맥주병에 충격을 가하면, 맥주병에 들어 있던 이산화 탄소 거품이 압력 변화로 말미암아 수천 개의 작은 거품으로 쪼개지고 그 맥주병은 맥주 거품을 뒤집어쓰고 희생양이 된다. 이 작은 거품들이 원자폭탄이 폭발할 때 형성되는 버섯구름과 유사한 소용돌이를 만들면서, 맥주에 포함된 이산화 탄소를 급속한 속도로 흡수함으로써 거품의 개수가 기하급수적으로 증가한다. 이러한 연쇄 프로세스 자체가 물리적 효과를 서로 강화시키며 이 프로세스의 진행 시간은 대략 1초 정도다. 그 결과 탄생한 것이 앞에서 얘기한 송년의 날 밤에 PS3 컨트롤러를 덮쳐 고물 신세로 전락시킨 거품 분수다.

이러한 프로세스는 사회적으로도 유용한 지식이다. 맥주나 탄산수와는 꽤 동떨어진 대형 장비 프로세스 혹은 자연 상태에서도 간혹 액체에 녹아 있는 기체 중 다량이 방출되는 사고가 일어나 처참한 일이 발생하기도 한다. 이러한 가슴 아픈 사건 중 하나가 1986년 8월 21일 카메룬공화국의 니오스호Lake Nyos에서 있었던 재해다. 니오스호의 깊은 수층水層에는 10만~30만 톤의 이산화 탄소가 용해되어 있었는데 이날 갑자기 폭발했다. 그 이유는 아직까지도 밝혀지지 않았다. 급격히 커진 이산화 탄소 구름이 밀려오면서 단 몇 분 만에 27km 반경으로 방출되어 숨 쉴 공기가 사라졌다. 이 재해로 약 1700명이 목숨을 잃었다.

‘맥주 태핑’ 모형 체계 연구를 통해 얻은 지식은 지질학자들에게도 유용하다. 이를테면 화산 폭발 프로세스를 이해하고 적절한 대책을 마련하여 카메룬에서 있었던 것과 같은 재해를 예방하는 데 활용될 수 있다. 맥주 거품이 넘치는 현상은 사소한 일처럼 보이지만 정확한 원리를 규명하려는 이 연구가 인류의 삶을 구원하는 데 기여할 날이 올지 모른다. ---「1장. 복수전이 시작됐다! 맥주병 충돌과 거품 발생의 원리」중에서

30분 후 우리는 다시 주방으로 집합했다. 맥주는 5병만 빼고 전부 냉장고에 집어넣었다. 그리고 맥주 5병을 최대한 빨리 마시기 좋은 온도로 냉각시키기 위해 모두 내 지시를 따랐다. 한 가지 방법은 상자에 들어 있는 얼음을 그냥 욕조에 들이붓는 것이었다. 그런데 욕조에 담긴 물에 비해 얼음의 양이 너무 적으면 온도 냉각 효과가 크지 않다. 이런 경우에는 최대 냉각 온도가 0°C다.

다 함께 건배를 나눌 첫 잔을 위해 더 신속하고 효과적으로 맥주를 냉각시킬 방법이 있다. 대부분은 알고 있겠지만 얼음은 소금과 닿으면 녹는다. 하지만 얼음, 물, 소금을 섞으면 원래의 얼음보다 온도가 훨씬 낮아진다는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 으깬 얼음주머니 하나만 있으면 맥주병 몇 개 정도는 금방 냉각시킬 수 있다. 가장 좋은 방법은 통 하나에 얼음을 가득 채우고 물을 약간 넣은 다음 소금 200g을 넣는 것이다. 이 혼합물이 고루 섞이도록 휘휘 저어주면 황금 비율은 아니더라도 몇 분 내에 ‘냉각 중탕’ 온도를 -8°C로 만들 수 있다. 이 혼합물에 맥주를 잘 담가놓으면 몇 분 만에 마시기 좋은 시원한 온도로 냉각시킬 수 있다. 그런데 얼음과 물의 혼합물에 소금을 첨가하면 혼합물의 온도가 더 떨어지는 이유는 무엇일까?

