소소한 일상에서 우주의 원리까지 | 호기심의 문을 열어젖히는 232가지 물리학 Q&A

이 책은 중국과학원 물리연구소 위챗 공식 계정 Q&A 칼럼에 올라온 네티즌들의 기발한 질문과 연구원들의 재치있는 답변을 엮어 정리한 책이다. 과학, 그중에서도 물리학은 일반인들이 접근하기 어려운 학문이라 생각하겠지만, 이 책은 우리가 일상에서 접하는 자연현상부터 우주, 양자, 상상 속의 궁금증까지 선생님은 가르쳐주지 않고 부모님은 모르고 안 물어보면 궁금해 미쳐버릴 것 같은 여러 물리 문제에 대한 답을 쉽고 재미있게 설명해주고 있다. 물리학에 다가가는 출발점은 일상생활과 대자연에 대한 호기심일 것이다. 혹시 우리가 겪는 자연현상의 이면에 감춰진 원리에 호기심을 품은 적이 있는가? 왜 물보라는 흰색인지, 왜 번개는 지그재그로 치는지, 왜 휴대전화로 TV 화면을 찍으면 까만색 줄무늬가 생기는지 등의 의문을 품은 적이 있는가? 얼핏 보면 별것 아닌 것 같은 이런 문제들이 사실 물리학에 다가가는 출발점이라고 한다. 《1분 물리학》이라는 책 제목처럼 이 책에 포함된 대부분의 Q&A는 읽는데 1~2분 정도면 충분하다. 물론 1~2분 안에 모든 물리 문제를 완벽하게 이해할 수는 없겠지만 독자 여러분이 물리학에 대한 흥미를 일깨우고 일상생활과 자연에 대한 호기심을 불러일으키는 데는 많은 도움이 될 것이다.

