열 역학 제1법칙은 놀이공원 주인에게는 기쁜 소식이지만, 다이어트를 하려는 사람들에게는 재앙과 같습니다. 이 법칙에 따라, 롤러코스터는 높이 올라갈수록 빨리 내려옵니다. 동시에 제1법칙은 음식을 통해 몸 안으로 들어온 화학 에너지는 일에 쓰이거나(운동을 할 때) 아니면 (뱃살로) 저장된다고 가르쳐줍니다. 매년 수없이 선보이는 다이어트 방법이 실패로 돌아간다는 사실은 열 역학 제1법칙의 위대함을 증명하며, 또한 그것을 피하려는 노력이 얼마나 헛된 일인가를 일깨워주기도 합니다. - 열쇠2 에너지(52쪽에서)

지구의 지속적인 변화를 추진하는 동력은 방사성 원소 등의 핵이 끊임없이 붕괴하는 지구 내부 깊숙한 곳에서 생성됩니다. …… 오랜 세월 동안 관찰해보면 우리가 딛고 서 있는 이 지구는 난로 위에서 끓고 있는 물 주전자와 조금도 다르지 않습니다. 맨틀이라고 불리는 지구의 내부를 들여다보면, 지각은 50킬로미터가 채 안 되는 바위층으로서 끓는 물 위에 덮여 있는 얇은 기름막처럼 유동하는 물질 위에 떠 있는 층입니다. 내부의 요동에 발맞추어 지각 역시 끊임없이 움직이고 있습니다. 이 얄팍한 껍질의 맨 위층에 마치 살짝 덮인 거품처럼 우리가 살고 있는 대륙들이 얹혀 있는 것이며, 우리는 어리석게도 이 부분을 자부심에 넘쳐 ‘견고한 대지’라고 부릅니다. - 열쇠13 움직이는 지구(266~267쪽에서)

열쇠1 힘의 법칙
핵심 원리
우주는 시계처럼 움직인다. 그러므로 예측이 가능하다.

과학의 새로운 한 분야가 탄생해서 이론을 탐구하는 천문학자와 현실적인 기술자를 연결해주었습니다. 그것이 바로 오늘날 ‘역학(mechanics)’이라고 부르는 분야입니다. 역학은 ‘운동’을 연구하는 데 쓰이는 오래된 개념입니다. …… 오늘날 역학의 법칙은 더 튼튼한 건물, 더 빠른 자동차, 더 재미있는 스포츠, 그리고 (항상 있는 일이지만) 더 성능 좋은 무기를 만드는 데 이용되고 있습니다. 그러나 현대 과학의 탄생이라는 더 중요한 관점에서 보면 역학 연구는 후세 과학자들이 따를 길을 환하게 밝혀준 선구자였습니다. 역학을 연구하면서 과학자들은 ‘과학적 방법’을 개발하고 개선해 나갔고, 바로 이 과학적 방법이 우리가 사는 우주를 보는 새로운 시각을 열어준 것입니다. - 25~26쪽에서

열쇠2 에너지
핵심 원리
에너지는 사라지지 않는다. 다만 쓸모 있는 상태에서 덜 쓸모 있는 상태로 바뀔 뿐이다.

현실 세계에서는 에너지가 다른 것으로도 전환됩니다. 마찰 때문에 바퀴에서 생기는 열 에너지, 무게 때문에 철로 된 구조물이 삐걱거릴 때 생기는 소리 에너지, 그리고 진동 에너지 등이 그것입니다. 그런데 이런 식으로 전환된 에너지는 원래의 위치 에너지나 운동 에너지의 모습으로 되돌아가지 못하고 주변으로 빠져 나가 버리게 됩니다. …… 은행 구좌에서 돈을 옮기는 것도 사실은 이와 비슷합니다. 왜냐하면 한 번 옮길 때마다 수수료를 내야 하기 때문이지요. 물론이 수수료는 없어지는 것이 아니고 은행의 수입이 되지만 이런 일을 수백 번 반복하면 결국 수수료 때문에 구좌에는 한 푼도 남지 않게 될 것입니다. - 54쪽에서

열쇠3 전기와 자기
핵심 원리
전기와 자기는 같은 힘의 두 측면이다.