그 이유를 한마디로 설명하기는 어렵다. 냉각 중탕을 할 때는 여러 가지 효과가 동시에 일어나기 때문이다. 정확하게 말해 혼합물의 온도를 어는점 이하로 떨어뜨리고 냉각시키는 데는 주로 세 가지 효과가 관여한다. 소위 상전이, 발열 작용, 어는점 내림 현상이다. ---「2장. 맥주를 최대한 빨리 시원하게 만들어 마시는 방법 _동결제를 사용한 저온 냉각」중에서

아무튼 그날 저녁 톰에게는 먹을 복이 없었다. 그런데 이상한 점이 있었다. 하필 톰은 피자가 아니라 토마토 토핑에 입을 덴 것일까? 여러분도 비슷한 경험을 해봤을 테니 톰의 심정을 충분히 이해할 것이다. 피자 바게트나 피자를 오븐에 구우면 빵 부분은 먹기에 적당한 온도이지만 토마토소스나 토마토 토핑 부분의 온도는 엄청 뜨겁다. 그렇다면 같은 온도로 구워도 토마토가 빵 부분보다 더 뜨거워지는 것일까?

성능이 좋은 피자 오븐으로 피자를 구우면 뜨거운 부분의 온도는 500°C에 달하고 60~90초면 골고루 잘 구워진 피자가 완성된다. 2장에서 배웠던 물의 상전이에 대한 내용을 빨리 불러와보자. 아무리 높은 온도로 구워도 토마토의 최대 온도는 100°C다. 토마토는 대부분이 물로 이뤄져 있고 정상압에서 물이 완전히 증발되기 전까지는 온도가 올라가지 않는다. 치즈 등 피자의 나머지 부분은 대부분이 지방으로 되어 있기 때문에 120°C 혹은 150°C까지 온도가 더 올라갈 수 있다. 오븐에서 피자가 구워지는 동안 토마토 토핑 부분은 다른 부분보다 온도가 낮다. 온도가 더 높은 치즈 토핑 부분을 먹을 때는 멀쩡한데 토마토 토핑 부분을 먹을 때 입을 데는 이유는 무엇일까?

답은 토마토의 수분 함량이 90%에 달한다는 데서 찾을 수 있다. 오븐 속에서 토마토의 온도는 100°C를 넘지 못하지만 토마토 자체에 수분이 많아서 열을 저장할 수 있는 공간이 많다. 이 마법의 단어를 전문용어로 비열 용량specific heat capacity이라고 한다. 비열 용량은 일정 질량의 물질 온도를 1°C 올리는 데 드는 에너지를 말한다. 물은 1kg당 들어 있는 열량이 4.812kJ(킬로줄)이지만 지방은 이보다 훨씬 낮다. 식물성 기름은 1kg당 1.970kJ로, 물을 1°C 올리는 데 필요한 열량의 절반도 안 된다.
(…)
오븐에서 구운 직후 피자의 모든 성분의 온도가 100°C에 조금 못 미친다고 하자. 그리고 오븐에 넣기 전 피자의 모든 성분의 온도가 20°C라고 가정하자. 이 경우 토마토 토핑의 온도를 100°C로 올리려면 토마토 토핑 100g당 38.4kJ의 에너지가 필요하다. 반면 같은 양의 치즈의 온도를 100°C로 올리려면 17.6kJ의 에너지가 필요하다. 상온에 피자를 잠시 놔두면 에너지는 열의 형태로 다시 주변으로 배출된다.
하지만 토마토 100g보다 치즈 100g에 훨씬 더 많은 열에너지가 저장될 수 있다. 게다가 토마토는 치즈보다 훨씬 더 작은 면적에 열을 저장할 수 있다. 따라서 토마토가 열에너지의 형태로 주변에 열을 배출하는 접촉면은 훨씬 작다. 게다가 토마토는 치즈와 피자 도우 사이에 들어 있기 때문에 둘 다 열전도체로는 부적합하고 토마토는 주변 환경과 분리되어 있다.

그래도 일단 토마토뿐만 아니라 치즈가 냉각될 때 같은 양의 열에너지를 방출시킨다고 가정하자. 둘 다 저장된 열에너지 중 15kJ을 다시 방출시킬지라도 토마토의 온도는 69°C, 치즈의 온도는 32°C밖에 안 된다. 신선한 토마토는 수분 함량과 열용량이 높고 피자의 다른 부분보다 온도가 천천히 떨어지기 때문에 피자 토핑으로 적합한 것이다. ---「4장. 와인과 피자에서 얻은 지식 _마랑고니 효과와 비열 용량」중에서

맥주 캔을 따기 전에 캔 안에는 약한 정압, 즉 물체 면에 대하여 압축하는 방향으로 작용하는 압력이 있기 때문에 캔을 만져보면 단단하고, 맥주 캔을 딸 때 거품이 보글보글 끓어오르는 소리가 난다. 이외에도 우리는 CO2의 수용성은 온도와 압력의 영향을 받는다는 점도 알아야 한다. 온도가 낮고 압력이 높을수록 CO2가 물에 잘 녹는다. 우리가 맥주 캔을 따면 맥주 안에 있던 CO2가 약간 빠져나가면서 압력이 조절된다. 캔 안의 압력이 감소하면서 빠른 속도로 캔 외부의 정상 대기압으로 돌아간다. 압력이 감소하면 물에 녹을 수 있는 CO2의 양이 급격히 감소하고 맥주 캔 내벽에 달라붙어 있던 거품이 폭발적으로 증가한다.

