 법》 저자) 헬렌 체르스키는 물리학의 기본 법칙들을 알면 세상은 장난감 상자가 된다고 말한다. 그녀의 발길은 집 안의 부엌에서 시작해 정원, 숲속, 바다를 거침없이 누빈다. 부엌에서 팝콘을 튀기며 기체법칙을 생각하고 정원에서 달팽이를 관찰하며 점성을 떠올린다. 또 폭풍이 일 때 해수면에서 생기는 물리학 현상을 연구하기 위해 배를 타고 바다에 나가서는 실험 장비용 배터리를 통해 전기에너지와 에너지보존법칙을 설명해준다. 그녀의 이야기는 시간을 넘나들며 이어진다. 1665년 현미경이라는 놀라운 장치의 잠재력을 소개한 최초의 과학 베스트셀러 《미크로그라피아》를 발표한 로버트 훅, 여성은 집에 있는 것이 당연했던 19세기 말 표면장력을 실험한 여성 사상가 아그네스 포켈스, 1930년대 로켓 우편을 실험한 게르하르트 주커 등 역사 속 과학자들의 이야기를 생생하게 되살려낸다. 특히 체르스키는 주방이나 정원, 길가에서 발견한 과학적 사실이 어린아이에게나 중요한 오락거리라고 말하는 사람들에게 물리학의 원리는 어디에서나 똑같이 작용한다는 점을 상기시키면서 일상에서 과학을 배우는 것이야말로 세상에 대한 지식을 얻는 지름길임을 강변한다. 과학을 잘 아는 사람이든 전혀 모르는 사람이든, 교실에서 어려운 물리학 수업을 듣는 것이 아니라 똑똑하고 매력적인 친구와 산책하며 이야기를 나누는 기분으로 이 책을 읽을 수 있을 것이다. 평범한 일상을 특별하게 해석하는 8가지 보편적 물리 법칙 ‘제1장 팝콘과 로켓: 기체법칙’에서는 옥수수 알갱이를 팝콘으로 만들고 날씨를 변화시키는 기체법칙에 대해 알아본다. ‘제2장 올라간 것은 반드시 내려온다: 중력’에서는 다이빙, 식물이 자라는 방향, 저울, 티라노사우루스, 타워브리지 등을 통해 중력을, ‘제3장 작은 것이 아름답다: 표면장력과 점성’에서는 작은 세계에서 중력이나 관성보다 크게 작용하는 힘인 표면장력과 점성을 살펴본다. ‘제4장 최적의 순간을 찾아서: 평형을 향한 행진’은 물리학 세계의 유일한 목적지인 ‘평형상태’를 ‘제5장 파도에서 와이파이까지: 파장의 생성’은 서핑, 다이아몬드, 토스터, 돌고래 등을 통해 파동과 파장을 다룬다. ‘제6장 오리는 왜 발이 시리지 않을까?: 원자의 춤’에서는 브라운과 아인슈타인을 시작으로 원자에 대해 알아보고 ‘제7장 스푼, 소용돌이, 스푸트니크: 회전의 규칙’에서는 회전과 관계된 물리법칙들을, ‘제8장 반대편끼리 끌어당길 때: 전자기’에서는 우리를 둘러싸고 있는 전자기에 대해 살펴본다. 마지막으로 ‘제9장 우리는 무엇으로 사는가: 인간, 지구, 문명’에서는 이러한 물리학 법칙을 토대로 물리적 구조가 같은 인간, 지구, 문명의 세 시스템에 대해 이야기한다.

◆ 차 례

서문 일상과 우주를 연결하는 물리학

제1장 팝콘과 로켓: 기체법칙
단순한 것이 아름답다
향유고래가 숨 쉴 때 일어나는 일
살아 숨 쉬는 포카치아 반죽
남극 바람과 물 뿜는 코끼리의 공통점
기차와 로켓은 커다란 주전자다
날씨는 팝콘의 물리학으로 움직인다

제2장 올라간 것은 반드시 내려온다: 중력
하늘과 바다의 경계에서 일어나는 일
저울, 타워브리지, 공룡의 시소 타기
거품과 부력의 비밀
지구의 가장 큰 엔진