추천의 글

일상생활에 관한 1분 물리학
상상 속의 1분 물리학
우주에 관한 1분 물리학
양자에 관한 1분 물리학
학습에 관한 1분 물리학

Q. 흐르는 물은 왜 잘 얼지 않을까?
이는 물 분자가 응결핵 주변에 질서정연하게 모여야만 결빙되는 것과 관련이 있다. 고인 물이 어는점에 도달했을 때, 물속에 응결핵이 있으면 물은 점점 응결핵 주변에서 얼음 결정을 이루게 된다. 응결과정은 이러한 응결핵에서 시작해 물이 있는 전 지역으로 확산되는 과정이다. 그러나 만약 물이 흐르면서 이리저리 움직이면 물 분자가 응결핵 주변에 질서정연하게 모이기가 어려워 결빙이 되지 않는다.
_____________15쪽Q. 이어폰의 노이즈 캔슬링의 원리는 무엇인가?
소음을 줄여주는 기술인 노이즈 캔슬링(noise cancelling)은 크게 패시브 노이즈 캔슬링(PNC; Passive Noise Cancelling)과 액티브 노이즈 캔슬링(ANC; Active Noise Cancelling)으로 나뉜다. 패시브 방식은 일반적인 차음(遮音)을 말하는데, 실리콘 마개 등으로 귓속에 밀폐된 공간을 형성해 외부 소음이 들어오지 못하게 막는 것이다. 이 방법은 고주파 소음은 쉽게 거르는 반면 저주파 소음은 효과적으로 거르지 못한다는 특징이 있다. 못 믿겠다면 실험을 해보라. 손가락으로 귀를 막으면 날카로운 소리는 확실히 작게 들리지만 기계가 작동하면서 내는 소리처럼 낮은 소리는 여전히 분명하게 들린다.
_____________39쪽Q. 번개가 치는 원인은 무엇이며, 왜 번개는 직선으로 떨어지지 않고 갈라지는가?
비가 오는 날에는 종종 번개가 치는데 번개가 치는 데는 여러 물리과정이 포함되어 있다. 일단 구름층과 지면이 마찰 등으로 인해 상반되는 전하를 띠게 되고 전하가 한데 모여 구름층과 지면 사이에 강한 자기장을 형성한다. 공기는 각종 기체 분자로 이루어져 있는데 공기 자체는 전기가 통하지 않기 때문에 일반적인 상황에서는 번개를 볼 수 없다. 그러나 이 분자 안의 전자가 강한 전기장의 작용으로 원자핵의 속박에서 벗어나면서 공기가 전자와 이온으로 구성된 결합체로 변한 까닭에 전기가 통하게 된다. 전자는 전기장의 작용에서 에너지 준위 사이의 전이를 일으키는데, 이러한 전이는 발광을 동반한다. 이것이 바로 번개다
_____________86쪽Q. 우주선이 비행궤도에서 도킹할 때 왜 동일한 궤도에서 하면 안 되는가? 궤도가 같으면 속도가 같기 때문에 쫓아갈 수 없다고 하는데, 뒤쪽에 있는 우주선은 뒤쪽으로 점화해 가속하는 동시에 지구 바깥쪽으로 점화하거나(구심력을 키우기 위해), 아니면 앞쪽에
있는 우주선의 속도를 늦출 수는 없는가?
원리는 누구나 알지만, 그러려면 얼마나 큰 비용이 들까? 연료를 몇 톤 더 싣고 우주공간으로 향한다는 것은 곧 연료를 더 많이 소모해야 한다는 뜻이다. 하지만 이는 사소한 문제에 불과하다. 중요한 것은 연료를 수백 톤 더 실을 추가 로켓이 일회용이라는 점이다. 하지만 이 또한 엄청 심각한 문제는 아니다.
로켓을 하나 더 달면 원래 계획했던 것이 죄다 엉망진창이 된다는 것이 핵심이다. 뭐, 별수 있나. 그냥 설계부터 연구개발까지 다시 하는 수밖에. 한마디로 엄청, 심각하게, 비경제적인 일이란 말이다. 게다가 질문에서 말한 대로 해서 얻을 효과는 지상에서 발사시간을 바꾸거나 발사방식을 바꾸는 것으로도 충분히 얻을 수 있다.
_____________131쪽
Q. 양자통신의 비밀 절대 보장은 어떻게 이해해야 하는가?
양자통신의 기본적인 정리 중에 복사 불가능성 정리(no-cloning theorem)라는 것이 있다. 임의의 양자상태와 완전히 동일한 또 다른 양자상 태를 복사하는 것은 불가능해 원래의 양자상태에 영향을 미치지 않는다는 의미다. 도청은 복사하는 과정이다. 원시 정보, 즉 도청할 정보를 받아 그 정보를 복제해 다시 발송한다.
고전적인 상황에서는 정보의 발송자와 수신자 모두 정보가 전송되는 과정에 도청이 이루어졌는지 알 수 없어 기밀이 새어나갈 우려가 있었다. 그러나 양자통신에서 양자는 복사가 불가하기 때문에, 전송 중인 정보를 도청하면 원래의 양자상태에 변화가 생기므로 도청자는 원시 정보와 완전히 동일한 정보를 수신자에게 전달할 수 없다. 그러면 발송할 때의 양자상태와 수신할 때의 양자상태가 다르기 때문에 수신자와 발신자는 대조하자마자 정보를 도청당한 흔적을 발견하게 된다. 이 경우 곧바로 암호문을 바꾸거나 전송 경로를 바꿀 수 있으므로 통신의 비밀 절대 보장을 실현할 수 있다.
_____________167쪽Q. 물리를 공부할 때 가장 중요하게 생각해야 하는 것은?
차근차근 착실하게 밟아나가야 한다. 날이면 날마다 우주니, 양자역학이니, 상대성이론이니, 겉보기에 그럴싸해 보이는 지식만 탐구하고 뉴턴역학과 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 현상 연구는 하찮게 여기면 안 된다는 말이다. 상대성이론이라고 해서 생각만큼 어려운 것도 아니고 뉴턴역학이라고 해서 또 생각만큼 쉬운 것도 아니다.
_____________188쪽Q. 우리가 알고 있는 정리나 관념이 틀린 것은 아닐까? 아주 먼 훗날, 인류문명이 어떤 형식으로 존재하든 과학탐구가 끝을 맞이할 날이 올까?
역사상 물리학계가 공인했던 이론 중에서 시간이 흐른 뒤에 틀렸다고 증명된 것은 거의 없다. 이미 공인된 어떤 이론이 틀렸음을 증명하려면 이 이론을 뒷받침하는 수많은 실험 사실을 뒤집어야 하는데 이는 불가능에 가까운 일이기 때문이다. 뉴턴역학을 예로 드는 사람들이 많은데 사실 뉴턴역학은 틀린 것이 아니라 정확도 측면에서 부족한 점이 있었을 뿐이다. 상대성이론과 양자역학도 뉴턴역학을 번복하지 않고 특수한 조건에 맞춰 뉴턴역학의 적용 범위를 확정했을 뿐이다. 구체적인 물리 현상을 옛 이론의 적용 범위에 집어넣으면 새 이론은 무조건 옛 이론의 예언을 반복한다. 따라서 어떤 물리이론이 여전히 실험을 바탕으로 한 것이라면, 현재의 이론이 미래의 어느 날에 번복될 리는 없다.
두 번째 질문에 답을 하자면, 물리학자들은 매번 자신이 대자연의 비밀을 모두 밝혀냈다고 큰소리치다가 대자연에게 크게 한 방씩 얻어맞고 겸손을 되찾곤 했다.
_____________201쪽