맥주 거품의 크기가 어느 정도 되면 맥주 캔 내벽에 있던 거품이 튀어나와 공기 중으로 올라간다. 이 프로세스는 맥주 캔을 따고 불과 1초도 되지 않아 몇 번이나 반복된다. 공기 중으로 올라가던 거품이 맥주에 녹아 있던 거품과 만나면서 맥주 캔 밖으로 거품이 넘쳐흐르는 것이다. 모순처럼 들리겠지만 맥주 거품은 압력이 상승해서 넘치는 것이 아니라 갑작스레 압력이 감소해서 넘치는 것이다.

이 원리를 역으로 이용하면 맥주 거품이 넘치지 않게 할 수 있다. 사람들이 맥주 캔을 따는 모습을 관찰하면, 캔을 따기 전 자의반 타의반으로 따개 부분을 톡톡 두들기는 모습이 자주 눈에 띈다. 따개 부분을 이렇게 두들겨봤자 아무 일도 일어나지 않는다. 탄산 거품은 맥주 캔의 내벽에 달라붙어 있기 때문이다. 따개가 아니라 맥주 캔 몸통 부분을 손가락으로 힘차게 두들겨주는 것이 훨씬 더 효과적이다. 맥주 캔을 잠시 세게 흔들어주면 대부분의 거품이 맥주 캔 내벽에서 떨어져 나와 윗부분에 있던 거품과 만나 큰 거품이 만들어진다.

맥주 거품이 넘쳐흐르지 않게 하려면 먼저 위아래로 세차게 흔들어준 다음 몸통 부분을 손가락으로 세게 톡톡 두들겨주는 것이 가장 효과적이다. 물론 이렇게 한 다음 맥주 캔을 따면 거품 방울이 살짝 튀길 수 있다. 거품이 위로 상승할 때 따개 부분에도 거품이 만들어지기 때문이다. 하지만 맥주 거품 세례를 받지 않고 안전하게 맥주 캔을 딸 수 있다. ---「5장. 흔들어놓은 맥주 캔으로 하는 룰렛 게임 _관성 모멘트」중에서

파티의 흔적을 완전히 지우고 셰어하우스를 원상태로 되돌리기까지 일주일이 걸렸다. 물론 아직 완벽하게 정리되지 않았다. 날아간 지붕 벽돌의 빈자리는 여전히 메워지지 않았고, 큼지막한 레드 와인 얼룩과 이웃집 앞에 썩은 생선이 남긴 흔적은 지금도 선명히 남아 있어서 아직도 광란의 그 밤이 생각난다. 송년파티는 셰어하우스 생활의 하이라이트였다. 타투의 흔적 외에도 지하실에 쟁여놓았던 2,500개의 빈 병, 셰어하우스 생활을 하는 7년 동안 우리의 주식이었던 감자 샐러드. 이 모든 것은 네 명의 정신 나간 녀석들과의 추억 중 일부일 뿐이다. 나는 여러분이 이 책을 통해 물리학을 전혀 떠올릴 수 없는 곳에서 물리학을 만나고, 물리학이 더 이상 지겹고 복잡한 학문이 아니라, 때로는 재미있고, 쉽고, 흥미진진한 학문이라는 걸 알게 되었기를 바란다. 혹시 여러분 중 지금쯤 일상에서 접하는 현상들을 좀 더 자세히 관찰하고 이 현상들이 어떤 원리로 돌아가고 왜 그런지 흥미를 갖게 된 사람이 있을지 모르겠다. 작고 통통한 꼬마는 내키지는 않지만 매주 일요일 공동묘지를 산책하다가 물리학의 매력에 빠졌다. 여러분도 때때로 자연이 얼마나 매혹적인지 발견하는 시간을 갖기 바란다.

