에펠탑부터 밀푀유까지, 당신이 몰랐던 과학의 아름다움에 대하여

1,000ft에 달하는 파리의 상징 에펠탑, 샴페인 잔 속에서 공기 방울들이 춤추듯 올라가는 모습, 씨앗이 바람을 타고 퍼져나가는 모습 등 우리 일상은 아름답고 우아한 순간으로 가득 차 있다. 이런 아름다움을 보면 원리나 현상에 관해서 궁금증이 일어날 때가 있다. 파리에서 활발하게 활동 중인 4인의 과학자는 바로 이 부분에 주목했다. 《이토록 아름다운 물리학이라니》는 이처럼 일상의 아름다운 순간 뒤에 숨어 있는 물리학 원리를 과학적인 시각으로 바라보는 책이다. 건축물, 샴페인 거품, 모래나 유리, 거미나 새, 식물, 균열 등 우리 일상에서 흔히 접할 수 있는 아름다움의 원리를 물리학적 지식을 곁들여 재미있게 서술했다. 이에 더해 장마다 대체로 누구나 따라 할 수 있는 35가지 실험을 일러스트로 안내하고 200여 장의 컬러 사진을 실어 독자의 직관적인 이해를 도왔다. 생활 밀착형 과학 지식을 담은 이 책을 통해 보편적인 물리학 원리를 배우고 다양한 관점에서 사물을 바라보는 눈을 기르게 될 것이다.

머리말

건축의 대가들
작은 것은 아름답다
아제르리도 성의 다락
파리의 상징 에펠탑
내적 균형의 미
장력이 만드는 곡면

힘이 만드는 예술
비눗방울이 터질 때까지
거품의 최후
사슬이 만드는 아름다운 현수선
우아한 석조 아치
조개와 밀푀유

끈으로 이뤄진 세계
8개의 다리를 가진 건축가
물에 젖은 머리카락의 병합 현상
날아다니는 건축가, 새
지푸라기로 만든 다리
주름잡기와 가위질을 하는 입체의 마술사들
직조, 날실과 씨실의 조화
종이로 만든 공은 특이하다

알갱이에서 유리까지
모래 알갱이로 본 세상
모래성의 비밀
흙으로 지어진 건축물들
액체 상태의 돌, 콘크리트
알갱이를 붙이는 소결 이야기
유리의 변신

움직임에 대하여
휘어지거나 혹은 꺾이거나
공중으로 날아오르기
솔방울의 춤
씨앗들의 비행
활과 현이 만드는 진동
모래 더미의 물리학

파열이 만든 모습들
선사시대의 보석
뾰족하게 찢어지는 이유
샐러드의 기하학
지문과도 같은 균열
계란 위를 걷기
루퍼트 왕자의 눈물

용어 사전
참고문헌
감사의 말

큰 건물을 짓는다는 것은 건축물의 넓이가 넓어지는 것뿐 아니라 높이가 높아지는 것에 따른 압력 증가까지 고려해야 하는 것을 의미한다. 그래서 아름다운 건축물은 항상 적당한 크기가 있기 마련이다. ‘작은 것이 아름답다’란 뜻의 라틴어 ‘Parvus est bellus’는 자연법칙인 셈이다. / 13쪽힘의 균형을 이용하는 다른 건축물의 예로 프랑스 아베롱(Aveyron) 주의 도시 미요(Millau)에 있는 사장교(Ponts ?haubans)를 들 수 있다. 사장교란 기둥에 연결된 케이블로 다리의 상판을 들어 올려 건설한 다리로 그 형태가 배의 돛에 연결된 밧줄들을 연상시킨다. 사장교의 케이블들은 기둥을 중심으로 좌우 대칭을 이뤄 다리가 수평 방향으로 균형을 잡게 한다. 