<떨림과 울림>

“물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리”

<떨림과 울림>
“물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리”

                                                           강 일 송

오늘은 보통 어렵게 여기는 학문인 물리(物理)를 대중들에게 친숙하게 이끌어주는
김상욱교수의 책을 한번 보려고 합니다.

저자인 김상욱(1970~)교수는 서울에서 태어났고 고등학생 때 양자물리학자가 되기로
마음 먹은 후, 카이스트 물리학과를 졸업하였고 같은 대학원에서 ‘상대론적 혼돈 및
혼돈계의 양자국소화에 대한 연구’로 박사학위를 받았습니다. 이후 포스텍, 카이스트,
독일 막스플랑크 연구소 연구원, 서울대학교 BK조교수, 부산대학교 물리학과 교수를
거쳐, 2018년부터 경희대학교 물리학과 교수로 재직중입니다.

최근 방송에서 <알쓸신잡>이라는 프로그램으로 대중들에게 많이 알려졌고
저서로는 <김상욱의 과학공부>, <김상욱의 양자 공부> 등이 있습니다.

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★ 우주는 떨림이다.

우주는 떨림이다. 정지한 모든 것들은 모두 떨고 있다. 수천 년 동안 한자리에
말없이 서 있는 이집트의 피라미드는 떨고 있다. 그 떨림이 너무 미약하여 인간의
눈에 보이지 않을 뿐 현미경으로 들여다보면 그 미세한 떨림을 볼 수 있다.

소리는 떨림이다. 우리가 말하는 동안 공기가 떤다. 눈에 보이지 않지만 공기의
미세한 떨림이 나의 말을 상대의 귀까지 전달해준다.
빛은 떨림이다. 빛은 전기장과 자기장이 시공간상에서 진동하는 것이다.
사람의 눈은 가시광선 밖에 볼 수 없지만 우리 주위는 우리가 볼 수 없는 빛으로
가득하다.
우리는 전자기장의 떨림으로 둘러싸여 있다. 세상은 볼 수 없는 떨림으로 가득하다.

진동은 우주에 존재하는 가장 근본적인 물리현상이다.
공학적으로도 많은 중요한 응용을 갖는다. 따지고 보면 전자공학의 절반 이상은
진동과 관계된다. 이공계대학에서 배우는 수학의 대부분이 진동을 이해하기
위한 것이라 해도 지나치지 않다. 진동은 떨림이다.

★ 빛

빛이 탄생한 건 138억 년 전이다. 하지만 우리는 불과 150년 전 빛이 무엇인지
알게 되었다. 우리는 대부분의 정보를 빛을 통해 얻는다. 천문학에서 우주에 대해
얻는 정보는 대부분 빛을 통해서다. 과학은 빛에 빚졌다고 할 수 있다.
인간의 오감 중 가장 중요한 감각도 시각이 아닐까? 우리 뇌의 60% 가까이가
시각 처리에 쓰일 정도다

빛은 직진한다. 물체를 떠난 빛은 일직선으로 진행하여 눈에 도달한다.
뇌에서는 빛이 일직선으로 진행해 왔다는 가정하에 물체의 모습을 재구성한다.
이 때문에 수많은 착시가 일어난다. 예를 들어 돋보기로 보면 물체가 커 보인다.
돋보기의 유리 표면에서 빛의 방향이 바뀌었지만, 눈은 빛이 꺾이지 않고 직진해
왔다고 생각한다. 결국 물체가 존재하지도 않은 곳에서 빛이 출발했다고 착각
하는 것이다. 이처럼 빛이 꺾이는 현상을 ‘굴절’이라고 한다.

빛은 주파수에 따라 마이크로파, 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선
등 여러 종류로 나뉜다. 우리는 이 가운데 가시광선만 볼 수 있다.
세상에는 우리에게 보이는 빛보다 보이지 않는 빛이 더 많다.

★ 빛의 진동

뉴턴은 운동법칙을 만든 것으로 유명하지만, 빛을 제대로 연구한 서양의 첫
과학자이기도 하다. 진동수가 다른 빛은 굴절하는 정도가 다르다.
이것을 ‘분산’이라고 한다.

예를 들어 유리 표면에서 빨강색 빛은 조금 꺾이고 보라색 빛은 많이 꺾인다.
그래서 빛이 프리즘을 지날 때 색깔별로 분리된다.
흰빛은 여러 색의 빛이 모인 것이다. 빛은 그 자신이 이미 모든 색을 가지고 있다.
물체가 색을 갖는 이유는 특정한 색의 빛만 반사시켰기 때문이다.

