<모든 순간의 물리학>
우리는 누구인가에 대한 물리학의 대답
<모든 순간의 물리학> 책으로 독서모임을 했다. 양자 물리학을 알고 싶던 내가 추천한 책이다. 초등학생 수업에서 양자 역학을 궁금해하는 아이들에게 원자와 입자의 차이를 질문받고 당황했기 때문이다. 이제는 원자, 입자, 양자의 차이를 설명할 수 있게 됐다. 모임에 있는 물리 전공자 덕분인데 그의 하드캐리를 후기에 다 담지 못해 아쉽다.
책 소개
쉽고, 아름답고, 명쾌한 ‘우주 미스터리’에 관한 거의 모든 것
『모든 순간의 물리학』은 20세기 이래로 물리학에 불어닥친 혁명의 두드러진 특징과 이로 인해 포문을 열게 된 새로운 문제와 신비를 살펴보는 책이다. 총 일곱 개로 구성된 강의는 20세기 물리학의 혁명을 일으킨 핵심 이론들뿐 아니라 가장 최근에 도입된 참신한 아이디어들까지 매우 간결하게 소개하면서도, 전체적으로 우주를 새롭게 이해하도록 해준다. 여러 가지 이론들의 단순한 나열이 아니라, 정반합의 변증법적인 변화 과정처럼 우주에 관한 새로운 그림을 향해 어떤 이론들이 탄생하고 상호 영향을 주고받아 변화하며, 결국 결합하여 새로운 이론이나 아이디어로 나아가는지 잘 보여주고 있다.. 현대 물리학을 거의 모르거나 아예 모르는 사람도 이해할 수 있도록, 전문적인 용어 사용을 절제하면서 일상생활에서 쉽게 접근할 수 있는 것에 대한 비유를 통해 아주 쉽게 설명하고 있다. [인터넷 교보문고 제공]
모임 내용은 다음과 같았다.
1. 인상 깊었던 부분과 이해가 안 되었던 부분
2. 상대성이론과 양자역학이란
3. 시간의 상대성을 느낀 경험
4. 우주에서 우리의 존재란 무엇일까
1.
인상 깊었던 부분과
이해가 안 되었던 부분
-과학책이지만 최대한 쉽게 풀어낸 책이고 분량도 많지 않아 부담 없었다. 무엇보다 수식이 없어서 좋다. 한편, 개념이 너무 간결하게 나와서 아쉽기도 했다.
-물리학을 전공했지만 10년이 지난 후에야 교수님 말씀을 조금 알 것 같다. 양자역학에 대해 1년 동안 들었지만, 여전히 어렵다. '양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다고 생각한다'는 과학자 리처드 파인만의 말이 위로가 된다. 이해를 못 한 것이 당연하다.
-책 마지막 부분이 우리의 존재에 대해 물어서 좋았다. 물리학과 철학은 뗄 수 없는 사이이다. 천체물리학을 공부하거나 우주에 다녀온 사람이, 그 오묘한 아름다움 때문에 신을 믿게 된다고 한다. 반대로 신을 믿던 사람이 우주에 가서 그 광대함에 안 믿게 되기도 한다고 한다. 우주를 공부하니 내 존재와 고민이 작게 느껴졌다. 여행할 때도 높은 산에 가거나 거대한 자연경관 앞에 서면, 나와 내 고민이 사소해 보이면서 의외로 해결되기도 한다.
물리학자들과 철학자들은 전 세계가 공통적으로 갖고 있는 현재에 대한 생각이 환상이며, 보편적인 시간의 '흐름'은 효력 없는 일반화라는 결론에 도달했습니다.. 객관적인 '여기'가 존재하지 않는 것처럼 아주 객관적인 상황에서는 '현재'가 존재하지 않습니다.. 우주는 과거와 현재, 미래의 장벽으로 보일 것입니다. 그러나 의식이 있는 존재인 우리 인간은 세상의 퇴색한 모습만 보기 때문에 시간을 살게 됩니다..
독자 여러분은 이해가 되시는지요? 아마도 아닐 것입니다. 아직 더 공부해야 할 것이 무척 많이 남았습니다.
/p.102-106
-예.. 이해가 안 되었습니다.. 학생 때 과학을 싫어했는데 다시 한번 확인했다. 아직 더 공부해야 할 것이 무척 많이 남았다. 그래도 이번을 계기로 과학 영상을 찾아보고 싶어 졌다.
