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세상은 왜 다른 모습이 아니라 이런 모습일까?

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품목정보

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발행일 2023년 12월 26일
쪽수, 무게, 크기 216쪽 | 354g | 138*214*13mm
ISBN13 9791166891953
ISBN10 116689195X

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저자 소개 (1명)

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우리 사는 세상이 저런 모습이 아니라 바로 이런 모습인 이유는 물리학의 상수가 딱 이 값이기 때문입니다. 만약 그렇지 않았다면 저도, 그리고 당신도 이 세상에 존재할 수 없습니다. 우리 모든 존재의 근원에는 물리학의 자연 법칙과 보편 상수가 있습니다. 물리학이 우주 어디에서나 같기 때문에 우리는 우주를 이해할 수 있습니다. 이 세상의 이해 불가능한 이해 가능성은 물리학이 우주 어디서나 같기 때문입니다.
--- p.10, 「들어가는 말」 중에서

항상 약속을 칼같이 지키는 친구와 아침 8시에 만나자고 약속하고 내가 약속 장소에 도착해서 본 시계가 8시 정각을 가리키는데 아직 친구는 보이지 않는다. 그런데 내 시계로 9시에 도착한 친구가 보여준 친구 시계는 8시를 가리킨다. 그러니까 빛의 속도가 느린 세상에서 언제 어디서 만나자고 약속을 정하려면 그곳을 향해 도대체 얼마의 속도로 가야 하는지도 함께 약속해야 한다.
빛의 속도가 빠른 세상, 아니 빛의 속도보다 우리가 무척 느리게 움직이는 지금 세상이 아무래도 우리에게는 무척 편리한 세상이다. 약속 시간을 정하기도 쉽고 매일 어딘가를 움직여도 우리 모두에게 시간의 흐름이 같은 지금 세상이 난 더 좋다.
--- p.28-29, 「1장 빛의 속도가 내가 가는 속도와 같다면」 중에서

중력은 당기기만 할 뿐 밀어내지는 않는다. 전자기력은 중력보다 크지만 많은 전하가 들어 있는 커다란 물체의 경우에는 서로 미는 힘과 당기는 힘이 더해지고 빼져서 전체 전자기력의 크기는 그리 크지 않을 수 있다. 그러나 중력은 많은 물질이 모이고 모여 커다란 물체가 되면 더해지기만 해서 그 크기가 엄청나게 커질 수 있다. 지구 주위를 도는 달의 궤도에 전자기력은 거의 아무런 영향을 미치지 않는다. 우리는 중력만을 이용해서 달의 운동을 정확히 설명할 수 있다.
우주를 이루는 큰 물체들 사이에 작용하는 힘은 중력만 생각하면 된다. 티끌 모아 태산이 되듯 중력은 엄청나게 커질 수 있다. 중력은 약하지만 큰 힘이다.
--- p.45, 「2장 중력이 100배나 큰 세상에서 우리는」 중에서

숭늉은 따뜻하게, 식혜는 차갑게 마셔야 제맛이다. 입을 대보면 뜨거움이나 차가움을 생생하게 느낄 수 있다. 이처럼 분명한 차이라도 ‘온도'라 불리는 정량적인 숫자의 형태로 표현하는 것은 사실 쉬운 일이 아니다(과학철학자 장하석 교수의 《온도계의 철학》이라는 책에는 온도를 표준화하기 위한 수많은 과학자의 고군분투가 자세히 설명되어 있다). '1 m의 길이는 이만큼이다'라는 표준적인 약속이 있어야 서로 다른 길이를 비교할 수 있듯이 온도도 마찬가지로 어떤 약속이 필요했다.
돌이켜 보면 흥미로운 제안이 많았다. 버터의 녹는점, 여름철 가장 더운 날의 기온, 혹은 프랑스 파리 관측소 지하실의 온도 등이 제안됐다. 심지어는 손을 넣고 견딜 수 있는 가장 뜨거운 물의 온도를 기준으로 사용하자는 엽기적인 제안도 있었다. 모든 물리학자의 존경을 한몸에 받는 뉴턴조차도 사람의 피의 온도라는, 지금 보면 시시각각 변해 신뢰할 수 없는 기준점을 제안하기도 했다. 누구나 체온은 하루에도 조금씩 변하고 여성의 경우는 생리 주기에 따라 체온이 규칙적으로 변한다.
--- p.78, 「4장 물은 언제 끓고 피는 언제 뜨거운가」 중에서

이 패러독스를 해결한 것이 바로 볼츠만의 엔트로피다. 엔트로피가 증가한다는 말의 의미는 이제 너무 자명해 보인다. S=kBlogW에 의하면 거시적인 세계에서 S가 증가한다는 뜻은 더 일어날 가능성이 큰 사건(즉 W가 큰 사건)은 일어나기 마련이라는 뜻이 되기 때문이다.
유리 조각이 바닥에 흩어진 상태에 해당하는 W는, 정확히 같은 유리 조각이 예쁘게 모여 컵을 이룬 상태에 해당하는 W보다 엄청나게 크기 때문에 거시적인 세계에서는 컵이 깨지는 방향의 변화만 관찰된다는 말이다. 엔트로피 증가의 법칙이라고도 불리는 열역학의 둘째 법칙은 ‘일어날 가능성이 큰 일은 일어나게 마련이다'로 바꿔 부를 수 있다. 바로 이것이 볼츠만이 우리로 하여금 깨닫게 해준 것이다.
--- p.118, 「6장 왜 일어날 일은 일어나는가」 중에서