그래서 다리는 내부 균형을 유지할 수 있으며 미국 샌프란시스코의 금문교(Golden Gate)와 같은 현수교에서 보듯이 케이블을 다리 끝에 강하게 고정할 필요가 없다. / 38쪽그런데 왜 이렇게 팽팽한 표면은 항상 말안장 모양으로 나타날까? 고개는 항상 위쪽으로 굽은 곡선(양 끝이 올라가는 능선)과 아래쪽으로 굽은 곡선(산을 넘기 위한 최단 거리의 고갯길)으로 나타나는 기하학적 특징을 가지고 있다. 이 2개의 가상 곡선을 팽팽하게 당겨진 천막의 장력을 표시하는 선이라 생각해보자. 그러면 위로 구부러진 곡선이 나타내는 장력은 표면을 위로 잡아당기는 반면, 아래로 구부러진 곡선이 나타내는 장력은 표면을 아래로 잡아당긴다는 사실을 알 수 있다. 따라서 이러한 장력을 받아 휘어진 곡면의 경우에는 매우 정교한 균형 아래에 놓여 있어야만 하고, 그 균형은 말안장 모양에서만 가능하다. / 46쪽비눗방울이 둥근 이유는 기포 면에 작용하는 힘 때문이다. 기하학적인 관점으로 볼 때, 이 힘은 기포 안에 들어 있는 공기를 최소한의 면적으로 가두려고 한다. 해당 조건을 만족시키는 형태가 바로 구(球)다. 비슷한 이유로 하늘에 떠 있는 물방울 또한 둥근 모양이다. / 54쪽거품은 겉으로 보기에는 무질서해 보인다. 하지만 거품의 구조에는 규칙성이 있다. 이를 이해하기 위해 우선 비눗방울 4개가 모두 서로 만나는 경우를 생각해보자. 이 경우 4개의 방울이 공통으로 만나는 한 점이 생긴다. 그리고 그 점으로부터 방울들의 경계인 4개의 모서리가 만들어진다. 4개의 모서리는 정사면체의 중심에서 4개의 꼭짓점을 연결한 선들과 같은 구조다. 따라서 이 모서리들은 3차원 공간에서 서로 120°의 각도를 이룬다. 이 기하학적 규칙성은 표면장력이 만드는 결과다. / 63쪽신화에서나 나올 듯한 올림피아 경기장에서 부서진 잔해물들이 아니라 멀쩡한 원형 그대로 오늘날까지 남아 있는 것들이 있을까? 답은 ‘그렇다’이다. 그것은 바로 운동경기에서 선수들이 입장할 때 지나가는 아치형 입구다. 프랑스에서 가장 잘 보존된 건축물은 무엇이 있을까? 주로 돌다리들이다. 이런 유적들에는 모두 공통적인 건축 원칙이 하나 있다. 바로 돌로 만들어진 아치형 구조라는 것이다. / 76쪽물체가 쪼개지는 것은 보통 표면에 균열이 시작되고 그 균열이 재료 전체로 퍼져나가서 생긴 결과다. 유리와 같은 물질은 이러한 현상이 급격하게 진행되며 균열이 일어난 면은 매우 매끄럽다. 쉽게 말해 유리는 잘 깨진다. 이를 전문용어로 취성파괴(소형변형을 거의 하지 않고 일어나는 파괴－옮긴이)라고 한다. 반면, 고무찰흙과 같은 재질은 잡아당기면 모양이 되돌릴 수 없는 형태로 늘어나다가 결국 끊어진다. 이것을 연성파괴라고 한다. / 87쪽거미에게 있어서 식량은 목숨과도 같아서 먹을 것을 잡기 위해 설치하는 그물은 정교한 구조를 가지고 있다. 거미줄은 언뜻 보면 약해 보이지만, 실제로는 강철보다도 더 강하다. 