공간 중에서 원자가 없는 빈 영역을 관찰해보면 이러한 입자들이 무리를 형성하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 그러니까 진짜 빈 공간, 완벽하게 빈 공간은 존재하지 않는 것입니다. /p.61
-빈 공간에 입자들이 있다는 얘기에 동양에서 말하는 기(氣)가 생각났다. 공기(空氣), 분위기, 온기, 냉기, 일기예보 등 항상 쓰는 개념이다.
2.
현대 물리학을 이루는 두 기둥인
상대성이론과 양자역학을
릴레이로 설명해보아요.
순서대로 설명해나가다가 말잇못 상태가 되어 막히는 순간.. 다음 사람에게 넘어가기
뉴턴은 무엇 때문에 사물이 추락하고 행성들이 회전하는 지를 설명하고자 했습니다. 그는 모든 물체에는 한쪽에서 다른 쪽을 당기는 '힘'이 있을 거라고 생각했고, 이 힘을'중력'이라고 불렀습니다. 멀리 떨어져 있는 두 물체 사이에 아무것도 없을 때 이 중력이 어떻게 작용하여 서로 끌어당기게 하는지 아는 것이 없는 상태에서, 위대한 과학의 아버지 뉴턴은 가설을 세우고자 이에 대해 신중하게 관찰했습니다. 그리고 물체들이 움직이는 공간이 텅 빈 거대한 통, 우주를 담은 하나의 거대한 상자를 상상했습니다. 혹은 어떤 힘이 가해져 이동 경로를 휘게 만들지 않는 한, 그러한 공간은 물체들을 똑바로 직선으로 이동하게 되는 선반이 아닐까 하는 생각을 했습니다. 당시 뉴턴은 이 '공간', 즉 세상이 하나의 거대한 통과 같은 공간이라는 생각은 했지만 이 공간이 무엇으로 이루어져 있는지 알지 못했습니다.
하지만 아인슈타인이 태어나기 바로 몇 해 전, 영국의 위대한 물리학자인 마이클 패러데이와 제임스 클러크 맥스웰, 두 사람이 뉴턴의 세상에 차가운 성분 한 가지를 추가했습니다. 바로 전자기장이었지요. 이 전자기장은 우리 눈에 보이지 않지만 전자기장이었지요. 이 전자기장은 우리 눈에 보이지 않지만 전자기파를 사방으로 퍼트려 공간을 채우고 있으며 때로는 진동을 하고 호수의 표면처럼 물결이 생기기도 합니다. 그리고 전력을 '주위에 전달'할 수도 있습니다. 아인슈타인은 어릴 때부터 전자기장의 매력에 흠뻑 빠져 아버지가 지은 전기 발전소의 회전자를 돌려보면서 중력에도 전력처럼 일정한 범위, 즉 '장(field)'이 있다는 것을 일찌감치 눈치챘습니다. 다시 말해 '전기장'과 동일한 '중력장'이 존재하는 것입니다. 이러한 것을 깨달은 아인슈타인은 이 '중력장'이 어떻게 만들어지고 어떤 방정식을 이용해야 이것을 설명할 수 있을지 알아내려 했습니다.
그 과정에서 그는 아주 특별한, 진정 천재적인 발상을 하게 됩니다. 중력장이 공간 속에서 확산되는 것이 아니라 중력장 자체가 공간이라는 것입니다. 이것이 바로 일반상대성이론의 개념입니다. 그에 따르면 사물이 이동하는 뉴턴의 '공간'은 중력을 갖고 있는 '중력장'과 똑같은 것입니다. 세상 사람들이 경악할 정도로 단순화된 대단한 발상이었습니다. 이제 공간도 물질과 다를 바 없는 것이 된 것입니다.
본문 19쪽 그림태양은 자신의 주변 공간을 굴절시키고, 지구는 신비로운 힘에 이끌려서가 아니라 기울어진 공간 속에서 직선으로 주행하기 때문에 태양의 주위를 돕니다. 이해가 잘 안 되면 깔때기 속에서 작은 구슬이 구르는 모습을 상상해보세요. 구슬이 구르는 것은 깔때기의 가운데 부분에서 신비한 '힘'이 나와서가 아니라 깔때기 벽면이 곡선이기 때문입니다. 행성들이 태양의 주위를 돌고 물체가 바닥으로 떨어지는 것도 공간이 곡선을 이루고 있어서입니다. /p.16-19
-왜 저자는 아인슈타인의 상대성이론을 '세상에서 가장 아름다운 이론'이라 했을까? 뉴턴은 현상을 관찰해서 이론을 도출해냈다면, 아인슈타인은 '음, 이런 거 아닐까?'하고 상상해서 이론을 만들었다. 26쨜에 6개의 논문을 발표했다. 천재나 외계인같다. <백 투 더 퓨처> 영화처럼 미래에서 온 게 아닐까. 한편, 하루에 4시간 이상 자는 날이 없었다고 할 정도로 노력도 많이 하였고, 같은 분야에 있던 부인 공도 컸다고 한다.
