<사라지는 것은 없다. 변화할 뿐>
“떨림과 울림”中
<사라지는 것은 없다. 변화할 뿐> -“떨림과 울림”中
“물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리”
강 일 송
오늘은 어려운 물리(物理)를 대중들에게 친숙하게 이끌어주는 김상욱교수의 책을
다시 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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★ 에너지
뉴턴 역학에 의하면 등속으로 움직이는 물체의 운동은 그 자체로 자연스럽다.
마찰이 없다면 물체는 영원히 움직인다. 진자를 당겼다 놓으면 점차 진폭이 작아지다
결국 멈춘다. 마찰이 없다면 진자도 영원히 진동한다.
물리학자는 여기에 ‘에너지’라는 이름을 붙인다. 에너지는 영원불멸한다.
에너지보존법칙이다.
진자의 움직이는 운동에너지가 줄어드는 동안 그 에너지는 없어지는 것이 아니라
다른 형태로 바뀌게 된다. 그래서 등장하는 것이 ‘퍼텐셜 에너지(위치 에너지라고도
한다.)’다. 진자의 속도가 줄어드는 동안 운동에너지는 퍼텐셜 에너지로 전환된다.
결국 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합은 일정하고, 이렇게 전체 에너지는 보존된다.
★ 에너지보존법칙
움직이는 진자는 결국 멈춘다. 마찰 때문이다. 진자의 운동을 방해하는 것은 공기의
마찰이다. 진자의 움직임이 줄어드는 동안 주변 공기의 온도가 올라간다. 열이 발생
한다는 의미다. 진자의 에너지가 이번에는 열에너지로 바뀐 것이다.
앞에 있는 돌을 집어 들었다가 가만히 놓아보자. 돌이 낙하하다가 바닥에 부딪쳐
퍽 소리를 내고 멈출 것이다. 돌이 가진 운동에너지가 소리에너지와 열에너지로
바뀐 것이다. 처음 돌의 퍼텐셜에너지는 어디에서 왔을까? 당신의 손이 돌을 들어
올리는 동안 몸속의 에너지를 소모하는데, 정확히는 근육 내의 ATP가 분해되며
나오는 에너지다. 근육 내 ATP를 만드는데 필요한 에너지는 호흡으로 얻는다.
호흡은 유기물을 산소로 태워 에너지를 얻는 과정이다. 유기물은 우리가 먹은
음식을 분해하여 얻는다. 이것이 우리가 먹고(유기물) 숨을 쉬어야(산소) 하는
이유다.
유기물을 태울 때 에너지가 나오는 것은 유기물이 높은 에너지 상태에 있기
때문이다. 이런 높은 에너지 상태의 유기물을 만드는 것은 대개 식물의 몫이다.
식물은 광합성을 통해 유기물을 만든다. 식물도 에너지를 창조할 수는 없다.
광합성에 필요한 에너지는 햇빛에서 얻는다. 결국 지구상 모든 생명체의
에너지원은 태양이다.
태양도 에너지를 창조하지는 못한다. 태양에서는 핵융합반응이 일어난다.
수소 원자들이 결합하여 헬륨이 되면서 에너지가 생성된다. 수소들이 따로
흩어져 있는 것보다 헬륨으로 뭉쳐 있는 것이 에너지가 작기 때문이다.
그렇다면 수소의 에너지는 어디에서 왔을까? 수소는 우주의 탄생, 그러니까
빅뱅 때, 정확히는 빅뱅 후 38만 년이 지났을 즈음 만들어졌다.
빅뱅 당시 우주의 모든 에너지가 한 점에 응축되어 있었다. 이 에너지가
물질로 변환된 것이다. 결국 우리 주위의 모든 에너지는 빅뱅에서 기원한다.
에너지보존의 법칙이 알려준 놀라운 사실이다.
★ 대칭으로 본 세상
대칭은 기하학적 성질이다. 우리는 찌그러진 상자보다 반듯하게 대칭이 잡힌
상자를 좋아한다. 아름다운 얼굴이 되려면 좌우 대칭은 기본이다.
고대건축물들은 대칭의 아름다움으로 가득하다. 대칭이 많으면 간결해진다.
구는 반지름이라는 단 하나의 숫자로 표현된다.
수학자 조지 데이비드 버코프는 대칭의 정도로 아름다움을 수치화하려고 했을
정도다.
물리학자는 종종 어떤 물리이론이 아름답다고 말한다. 수식을 보며 아름답다고
말하는 사람도 있다. 대체 이들은 방정식에서 어떻게 아름다움을 찾는 걸까?
이론의 아름다움은 그것이 가진 간결함, 즉 대칭에서 온다.
올바른 인식은 적절한 대칭성을 갖는다. 이런 이론은 아름답다.
결국 아름다움은 진리다.
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오늘은 감성을 가진 물리학자, 김상욱교수의 책을 두 번째 리뷰를 해보려고
합니다.
오늘은 에너지에 관한 이야기였습니다. 본디 Energy의 어원은 그리스어
Ενέργεια(에네르게이아)로 운동, 활동, 힘을 뜻한다고 합니다.
에너지 보존의 법칙에 의해서 에너지는 어떤 형태로든 서로 변환되면서
사라지지 않고 보존된다고 하지요.
인간이 말하고 움직이는 데에도 근육내 ATP를 분해해서 나오는 에너지가
필요하고 이런 에너지는 우리가 먹은 음식이 그 근원이 될 것입니다.
이 음식도 다시 더 거슬러 올라가면 태양의 빛을 광합성을 통해 이루어지게
됩니다.
결국 모든 물질의 근원은 에너지가 된다는 말이고, 그 에너지는 전환되어도
항상 보존이 된다는 개념을 물리학에서는 말하고 있습니다.
그렇다면 지금 우리 몸을 구성하고 있는 원자들도 과거 이 지구상의 어느
생명체나 무생물에 존재하였던 원자들일 것이고, 지금 우리가 마셔 우리
몸을 이룰 물도 과거 어떤 존재에 있었던 것일 겁니다.
이를 철학적으로 본다면 곧 과거와 현재는 떨어져 있지 않고, 나와 남도
다르지 않음을 의미하지 않을까요?
오늘 글의 제목처럼 "사라지는 것은 없고, 변화할 뿐"이 될 것입니다.
오늘은 딱딱하게 여겨지는 물리학의 법칙에서도 인문학적 사고의 나래를
펼칠 수 있음을 보게 됩니다.
오늘도 평안한 하루 되시길 바랍니다. 감사합니다.