거미줄의 직조 방법이 화학 섬유 산업에 크게 기여할지도 모른다. / 94쪽그런데 왜 연구자들은 젖은 머리카락의 응집을 조목조목 공들여서 연구할까? 사실, 머리카락이 저절로 다발을 만들어나가는 자기-조립 메커니즘은 우리 일상 속의 수많은 장치들 속에서 아주 작은 형태로 사용되고 있다. 한 예로 우리가 매일 사용하는 휴대폰의 수직을 기준으로 기울어진 정도를 알려주는 센서를 들 수 있다. / 107쪽두 알갱이 사이에 물 한 방울이 있으면, 이 물은 두 알갱이들 사이를 연결하는 다리를 만들어 약한 결합을 강하게 만들어준다. 액체는 자유롭게 그 모습이 바뀔 수 있어 알갱이의 표면에 존재하는 모든 굴곡에 맞춰질 수 있기 때문에 두 알갱이 사이의 접촉면을 매우 크게 증가시킨다. 이 결과로 발생하는 인력을 모세관 힘이라 부른다. / 173쪽도자기의 재료인 고령토는 세공하기가 쉽고, 또 구워놓으면 아주 날카로운 칼로도 흠집을 내기 힘들 정도로 매우 단단하고 내구성이 좋게 바뀌기 때문에 많은 사람들에게 사랑받고 아주 인기 있는 재료다. 어떻게 이것이 가능할까? 이에 대한 답은 고령토의 구성성분과 구조에 숨어 있다. / 198쪽2001년에 처참하게 붕괴된 세계 무역 센터의 두 건물과 꽃병 속의 꽃은 어떤 물리학적 관련이 있을까? 건축가들에게는 악몽과 같은 재난이 될 수 있는 역학적 불안정성이 바로 이 둘 사이의 공통점이다. / 214쪽장대는 도움를 하며 얻는 수평 방향으로의 속도를 수직 방향의 속도로 전환해준다. 또한, 도움닫기의 마지막 단계에서 선수는 장대의 한쪽 끝을 바닥에 꽂으면서 장대를 구부려 장대에 탄성을 만들어낸다. 그리하여 장대에 축적된 탄성 에너지가 점차 선수에게 전달돼 선수가 공중으로 날아오를 수 있게 한다. / 228쪽식물은 가만히 있는 것처럼 보이지만, 사실 움직일 수 있으며 때로는 격렬하게 움직일 수도 있다. 이런 움직임의 동력은 주로 식물 조직 안에서 나타나는 물의 이동에 기반한다. 식물의 세포막 사이로 물이 들어갔다 나오면 식물의 세포 조직들이 팽창하거나 수축하고, 이에 따라 전체적으로 식물의 모습이 천천히 변화한다. / 243쪽현이 충분히 펴져 장력이 약해지면 다시 활이 현을 붙잡아서 끌어당기고 또 떨어지는 과정이 반복된다. 이렇게 현과 활이 미끄러지는 ‘두 과정의 반복’이 운동의 한 주기를 형성하고, 이 주기가 악기가 갖는 음의 높이를 결정한다. / 255~256쪽화성의 모래 언덕은 사하라 사막의 모래 언덕과 모양은 똑같지만, 크기는 10배나 더 크다. 반면, 해저에 생기는 똑같은 모양의 언덕은 육지의 언덕보다 100배나 더 작다. 모래 언덕 모양의 이러한 보편성은 물리학자들에게는 축복이라 할 수 있다. 왜냐하면 여러 모래 언덕을 비교 연구하여 땅 위의 모래 언덕들이 어떻게 형성됐는지를 설명할 수 있는 모델을 확립할 수 있기 때문이다. / 265쪽찢어진 부분은 왜 항상 뾰족한 모양일까? 이 현상에서 가장 중요한 요소는 얇은 막의 역할이다. 이를 이해하기 위해 토마토를 살펴보자. 