-아인슈타인이 100년 전에 말한 중력파가 작년에야 관측되었다. 이건 놀라운 일이다. 중력파는 실험할 수가 없는 게, 평평한 공간에 놓여있던 어떤 질량이 위로 들어 올려졌을 때의 진동으로 알 수 있는 것이기 때문이다. 어떤 질량이 갑자기 없어질 수가 없는 것이다. 예를 들면, 물에 반쯤 잠긴 골프공을 2cm 위로 올려 들었을 때 생기는 물결의 변화를 수 천 km 밖에서 감지하는 것과 같다. 13억 광년 떨어진 지점에서 벌어진, 두 블랙홀의 충돌에서 유발된 ‘시공간의 출렁임’인 중력파가 지구에 도달한 것을 검출하려면 정밀해야 된다. 미국의 라이고 연구소에서 어떻게 검출했냐면 길이 4㎞의 레이저를 ‘ㄱ’ 자 모양의 두 방향으로 쏜 다음 거울에 반사시켜 되돌아오는 동안 변화를 감지했다. 이때 중력파가 지나가면 레이저가 비뚤어지게 돼는 걸 보고 파악한 것이다.
-중력이 세면 빛이 휜다는 것을 개기 일식 때 관측했다. 0cm에서부터 50cm 되는 곳에 태양이 있고, 55cm 되는 지점에 별이 있다고 가정해보자. 평소엔 태양이 너무 밝아 볼 수 없다. 개기 일식 때 관측해보니 빛이 휘어와서 별이 75cm에 있는 것처럼 느껴졌다. 하지만 기존에 별의 위치가 55cm에 있는 걸 알고 있으니, 태양 근처의 중력 때문에 빛이 휘어진단 것을 알게 된 것이다.
-과학 분야에서도 학회의 파워가 중요하다. 당시에 아인슈타인 얘기에 귀 기울여주는 사람이 별로 없었을 것이다. 볼츠만도 열에 대해 발표했지만, 꼬꼬마 신입이어서 힘 있던 마하에게 무시받았다. 책 94쪽에도 나오듯 그는 그렇게 인정받지 못하고 자살했다.
공간뿐 아니라, 시간도 곡선이 됩니다. 아인슈타인은 지구 대기권 밖처럼 중력이 약한 곳에서는 시간이 빨리 흐르고, 반대로 중력이 센 지구 표면에서는 시간도 천천히 흐른다고 예측했습니다. 이 또한 실제로 측정되어 사실로 밝혀졌습니다. 아주 약간의 차이이기는 하지만, 쌍둥이 중에서도 산에서 산 사람은 바다에서 산 자신의 형제보다 더 나이 들어 보일 것입니다. /p.21
-영화 <인터스텔라>에서 아빠가 우주에 다녀오는 동안 딸이 더 늙어있다. 주인공이 우주선 밖에 다녀오는 동안 우주선 안의 동료에게 8년이 흘렀다는 장면도 있다. 영화에 상대성 이론, 암흑물질, 중력파 등의 개념이 다 들어있다. 중력장을 모래로 보이는 부분이 천재적이다. 전자기장을 자석에 철가루를 뿌리면서 알게 되듯이 말이다. 웜홀과 블랙홀 표현 또한 대단하다.
양자역학은 정확히 1900년에, 적극적인 사고방식의 시대가 열리던 무렵에 사용되기 시작한 말입니다. 독일의 물리학자 막스 플랑크는 뜨거운 열 상자 속에서 균형 상태에 있는 전기장을 계산했습니다. 그런데 이 계산에는 한 가지 트릭이 사용됐지요. 바로 전기장의 에너지가 '양자(더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량 단위. 이를테면 광자는 빛의 단일 양자.)'와 같은 덩어리 형태로 분포되어 있다는 상상을 한 것입니다.
'에너지 덩어리'가 실재함을 깨닫게 한 것은 5년 후 아인슈타인에 의해서였습니다. 아인슈타인은 빛이 무리를 이루어, 즉 빛 입자들이 모여 만들어진다는 것을 증명했습니다. 이것이 현재 우리가 '광자(photon)'라고 부르는 것입니다.