빛은 파동이다. 파동은 진동이 공간으로 전파되는 것이다. 목에 손을 대고 소리를
내보면 그 떨림, 진동을 느낄 수 있다. 소리도 파동이다.
즉, 빛은 소리와 비슷하게 행동한다.
소리는 진동수에 따라 음이 달라지고, 빛은 진동수에 따라 색이 달라진다.
아주 느리거나 빨리 진동하는 소리는 인간이 들을 수 없다. 이런 소리를 초음파라
한다. 들리지 않는 소리가 있듯이, 보이지 않는 빛이 있다.
눈에 보이거나 귀에 들리는 것이 세상의 전부는 아니다.

★ 고유한 진동수를 가지는 물체

거리의 가로수는 움직이지 않는 것처럼 보이지만 떨리고 있다. 정지한 물체는
모두 진동한다. 당신이 있는 건물도 진동하고 있다. 진동이 너무 작아 못 느낄
뿐이다.

모든 물체는 고유의 진동수를 갖는다. 물체의 고유진동수로 그 물체에 진동을
가하면 진동이 엄청나게 증폭된다. 이것을 ‘공명,共鳴’이라 한다.
TV나 라디오의 채널은 고유진동수를 가진다. 방송사에서는 각 채널에 고유한
진동수의 전파를 내보낸다. 특정 채널의 고유진동수와 라디오 수신기의 고유
진동수가 일치하면 공명이 일어나서 그 채널의 신호만을 수신하게 된다.

색을 볼 때, 우리 눈에서도 공명이 일어난다. 사람의 눈은 빨간색, 녹색, 파란색을
볼 수 있다. 눈에는 세 종류의 원추세포가 있으며 각 세포들은 세 가지 색에서
각각 공명을 일으킨다. 공명으로 만들어진 전기신호가 뇌로 이동하고, 뇌에서는
어떤 색의 빛이 망막의 어디에 도달했는지 알게 된다. 비록 뇌는 머리 안에 갇혀
있지만 이렇게 바깥 세상의 모습을 재구성할 수 있다.

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오늘은 과학 중 물리학에 관한 이야기를 함께 보았습니다.
저자는 경희대학교 김상욱 교수로 <알쓸신잡>이라는 프로그램에 출연하여 대중
들에게 과학을 쉽게 풀이해주는 교수로 알려졌습니다.

어떻게 보면 물리학이야말로 자연을 이해하는 가장 기본적인 학문 중 하나라고
할 수 있습니다.  물리(物理)라는 말은 한자 그대로 '사물의 이치'를 연구하는데
그 기본에는 수학(數學)이 바탕이 된다고 합니다.
어려운 학문의 대명사처럼 여겨지는 학문이지만, 저자인 김교수는 일반인도
이해하기 쉽게 다양한 이론을 풀어줍니다.

오늘은 책 제목에서 나오듯이, 우주의 모든 물체는 고유의 진동수를 가지고 있고
진동, 즉 떨림이라는 현상을 갖고 있다고 합니다.
빛과 소리조차 떨림 현상이니, 우리는 이런 떨림 현상 속에서 존재하고 있음을
알 수가 있습니다.

빛의 진동수에 따라서 색깔이 달라지고, 소리는 진동수에 따라서 음이 달라지니
우리가 알고 있는 음악, 미술 등의 예술은 진동, 떨림 현상이 없으면 존재할 수
없겠습니다.  또한 TV나 라디오 방송도 진동, 공명 현상이 없으면 보고 들을 수
없으니 현대의 미디어도 모두 이 현상 안에 포함되어 있네요.

인간의 시각, 청각은 너무나 한계가 뚜렷해서, 우리 주위의 빛 중 가시광선만 볼 수
있고 나머지 대부분의 빛은 인식하지 못합니다.  또한 청각도 마찬가지로 가청
진동수 외의 초음파 등은 전혀 인지하지 못하지요.

우리 뇌는 두개골이라는 어두컴컴한 동굴 속에 갇혀 있고, 외부에서 들어오는
빛과 소리의 자극을 재구성하여 이미지와 소리를 인식한다는 뇌과학자의 말은
그 유명한 플라톤의 동굴 이야기를 떠올리게 합니다.

이런 다양하고 깊은 학문적 내용을 접하다보면, 과연 인간이란 존재가 얼마나
약하고 부족한 존재이며, 많이 알고 있다고 스스로 자화자찬하지만 도대체
이 우주의 진리와 지식 중 인간이 아는 것은 얼마나 될까 하는 생각이 절로 듭니다.

다음에 한 번 더 이책의 내용을 다루어 보겠습니다.

감사합니다.