토마토 껍질을 벗기기 위해 껍질의 한 부분을 잡아당기면, 벗겨진 껍질이 세게 말려들어 간다. 얇은 막의 일반적인 특성대로, 늘어나는 것보다 휘어져 말리는 것이 쉽기 때문이다. / 281쪽얇은 막 위에 균열이 만드는 아름다운 무늬를 관찰해보자. 이러한 무늬는 일상생활 속의 여러 군데에서 볼 수 있다. 건물에 칠해진 페인트, 여러 제품의 투명한 유약, 태양 전지판의 보호 코팅 등이 있다. 하여간 이러한 균열은 서로가 연결된 복잡한 네트워크처럼 계층적인 구조를 만든다. / 297쪽의심할 여지 없이, ‘유리’하면 가장 먼저 떠오르는 것은 쉽게 깨진다는 특성일 것이다. ‘루퍼트 왕자의 눈물(Prince Rupert’s drop)’이라 불리는 유리구슬이 이 특성을 아주 잘 보여준다. 이 유리 방울은 한쪽 끝이 늘어나 가늘고 긴 꼬리를 가진 독특한 모양을 하고 있어서 마치 눈물이 굳은 상태로 시간이 정지된 것 같은 모습을 하고 있다. / 310쪽
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일상의 아름답고 예술적인 순간에 관해
4인의 프랑스 과학자가 들려주는 35가지 물리학 이야기건축물이나 건물, 샴페인 거품, 모래나 유리 같은 재료들, 거미나 새, 식물, 균열 등 우리 일상을 구성하는 대부분의 것을 자세히 들여다보면 아름다움이 숨어 있다. 꼭 자세히 관찰하지는 않더라도, 생활 속에서 마주치는 많은 사물 뒷면에 어떤 오묘한 아름다움이 숨어 있으리라는 느낌은 모두 다 느껴봤을 것이다. 이 숨겨진 아름다움은 자연적으로 나타난 것일 수도 있고, 때론 의도적으로 만들어졌을 수도 있다. 또한, 어떤 드러나지 않은 구조나 우리가 아직 파악하지 못한 어떤 기능의 산물일 수도 있다. 그냥 스쳐 지나가거나 무시할 수도 있지만, 이 아름다움 속에 어떤 물리학 원리가 숨어 있는지를 깨닫는다면 이는 과학이나 기술의 발전에 기여할 수 있다.이 책은 파리 산업 물리 및 화학 고등 전문학교의 연구원들이 팀을 이뤄 써낸 책이다. 그들은 저마다 솔방울의 춤, 비닐이 구불거리며 갈라지는 현상 등 일상 속의 아름다움에 관심을 가지고 이에 관한 물리학 원리를 분석하고 이를 책으로 써냈다. 저자들은 사물 속에 숨겨진 과학을 드러나게 함으로써 우리를 둘러싼 세상을 새롭게 바라볼 것을 제안한다. 우아한 석조 아치, 모래 알갱이, 그리고 활과 현이 만드는 진동 등 이 책이 다루는 35가지 주제는 모두 공통점이 있다. 바로 신비로운 우아함이 그 속에 자리 잡고 있다는 것이다. 그리고 다양한 분야에서 숨겨진 우아함을 밝혀내서 일상을 다르게 비추고자 했다.이 책을 관통하는 첫 번째 키워드는 바로 우아함(아름다움)이다. 우아함이라는 단어는 흔히 예술적인 측면을 연상하게 한다. 그러나 좀 더 큰 개념에서 본다면, 우리 주변의 많은 것이 우아함의 대상이 될 수 있다. 즉, 어떤 작품을 보고 느끼는 감정뿐만 아니라 운동선수의 기술, 수학적으로 잘 계산된 곡선의 모양 등 우리 일상의 많은 것이 우아함의 대상이 될 수 있다. 