<B>물리학자의 밤에는 어떤 아찔한 과학 세계가 펼쳐질까?<br/>흔들어놓은 맥주 캔으로 하는 룰렛 게임부터, 칵테일 제조로 알아보는 색 혼합,<br/>이웃과의 폭죽 전쟁 속에서 발견한 운동량 보존의 법칙까지…<br/><br/>엉뚱하고 우스꽝스러운 어른들의 파티가, 물리학과 함께 한 편의 영화처럼 생생하게 다가온다!</B><br/><br/>과학자의 송년 파티는 어쩐지 조금 더 특별하고 똑똑해 보인다. 게임 한 판을 할 때에도, 폭죽놀이를 하거나 맥주 한 잔을 마실 때에도 어떤 현상의 원인과 결과가 철저히 규명된다. 온갖 오락거리로 가득한 파티도 물리학자에게는 신나는 과학 놀이터가 된다. 감산혼합, 가산혼합, 뉴턴의 진자, 마랑고니 효과, 계면장력, 상전이, 발열작용, 어는점 내림 현상까지…. 말만 들어도 어렵고 복잡한 이 과학 개념들을 저자는 맥주, 와인, 피자, 코코아, 헤비메탈, 장난감, 룰렛 게임 등의 요소에 자연스럽고 재치 있게 녹여냈다. <br/><br/>파티가 시작되는 저녁 6시부터 파티가 마무리되는 다음 날 오전 11시 반까지, 시간의 흐름에 따라 전개되는 크고 작은 소동들이 이 책에서는 놀랍게도 모두 물리학으로 설명된다. FIFA 게임에서 진 톰이 승자인 마테스에게 복수하기 위해 일부러 맥주병의 아랫부분을 세게 부딪혀 맥주거품을 솟아오르게 하는가 하면, 렘포트와 그의 좌충우돌 친구들은 고약한 냄새를 풍기는 수르스트뢰밍 통조림으로 직접 폭죽을 만들어 작년에 이웃집 셰어하우스 녀석들에게 진 빚을 고스란히 되갚기도 한다. <br/>그 밖에도 ‘냉각 중탕으로 최대한 빨리 시원한 맥주를 준비하는 방법은? 쓰다 남은 건전지를 바닥에 튕겨보면 방전 정도를 알 수 있다? 물, 우유와 달리 잔에 알코올음료를 따를 때는 왜 아치형 띠가 생길까? 왜 피자를 먹을 때 빵이나 치즈보다 토마토 토핑에 더 입을 잘 델까?’ 등 저자는 평범한 일상에서 비롯된 작은 호기심을 시작으로, 자칫 지루하고 딱딱할 수 있는 물리학 이론을 쉽고 재미있게 풀이해준다. <br/><br/><B>암호 같은 물리 화학 공식, 한 번도 성공한 적 없는 실험은 이제 그만!<br/>코코아 한 잔이면 흥미로운 물리학을 발견하기에 충분하다</B><br/><br/>물리학자들은 수동적인 관찰자가 아닌, 적극적인 실험자로서 일상의 사건들을 마주한다. 핫 초콜릿을 타다가 소리의 주파수 변화 현상을 밝혀낸 크로퍼드, 맥주병끼리 충돌시켰을 때 거품이 마구 치솟는 현상인 ‘맥주 태핑’을 규명한 스페인과 프랑스의 공동연구팀, 헤비메탈 콘서트의 모쉬핏과 서클핏에서 나타나는 인간의 집단행동을 연구한 미국 코넬대학교 물리학 연구팀 등 이 책은 과학자들이 단순한 일상생활 뒤에 숨겨진 물리의 복잡한 세계를 이해하기 위해 많은 노력을 기울인다는 사실을 보여준다. 또 수많은 과학자들이 기발하고 엉뚱한 소재에서 예상치 못한 세상의 원리를 발견해나가는 모습에서, 과학이 우리의 삶과 얼마나 밀접한 연관을 맺고 있는지 다시 한번 깨닫게 된다. 젊은 물리학자 렘포트는 사소한 일처럼 보이는 현상에서 정확한 원리를 규명하려는 연구가 앞으로 ‘인류의 삶을 구원’할 수 있을 것이라고 말하며 과학이 가져올 긍정적 미래를 예찬함과 동시에, 사람들이 물리학이라는 학문에 다시금 흥미를 붙이길 고대한다. <br/><br/>공식으로 가득 찬, 어렵고 따분한 물리학 공부에 지친 사람들도 한 번 이 책을 읽기 시작하면 손에서 놓기 힘들 것이다. 조금은 과격하지만 사랑스러운 등장인물들의 조마조마하면서도 웃음 터지는 일화들, 생뚱맞아보여도 일상생활에 매우 유용한 과학지식까지 흥미로움으로 가득하다. 마치 소설을 읽듯 술술 읽히는 이 책을 읽다 보면, 전혀 상상할 수 없던 곳에서 물리를 만나고, 물리학의 즐거움을 만끽할 수 있을 것이다.