1910년대와 20년대를 지나면서부터는 덴마크의 닐스 보어가 양자이론을 발전의 길로 이끌게 됩니다. 원자 속 전자 에너지도 빛 에너지처럼 '양자화'된 일정한 값만 취할 수 있고, 무엇보다 전자들이 특정한 에너지 값만을 허용하는 원자 궤도에 있는 한 원자 궤도에서 다른 원자 궤도로 '점프'만 할 수 있음, 점프를 하는 동안 광자를 방출하거나 흡수한다는 사실을 알아낸 사람이 바로 닐스 보어입니다. 이것이 그 유명한 양자 도약(quantum leap)'입니다.
새로운 이론의 방정식을 처음 쓰기 시작한 것은 매우 젊은 독일 출신의 천재 베르너 하이젠베르크인데, 현기증에서 얻는 아이디어를 바탕으로 했습니다. 그는 전자가 언제 어느 곳에나 존재하는 것은 아니라고 생각했습니다. 그저 다른 무엇인가가 전자들을 봐줄 때, 즉 무엇인가와 상호작용을 일으킬 때만 전자가 존재한다고 생각했습니다. 전자는 어느 한 장소에서 무엇인가에 부딪히면 물질화되는데, 이때 물질화된 수치를 계산할 수도 있습니다. 한 궤도에서 다른 궤도로의 '양자 도약'은 실제로 전자들이 존재하는 방식입니다. 한 전자가 다른 무엇인가와의 상호작용으로 도약을 하는 것입니다. 하지만 방해하는 요소가 아무것도 없으면 정확히 어느 장소에 존재한다고 말할 수 없지요. /p.29-34
-관찰자 효과가 너무 신기하다. 내가 측정하기 전까지 입자성과 파동성을 동시에 갖는 중첩 상태라니 말이다. 대체 왜, 어떻게 그럴까. 아인슈타인도 신은 주사위 놀이를 하지 않는다며, 확률로 있을 수 없다고 반대했다. 두 이론을 통합하려는 시도가 멋지다.
-양자역학은 '우리 가운데 누구도 제대로 이해하지 못 하지만 사용할 줄은 아는, 무척 신비스럽고 당혹스러운 학문'이라는 머리 겔만의 말에 동의한다. 원리는 모르지만 컴퓨터, 스마트 폰 등으로 매일 사용하고 있다는 점이 흥미롭다.
+이해에 도움될만한 추가 자료
-지대넓얕 팟캐스트: 인터스텔라 편(특수/일반상대성이론), 중력파, 암흑물질 편
http://www.podbbang.com/ch/7418?e=22250873
-내셔널 지오그래픽 채널, '브라이언 그린의 우주의 구조, 양자 도약' 다큐
3.
시간의 상대성을 느낀 경험을 공유해봐요.
뜨거운 난로에 손을 올리고 있으면
1분이 1시간 같을 것이다.
하지만 아름다운 미녀와 이야기하고 있다면 1시간이 1분 같을 것이다.
-아인슈타인
-군대. 무슨 말이 더 필요한가요..
-나이 들수록 시간이 시간이 빠르게 지나간다. 단순한 기억력 감퇴가 아니라, 똑같은 생활을 반복해서가 아닐까? 아이들은 매 순간이 새롭고 소중하니까 하루가 길다.
-회사에서의 시간은 느리게 가고 월급날은 늦게 오지만, 주말은 순식간에 지나간다.
-대리일 때 퇴사했는데, 당시 신입사원이던 아이가 팀장이 됐다. 퇴사하며 이 독서모임을 시작했는데 벌써 3년이 되었다. 세월이 빠르다.
-첫눈에 반한 상대와 음식점에 들어서서 안부를 묻다가 시간 가는 줄 모르고, 1시간 동안 주문도 안 하고 대화에 빠져있었다.
시, <사랑의 물리학>4.
마지막 장에서 저자는
인간의 존재에 대해 설명하면서
질문을 던집니다.
우리는 무엇일까요?
느끼고 판단하고, 울고 웃는 인간 존재인 우리는 현대 물리학이 제공하는 세상이라는 이 거대한 벽화 안에서 어떤 위치에 놓여있을까요?.. 우리 역시 그저 양자와 입자만으로 만들어졌을까요? 그렇다면 각자 개별적으로 존재하고 스스로를 나 자신이라고 느끼는 이유는 무엇일까요? 우리의 가치, 꿈, 감정, 지식은 또 무엇일까요?
이 거대하고 찬란한 우주에서 우리는 무엇일까요? /p.112-113
-교회에 다니기 때문에 영혼을 믿는다. 성경에서 말하는 듯이 인간은 원죄를 갖고 태어났다. 새벽 예배마다 내가 원하는 것에 대해 기도를 드린다. <시크릿> 영상처럼 끌어당김의 법칙으로 많은 것이 이루어졌다.