대상의 크기 또한 중요하지 않다. 작은 메뚜기가 탄성 에너지를 이용해 점프하는 모습이나 아주 얇은 밀푀유의 층에서부터 거대한 에펠탑의 형태, 흙으로 지어진 큰 건축물들까지, 우아함은 다양한 모습으로 나타나고 있다. 그리고 인공적인 것이든, 자연적인 것이든 대부분의 현상 속에는 우아함이 숨어 있다.이런 우아함을 단순히 감성적으로 느끼는 것을 넘어서, 이러한 현상에 작용하는 과학 원리를 분석하는 것은 현상의 발생 원인과 이용 방법을 찾아낼 수 있는 좋은 방법이다. 이에 파리 산업 물리 및 화학 고등 전문학교의 연구원인 4인의 저자는 이 책을 관통하는 두 번째 키워드로 물리학을 제시한다. 각각의 주제에서 사물의 형태, 그들에게 미치는 힘, 그리고 기능들을 멋지게 설명하는 데 만족하지 않고, 이 속에 감춰진 물리학적 현상과 원리를 분석해 이를 다양한 사례와 이론으로 풀어냈다. 이를 통해 보편적인 물리학 원리가 우리 일상에서 작용하고 있음을 알려주고, 다양한 크기에서 세상을 관찰하는 눈을 기르도록 유도한다. 과학적 탐구의 산물로 가득 찬 현대 사회에서 물리학에 대한 올바른 이해는 중요한 덕목이다.이 책은 크게 우리 일상의 여러 순간을 포착한 6개의 장으로 구성돼 있다. 첫 번째 장에서는 건축을 다룬다. 얇은 종이 1장이 장력을 견뎌낼 수 있도록 하는 과정에서부터 크기에 따른 압력의 증가, 장력 현상 등을 설명한다. 그리고 파리의 랜드마크인 에펠탑이 왜 그런 형태를 갖추게 되었는지를 설명함으로써, 자연적인 것이든, 인공적인 것이든 모든 건축물이 제각기 보여주는 아름다움이 어떤 원리로 인해 나타나게 되었는지를 설명한다.
한정된 양의 재료를 사용해 바람에 잘 견디면서도 가능한 한 가장 큰 구조를 만들려면 어떤 모양이 돼야 할까? 우리는 가늘고 긴 물체가 횡 방향이 아닌 축 방향으로 더 큰 힘을 감당해낸다는 것을 알고 있다. 예를 들어 나무 막대기를 부수려면 막대기의 축을 따라 당기지 말고 양쪽 끝을 잡아 무릎에 대고 힘을 가해야 한다. 다시 말해, 막대기 축에 직각 방향으로 영향을 끼치는 힘이 훨씬 더 위험하다는 얘기다.
무게 때문에 큰 건축물을 만드는 데 한계가 있는 돌로 높은 건물을 짓기 위해서는 모든 하중이 축 방향으로 향하게 하는 기둥이나 오벨리스크 모양이 가장 적합하다. 이렇게 ‘날씬한’ 모양은 여러 석조탑에서 흔히 볼 수 있다.
그러나 바람이 측면에서 불면 다른 건축 기술을 적용해야 한다. 그래서 에펠은 특정한 모양을 도입했다. 에펠탑의 4개의 모서리는 바닥으로 내려가면서 나팔 모양으로 벌어지고 각각 반 아치형이 되면서 버팀도리(건물이 무너지지 않게 외벽을 지탱하는 독립된 벽－옮긴이) 역할을 한다. 그때까지 모든 탑에 적용되던 직선 형태와 달리 이 새로운 모양은 탑의 꼭대기로 갈수록 가늘어진다. 1884년에 에펠은 엔지니어 2명과 함께 ‘300m 이상의 금속 철탑과 교각 건설을 가능하게 하는 새로운 방법’에 대한 특허를 출원했다.