우리 눈에 보이는 모든 물체는 원자로 이루어져 있는데, 이 원자들은 음전하를 띤 전자가 양전하를 띤 양성자에 끌려가서 모인 것입니다. 중력이 지구와 행성들을 태양 주위의 궤도에 붙잡아놓듯이, 전기의 힘은 음전하를 띤 전자를 양전하를 띤 핵 둘레에 묶어둡니다. 전자와 전자가 서로 밀치는 힘은 사실 물체들이 서로 뒤섞이지 않게 해주는 힘입니다. 예를 들어 여러분의 손가락은 이 책을 뚫고 지나갈 수가 없는데 이것은 손에 있는 전자를 책의 전자가 밀쳐내기 때문입니다. - 71쪽에서

열쇠4 원자
핵심 원리
모든 것은 원자로 되어 있다.

원자는 너무 작아서 눈에 보이지 않고 따라서 원자의 존재 여부에 대해 논쟁하는 것은 멀리서 흰 페인트로 칠한 집을 보면서 그 집이 벽돌집인가 콘크리트 집인가에 대해 입씨름을 하는 것과 같습니다. 아인슈타인은 1905년 ‘브라운 운동’이라는 현상을 설명함으로써 이 논쟁에 종지부를 찍었습니다. 조그마한 입자, 예를 들어 하나의 꽃가루를 액체 중간에 떠 있게 하고 현미경으로 관찰하면 불규칙하게 운동하는 꽃가루를 볼 수 있습니다. 아인슈타인은 이 꽃가루가 주변의 원자와 충돌하기 때문에 운동을 하는 것이라고 설명하였습니다. - 96쪽에서

열쇠5 양자의 세계
핵심 원리
원자와 그 구성 요소들은 ‘양자’의 형태로 나타나며, 변화를 가하지 않고는 측정할 수 없다.

잠깐만 생각해보면 ‘본다는 것’과 ‘전자를 본다는 것’ 사이에는 근본적인 차이가 있음을 알 수 있습니다. 우리는 반사되어 튀어나오는 빛으로 책을 보지만 이 빛이 책에 미치는 영향은 무시할 수 있을 정도입니다. 그런데 어떤 전자(아니면 다른 입자)를 전자에 충돌시켜서 그 전자를 보려고 한다면 관찰 대상이 되는 입자와 관찰의 수단이 되는 입자가 비슷하기 때문에 둘 사이의 상호작용으로 관찰 대상이 되는 입자는 변화를 겪을 수밖에 없습니다. 우리가 당구공을 보기 위해서는 반드시 다른 당구공으로 그 당구공을 쳐야 한다고 상상한다면 이해하기 쉽겠지요. - 112쪽에서

열쇠6 화학 결합
핵심 원리
원자는 전자를 접착제 삼아 결합한다.

화학 결합에는 몇 가지 종류가 있고 각 결합 방식은 서로 완전히 다른 특성을 만들어냅니다. 두 개의 원자가 서로 접근할 때 어떤 결합 방식을 택하는가를 결정하는 일반적인 법칙은 간단합니다. 결합된 두 개의 원자는 가장 낮은 에너지 상태에 머물려고 합니다. 공이 가장 낮은 위치 에너지를 갖게 될 때까지 비탈을 굴러 내려오는 것처럼, 원자 속의 전자는 가장 낮은 전기적 잠재 에너지 및 운동 에너지를 갖도록 배열되는 것입니다. 이 세상의 거의 모든 물질은 네 가지의 결합 방식에 의해 지배됩니다. 각 결합 방식마다 원자 사이의 전자가 재배열되는 방식이 달라집니다. 즉 삼라만상을 이루는 모든 물질들은 네 가지의 다른 접착제를 사용해서 쌓아 올려진 건축물 같은 것입니다. - 126쪽에서

열쇠7 원자의 구조
핵심 원리
물질의 특성은 원자가 어떻게 배열되어 있는가에 따라 결정된다.

어떤 물질은 강하고 또 어떤 물질은 약합니다. 어떤 나뭇가지는 부드럽게 휘고 어떤 것은 부러집니다. 이 모든 차이는 원자 구조의 차이에서 비롯되는 것입니다. …… 어떤 경우든 두 개의 물질이 서로 힘을 주고받게 되면 둘 다 미미하게나마 변형이 일어납니다. 눈에 보이지 않을 정도로 사람의 발은 좀 납작해지고 방바닥은 구부러집니다. 가해진 힘이 그리 크지 않으면 발이나 방바닥 같은 대부분의 고체들은 탄력성 있게 변형됩니다. 그러나 너무 강한 힘이 가해지면 물질은 ‘탄성 한계’에 도달하고 이렇게 되면 원래 형태로 돌아가지 못합니다. 금속은 구부러지고 종이는 구겨지고 유리는 깨집니다. - 159쪽에서

열쇠8 핵 물리학
핵심 원리
원자핵의 질량이 변하면 에너지가 발생한다.