대학생 때 전자의 전하량에 대해 기억나는 실험이 하나 더 있다. 바로 미국의 물리학자 로버트 밀리컨이 기름 방울을 이용해서 한 실험이다. 전하를 띤 기름 방울에 작용하는 중력, 걸어준 전기장에 의한 전기력, 그리고 움직이는 기름 방울에 작용하는 공기의 저항력을 함께 이용해서 기름 방울의 전하량을 측정한다. 대전된 기름 방울들의 전하량을 재보면 어떤 값의 정수배라는 점을 알 수 있고 이를 이용해서 전자의 기본 전하량 e를 계산했다. 이 실험에 관한 나의 결론은 ‘밀리컨은 정말 눈이 좋았다'였다. 눈에 보이는 그 많은 기름 방울 중 하나를 추적하면서 그 속도를 잰다는 것이 정말 어려웠기 때문이다. 나처럼 실험에 영 소질이 없는 사람이 아니라면 물론 좋은 결과를 얻을 수도 있다.
--- p.150-151, 「8장 우리 사이를 멀어지게 한 건 전자다」 중에서

원주율은 한 바퀴 빙 둘러 원의 둘레 C를 재고 이를 원의 지름 D로 나누어 얻어지는 숫자(𝝅=C/D)다. 원주율 p가 두 길이 C와 D의 비로 주어진다는 것이 아주 중요하다. 바로 이 이유로 둘레와 지름을, 현재의 국제 표준 길이의 단위인 ‘미터'로 재든, 아직도 국제 표준을 따르지 않고 있는 미국의 ‘인치'로 재든, 조선 시대의 ‘자'의 단위로 재든, 기독교의 구약 성서에 나오는 길이의 단위인 ‘규빗'으로 재든, 원주율 𝝅는 항상 같은 값을 얻는다. (길이의 단위는 𝝅=C/D의 분모와 분자 모두에 같이 있어서 약분되고 따라서 𝝅는 단위가 없는, 즉 ‘차원'이 없는 수다.) 이처럼 원주율 𝝅가 차원이 없는 수이기 때문에 수학적인 지식을 충분히 갖춘 문명이라면 지구의 고대 문명이든 우주 어딘가에 살고 있을 외계 문명이든 모두 𝝅가 얼마인지는 알고 있음에 틀림없다. 2시 방향을 𝝅/3의 각이라고 알려주면 외계인도 이해할 수 있다는 말이다.
--- p.165, 「9장 우주보다 먼저 존재한?」 중에서

원자의 크기를 결정할 때 중요한 역할을 하는 것이 보어 반지름인데 보어 반지름은 전자 질량의 역수에 비례한다. 즉 만약 전자의 질량이 1030배 정도 늘어난다면 보어 반지름은 10-30배로 줄어든다. 모든 원자의 크기가 이처럼 줄어들게 되므로 전자의 전하량이 줄어든 경우와 마찬가지로 모든 물체의 크기가 급격히 줄어든다. 지구의 크기가 양성자의 크기보다 더 작아진 세상이다.
--- p.183, 「10장 지구가 원자보다 커서 다행」 중에서

초전도체가 우리가 살아가는 일상의 온도와 압력에서 실현된다면 어떨까? 초전도체는 이미 우리 곁에서 널리 이용되고 있다. 병원에서 이용하는 자기공명영상Magnetic resonance imaging, MRI은 아주 큰 자기장 안에 인체를 두고 인체 안 물 분자의 자기 모멘트가 어떻게 운동하는지를 측정해서 영상을 만든다. MRI 장치가 작동하기 위해서는 아주 큰 자기장을 만드는 일이 중요하다. 이를 위해 MRI는 전자석의 원리를 이용한다. 큰 전류를 흘려서 자기장을 만드는 것이다. 하지만 보통의 물질로 강력한 전자석을 만드는 것에는 한계가 있다. 물질이 가진 전기 저항 때문에 큰 전류를 흘리면 엄청난 에너지가 열로 소모될 뿐 아니라 이를 해결하기 위한 엄청난 규모의 냉각 장치가 필요하다. 현재 많은 MRI 장치가 초전도 자석을 이용해 강력한 자기장을 만드는 이유다. 초전도체를 이용하면 전기 저항이 정확히 0이어서 열로 인한 에너지 소모가 없다는 장점이 있지만, 아주 낮은 온도를 구현해야 초전도 현상을 계속 유지할 수 있다는 문제가 있다. 현대의 MRI 장치는 값비싼 액체 상태의 헬륨으로 낮은 온도를 유지한다.
--- p.197-198, 「11장 벽을 뚫고 공중부양하는 물리학」 중에서

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