넘치는 호기심을 주체할 수 없는 독자들에게 명쾌하게 설명해주는 《1분 물리학》
안 물어보면 궁금해 미쳐버릴 것 같은 물리 문제에 답을 구하다!!《1분 물리학》은 우리가 생활 속에서 접하게 되는 수많은 자연현상에 대한 의문을 비롯해 상상 속에서나 해볼 것 같은 기발한 질문, 그리고 우주와 양자, 물리학 학습에 대한 심오하지만 물리를 이해하려면 기본적으로 알아야 할 질문까지 총 232가지의 질문에 대해 설명하고 있다.총 다섯 분야로 나눠 정리하고 있는 이 책의 내용을 좀 더 살펴보자면, 먼저 일상생활에 관한 1분 물리학에서는 ‘왜 금속 그릇에 비해 플라스틱 그릇에 기름때가 잘 묻는지, 흐르는 물은 왜 잘 얼지 않는 것인지, 바람은 왜 부는지, 그리고 1초의 정의는 어떻게 되는지, 왜 종이는 기름이 묻으면 투명해지는지’ 등 일상에서 한 번쯤 의문을 품었을 법한 질문에 대한 해설을 쉽고 재미있게 풀어주고 있다. 두 번째 파트인 상상 속의 1분 물리학에서는 ‘태풍의 눈에 원자폭탄을 던지면 어떻게 되는지, 지구상의 식물이 모두 사라지면 남은 산소로 인류는 얼마나 더 생존할 수 있는지, 만약 곤충의 크기를 크게 키울 수 있다면 외골격이 얼마나 단단해야 그 곤충의 중량을 견딜 수 있을지’ 등 상상으로만 남겨뒀을 호기심들을 꺼내 보여주고 있으며, 우주와 양자에 관한 1분 물리학에서는 ‘셀 수 없이 많은 항성이 지구의 모든 방향 위에서 빛나고 있는데도 밤이 캄캄한 이유는 무엇인지, 우주 속의 반물질도 관측이 가능한지, 만약 가능하다면 어떻게 관측할 수 있는지, 현대 사회에서 상대성이론과 양자역학은 어떻게 응용되는지’ 등 좀 더 깊이 있는 질문에 대한 답을 정리해주고 있다.마지막으로 학습에 대한 1분 물리학에서는 ‘대학에서 물리를 전공하면 무슨 일을 할 수 있는지, 물리학 공부에 도움이 될 대중과학 사이트는 어디인지, 양자역학은 어떻게 공부해야 하는지, 자기장과 전기장은 무슨 관계인지’ 등 물리학 공부에 필요한 질문들을 이해하기 쉽게 정리해주고 있다. 이 책에 실린 많은 질문들은 탐구의 출발지이자 호기심의 문을 열어젖히는 열쇠 역할을 할 것이다. 그 문 안에는 독자들의 탐구를 기다리는 더 넓고 다채로운 물리의 세계가 펼쳐져 있다고 할 수 있다. 책에 포함된 네티즌의 기상천외한 질문과 연구원들의 지혜로운 답변이 독자들에게 물리학에 대한 흥미를 일깨우고 새로운 지식을 하나씩 쌓으며 과학의 즐거움을 만끽해볼 수 있는 계기가 되기 바란다.