-모두가 무조건 구원받을 거라 생각하지 않는다. 회사로 비유하자면, 사원 급 영혼은 지구에 머무르고, 노력해서 팀장 급 영혼이 되면 더 좋은 신의 세계로 갈 수 있을 것 같다. 이번 생에 내가 어떻게 살아가는지, 영혼의 품격에 따라 결정될 것이다. 천국과 지옥의 개념은 행동에 대한 책임을 뜻하는 은유라고 본다.
-과학 분야에 있고 종교는 없지만 영혼이 있을 것 같다. '왜' 그런 현상이 있냐는 모든 missing link에 '신'을 대입하면 모든 게 해결된다. 과학은 아직 많은 것을 밝혀내는 중이다.
결정을 내리는 '나'는 세상 속에서 스스로를 비춰보고 스스로를 대변하며, 스스로 변화무쌍한 관점에 따라 정보를 관리하고 표현 방식을 구축하는, 즉 뇌의 구조를 구축하는 존재임을 스스로 인식함으로써 형성되는 '나'자신입니다. 결정을 하는 것이 '바로 나'라는 느낌을 받을 때가 가장 바람직합니다. /p.126
-양자역학에서 말하는 관찰자 효과처럼, 우리는 세상을 인식하고 의미를 부여하는 존재다. <어린 왕자>에서 어린 왕자를 통해 의미를 갖게 된 행성의 꽃처럼, 김춘수 시인의 <꽃>처럼. 사물 간의 에너지, 상호작용이 주변에 영향을 주고 나아가 우주에도 영향이 있을 것이다. 지금 내 선택들이 나의 세상을 만들어간다. 스티븐 호킹과 미치오 카쿠가 말한 <평행우주>, 다중우주 이론을 흥미롭게 받아들였다.
인간 존재인 '우리'는 일단 이 세상을 바라보는 주체이고, 이제까지 내가 기록한 현실이라는 사진의 공동 작가입니다. 우리는 이 책의 한 부분을 차지하는 한 조각으로, 하나의 거대한 교환 네트워크에서 이미지와 수단, 정보, 지식을 전달하는 매듭 역할을 합니다. 그러나 우리는 세상 밖의 관찰자가 아니므로, 우리 눈앞에 보이는 것이 이 세상의 전부이기도 합니다. 우리는 세상 속에 있습니다. 이 세상을 보는 우리의 관점은 세상 안에 있습니다. 우리도 산 위의 소나무나 은하 속의 별들이 교환하는 것과 똑같은 원자와 광신호로 이루어져 있습니다. /p.114
-미시 세계의 원자 구조에서 핵을 중심으로 전자가 있듯이, 거시 세계의 태양계 우주에서 태양을 중심으로 지구가 공전하고 있다. 그 모습이 같아 보인다. 나를 이루는 하나하나의 원자가 우주와 같은 것이다. 우리는 어마어마한 소우주이다.
-'우리도 산 위의 소나무나 은하 속의 별들이 교환하는 것과 똑같은 원자와 광신호로 이루어져 있다'라고 하듯이 모두 연결되어있다. 자신은 나비가 된 꿈을 꾸고 있었는지, 그렇지 않으면 지금의 자신은 나비가 꾸고 있는 꿈인지 모르겠다던 장자의 호접지몽 같다.
-우주에서 봤을 때 인간은 정말 작은 티끌이다. 너무 사소하고 미미하게 느껴질 수도 있다. 하지만 나는 이 순간을 즐겁게 사는 '행복한 티끌'이 되기로 했다!
우리가 탐험한 이 화려하고 놀라운 세상,
공간이 하나하나 떨어져 있고,
시간이 존재하지 않으며 사물이 어떤 공간에 있지 않을 수도 있는 이 세상은
우리와 멀리 떨어져 있지 않습니다.
타고난 우리의 호기심이 보여주는 모든 것이
우리의 집, 우리의 자연입니다.
우리 존재도 자연에서 일어나는 일들을 통해 만들어졌습니다.
우리도 다른 사물들과 똑같이 별가루로 만들어졌고,
고통 속에 있을 때나 웃을 때나 환희에 차 있을 때나
존재할 수밖에 없는 존재로서 존재할 뿐입니다.
모임 회식 날이라 함께 저녁을 먹으러 갔다. 버건디라는 버거집은 신의 한 수였다. 음식 비주얼, 맛과 분위기(심지어 재즈 음악)까지 최고였다. 다들 여행 와있는 기분이라며 좋아했다. 헤헤
(바나나가 들어있는 오랑우탄 버거 추천!)
다음 모임에서는 각자 책을 소개할 예정이다.