제3장 작은 것이 아름답다: 표면장력과 점성
푸른박새와 결핵
작은 세계에서, 점성의 파트너
쏟은 우유를 걸레로 닦을 수 있는 이유
자이언트 레드우드와 랩온어칩

제4장 최적의 순간을 찾아서: 평형을 향한 행진
달팽이와 케첩의 공통점
자연과 인간의 시간 척도
비둘기, 빗방울, 운하의 시간 척도
후버댐의 타이밍
머그잔, 개, 고층 빌딩의 흔들림
우주 생명체를 발견하는 법

제5장 파도에서 와이파이까지: 파장의 생성
하와이 왕족의 서핑
파동이 경계에 닿을 때 일어나는 일
토스터와 적외선 파동
돌고래와 소리의 세계
온실효과가 만든 균형
진주조개와 휴대전화

제6장 오리는 왜 발이 시리지 않을까?: 원자의 춤
브라운과 아인슈타인
젖은 옷과 할루미 치즈
얼음과 유리의 특징
온도계 눈금과 오리 다리의 차이
보이지 않는 열이 움직이는 법

제7장 스푼, 소용돌이, 스푸트니크: 회전의 규칙
자전거, 원심분리기, 피자 반죽의 마법
투석기로 장화를 날리다
스푸트니크와 식빵, 발레리나의 회전
에너지 저장고 플라이휠

제8장 반대편끼리 끌어당길 때: 전자기
우리는 전기로 둘러싸여 있다
오리너구리의 사냥법
이동할 뿐 사라지지 않는다
주전자와 텔레비전의 마법
전자들의 섬세한 춤
토스터의 진정한 재능
북극은 움직인다
대륙의 퍼즐 조각이 맞춰지다
전기와 자석의 우아한 춤

제9장 우리는 무엇으로 사는가: 인간, 지구, 문명
세포가 모여 만든 움직이는 기계
인간을 담고 있는 거대한 생명 그릇
과학과 기술의 찬란한 결정체