- 건축의 대가들: 파리의 상징 에펠탑 중에서
힘이 만들어내는 예술은 두 번째 장에서 등장한다. 이 장에서는 샴페인을 따를 때 생기는 거품의 형성에서부터 소멸까지를 다루고, 사슬이 중력에 의해 만들어내는 현수선을 물리학 원리를 통해 풀어본다. 그리고 왜 현수선이 아름다우면서도 건축물에 사용되었을 때는 안정적인지를 자세하게 설명한다. 또한, 조개나 밀푀유에서 보이는 것처럼 얇은 층이 모여서 갖추는 힘을 이야기하고, 이런 현상이 현대의 소프트 화학이나 시멘트 벽돌에 이용되는 예를 분석한다.물체를 구성하는 구성품들인 끈과 알갱이의 이야기는 세 번째 장과 네 번째 장에서 등장한다. 세 번째 장은 끈을 주제로 해 굳이 전문적인 과학이 아니더라도 이런 원리를 실생활에서 이용하는 기술자들의 이야기를 다룬다. 거미줄이나 새들이 만드는 둥지가 보여주는 아름다움을 이용해 이를 직조 방법에 활용한 예나 인간의 몸의 굴곡에 맞춰 입체적으로 주름을 잡거나 옷을 재단하는 기술자들의 이야기가 이 장에서 다뤄진다. 즉, 끈이라는 키워드를 통해 병합 현상에 관한 이야기와 함께 이를 실생활에서 활용하는 기술적인 예를 중점으로 다루었다. 네 번째 장 역시 기술자들의 이야기를 다루는데, 알갱이를 주제로 해 작은 모래 알갱이가 어떻게 콘크리트라는 산업 기술의 재료가 되고 아름다운 유리를 구성하는 재료가 될 수 있는지를 이야기한다.다섯 번째 장과 여섯 번째 장은 물질 속에 숨어 있는 에너지를 다룬다. 물체나 식물이 휘어지거나 꺾이는 모습을 통해 에너지의 발생 원리와 전달 형태를 분석하고, 식물들이 이 방법으로 어떻게 씨앗을 뿌리는지 그 원리를 자세하게 설명한다. 그리고 이를 기반으로 만들어지는 바이메탈 기술을 소개한다. 한편으로, 활과 현이 만드는 진동을 통해 음악에 나타나는 물리학을 다루기도 한다. 여섯 번째 장에서는 파열을 중점적으로 다루는데, 선사시대의 우리 선조들이 이런 원리를 이용했다는 것을 알려주고 현대의 다이아몬드 가공법에도 이 원리가 적용되고 있음을 보여준다. 그리고 그림에 나타나는 균열, 루퍼트 왕자의 눈물에서 나타나는 유리의 비밀 등 다양하고 흥미로운 소재들로 내용을 마무리한다.실험을 통해 직접 경험해보는 물리학 원리
마지막으로 이 책의 특별한 점은 다양한 사례와 실험에서 찾아볼 수 있다. 이 책은 단순히 물리학 원리를 설명하는 것에 그치지 않는다. 일상 속에 숨어 있는 물리학을 다루는 만큼 다양한 사례를 소개하고, 관련 실험을 통해 직접 경험할 수 있도록 유도한다. 종이를 접어본다거나 캐러멜로 만들어보는 루퍼트 왕자의 눈물, 비눗방울 탁구 등 놀이 형태의 여러 실험을 통해 과학에 대한 흥미를 유도하고, 아름다운 현상들을 직접 체험해볼 수 있도록 권장한다. 특히 어려운 설명이나 난해한 이론 위주의 서술보다는 독자의 이해를 돕기 위해 최대한 쉬운 설명과 함께 관심 분야를 자유롭게 선택해서 읽을 수 있도록 내용을 나열식으로 구성했다.그만큼 이 책은 어려운 물리학 이론이나 제반 지식을 요하지 않는다. 저자들의 목표는 일상에서 매일 접하는 아름다운 예술적 순간들 속에 당신이 몰랐던 경이롭고 환상적인 과학 세계가 숨어 있다는 것을 알려주고, 이를 통해 다양한 크기에서 세상을 관찰하는 눈을 선사하는 것이다. 결국 숨어 있는 아름다움의 발견을 통해 우리를 둘러싼 세상을 다른 시선으로 보게 하는 것이 이 책의 목표다. 일상 속에 숨어 있는 경이로움을 깨닫는 과정에 함께해보자.