참고문헌

주방이나 정원, 길가에서 과학적 사실을 발견했다고 하면 코웃음 치는 사람도 있다. 어린아이에게는 중요하지만 어른에게는 하찮은 오락거리라고 생각한다. 어른이라면 우주의 원리같이 심오한 주제의 책을 사야 한다고 말이다. 하지만 이런 태도는 중요한 사실 하나를 간과한다. 물리학 원리는 어디에서나 똑같이 적용된다는 사실이다. 가장 기본적인 몇 가지 물리학 법칙을 가르쳐주는 토스터는 아마 누구나 하나쯤 가지고 있을 것이며 누구나 직접 작동하는 모습을 볼 수 있다는 점에서 유용하다. 물리학은 그래서 멋지다. 동일한 패턴이 보편적으로 적용되기 때문이다. 물리학은 주방에나 우주의 가장 먼 곳에나 똑같이 존재한다. 우주의 온도에 대해서는 한 번도 생각해본 적 없는 사람도 토스터를 보면 식빵이 왜 뜨거워지는지 알 수 있다.
-pp.12~13 (서문)중심축이 땅에서 4미터 높이에 있고 양옆이 각각 6미터인 시소를 생각해보자. 이 시소는 다리가 아니다. 백악기 세계를 상징하는 육식동물 티라노사우루스다. 두 개의 두툼한 다리가 몸통을 지탱하고 중심축은 엉덩이다. 앞으로 고꾸라지지 않을 수 있었던 건 무시무시한 이빨이 있는 거대한 머리가 긴 근육질의 꼬리와 균형을 이루었기 때문이다. 하지만 걸어 다니는 시소로 사는 데는 문제가 있다. 아무리 고집 센 티라노사우루스라도 걷다가 방향을 바꿔야 할 때가 있는데 이들은 방향 전환에 소질이 없었다. 티라노사우루스가 45도 정도 각도를 트는 데 약 1~2초가 걸린 것으로 추측되므로 <쥬라기 공원>(Jurassic Park에) 나온 영리하고 민첩한 모습과는 거리가 멀다. 무엇이 거대하고 힘센 공룡을 방해했을까?
-pp.80~81 (제2장 올라간 것은 반드시 내려온다: 중력)낙관주의자인 당신은 케첩병을 집어 포테이토칩 접시 위에서 거꾸로 든다. 아무 일도 일어나지 않지만 이 과정을 생략하는 사람은 거의 없다. 케첩은 걸쭉하고 점도가 높아 약한 중력으로는 병에서 나오지 않는다.
(중략)
케첩은 짓이긴 토마토에 식초와 향신료를 넣어 만든다. 그대로 두면 평범한 묽은 액체다. 하지만 병 안에는 0.5퍼센트의 긴 다당류 분자물질이 숨어 있다. 바로 잔탄검(xanthan gum)이다. 박테리아로 생성되는 잔탄검은 흔히 쓰이는 식품첨가물이다. 테이블 위에 병을 세우면 주위를 물로 감싼 잔탄검의 긴 분자들이 다른 비슷한 사슬들과 약하게 결합한다. 따라서 케첩은 움직이지 않는다. 병을 세게 흔들면 긴 분자들은 약간 풀어졌다가 곧 다시 결합한다. 병 바닥을 치면 케첩이 갑자기 움직이면서 결합이 해체되고 재결합하기 전에 다른 자리로 밀쳐진다. 이 분기점을 지나면 케첩은 더 이상 고체처럼 행동하지 않고 병 밖으로 나온다.
-pp.133~135 (제4장 최적의 순간을 찾아서: 평형을 향한 행진)토스터의 장점은 발열체가 붉게 빛나서 임무를 잘 수행하고 있는지 눈으로 확인할 수 있다는 것이다. 발열체는 그와 닿은 공기를 가열할 뿐 아니라 빛 에너지를 발산한다. 이 빛은 온도계다. 색을 보면 얼마나 뜨거운지 알 수 있다. 밝은 빨간색은 토스터 내부 온도가 섭씨 1,000도에 이르렀음을 의미한다. 알루미늄이나 은을 녹일 만큼 무시무시하게 뜨거운 온도다. 이처럼 밝은 선홍색으로 빛나고 있다면 토스터는 1,000도에 이를 정도로 뜨겁다. 이는 우주의 규칙이다. 온도가 1,000도인 모든 물체는 똑같이 붉게 빛나고, 다른 색으로 빛나면 온도가 다르다. 석탄이 탈 때 환한 노란빛이 나는 가운데 부분은 약 2,700도다. 하얗게 타는 물체의 온도는 4,000도 이상이다. 하지만 생각해보면 이상한 점이 있다. 색깔과 온도는 무슨 관계가 있을까?
-pp.182~183 (제5장 파도에서 와이파이까지: 파장의 생성)인류가 지금까지 발견한 우주 영역에서 인간은 예외적인 존재다.
인간은 우주 밖을 바라본다. 어쩌면 우주의 무언가도 우리를 보고 있을지 모른다. 빛은 우리를 지구 밖 물체와 소통하게 해주는 유일한 수단이고 별빛이 우리 망막에 도달할 때 일어나는 분자의 이동은 우리를 우주와 연결해준다. 우리가 살고 있는 우주와 지구의 경계는 암석으로 된 작은 행성 위에 아름답게 떠 있는 복잡하고 살아 있는 얇은 층이다. 우리는 우주의 물리법칙에 따라 형성된 세 가지 생명 유지 시스템이 공조해 얻어낸 결과물이다.
나는 집 밖에서 구름이 하늘을 덮으며 시야에서 우주를 가리는 모습을 보고 있다. 나는 지구의 재료로 만들어진 머그잔을 들고 우주의 복잡성을 생각한다. 내 주변은 온통 물리학 패턴으로 가득하고 나는 그것을 직접 느낄 수 있다. 머그잔 안에서 액체가 소용돌이치고 있다. 다시 보니 조금 전과 다른 것이 보인다. 액체 표면에 반사된 머리 위 하늘의 아름답고 환상적인 패턴이다. 찻잔 안에서 폭풍이 보인다.
-p.356 (제9장 우리는 무엇으로 사는가: 인간, 지구, 문명)