화학은 외곽의 전자를 다루기 때문에 화학 반응은 핵 안에서 일어나는 변화에 별로 영향을 받지 않습니다. 마찬가지로 전자가 일으키는 여러 가지 반응은 핵에 거의 영향을 미치지 않습니다. …… 원자의 화학 반응과 핵 반응이 서로 독립적이라는 사실 덕분에 과학자들은 농업, 지질학, 의학 등 광범위한 분야에서 방사성 추적 물질인 트레이서를 쓸 수 있습니다. 원리는 간단합니다. 어떤 방사성 동위원소를 극미량 포함하는 샘플을 생물체에 집어넣고 그 진로를 추적하면 됩니다. 생물체의 몸은 정상적인 방법으로 그 동위원소와 화학 반응을 일으키지만 핵은 방사선을 내면서 계속 붕괴하기 때문에 이 동위원소가 화학 반응을 일으키면서 움직이는 과정을 볼 수 있는 것입니다. - 173, 185쪽에서

열쇠9 소립자 물리학
핵심 원리
모든 것은 쿼크와 렙톤으로 이루어져 있다.

우리는 직관적으로 힘이라고 하면 무언가를 끌거나 미는 데 드는 근육의 작용을 떠올립니다. 그러나 현대 물리학자들은 힘을 상당히 다른 관점에서 보고 있습니다. 이들은 모든 힘은 입자의 교환으로부터 나온다고 생각합니다. 비유를 써서 설명하자면 이렇습니다. 두 명의 스케이트 선수가 서로 접근하는데 한쪽 선수가 물 한 동이를 손에 들고 있습니다. 갑자기 물동이를 든 선수가 그 물을 상대편에게 끼얹는다고 해봅시다. 그때 두 선수 모두 방향을 바꾸게 될 것입니다. 한쪽은 물을 끼얹는 동작 때문에, 그리고 다른 한쪽은 물벼락의 충격 때문에 방향을 바꾸게 된다는 뜻입니다. …… 이 비유와 마찬가지로 물리학자들은 기본 입자 사이에 작용하는 모든 힘이 게이지 입자의 교환에 의해 중개된다고 믿고 있습니다. - 196쪽에서

열쇠10 천문학
핵심 원리
다른 모든 것들과 마찬가지로 별도 태어나고 죽는다.

별의 일생은 중력과의 끊임없는 싸움입니다. 별을 구성하는 물질을 별 자체의 중심부로 자꾸 끌어당기는 힘과의 싸움인 것이지요. 이 무자비한 중력과의 싸움에서 별들은 여러 가지 작전을 구사합니다. 이를 통해 어떤 별들은 파국을 잠시 피하기도 합니다. 그러나 아주 큰 별들은 궁극적으로 블랙홀로 전락할 운명을 어떤 방법으로도 피할 수가 없습니다. 이것은 중력이 물질에 대해 거두는 최후의 승리입니다. - 206쪽에서

열쇠11 우주
핵심 원리
우주는 과거 특정 시점에 탄생했고 그 이후로 계속 팽창하고 있다.

(별빛의 도플러 효과를 통해) 허블은 거의 모든 은하가 우리로부터 멀어져 가고 있고 우주 전체는 팽창하고 있다고 결론을 내릴 수 있었습니다. …… 건포도가 박힌 빵 반죽이 오븐 안에서 부풀어 오르는 모습을 상상해봅시다. 건포도 하나하나는 은하에 해당하고 반죽은 은하 사이의 공간에 해당합니다. 여러분이 어떤 건포도 위에 서 있다고 한다면 반죽이 부풀어 오를수록 옆에 있는 건포도가 여러분으로부터 점점 더 멀어지는 것을 볼 수 있을 것입니다. 그 건포도보다 두 배 정도 멀리 떨어져 있는 건포도는 두 배의 속도로 멀어져 갈 것입니다. 왜냐하면 사이에 있는 반죽의 양도 두 배일 테니까요. 건포도는 멀리 떨어져 있을수록 더 빨리 멀어져 갈 것입니다. 바로 이것이 허블의 관측 결과입니다. - 227쪽에서

열쇠12 상대성 원리
핵심 원리
모든 관측자는 똑같은 자연의 법칙을 본다.

상대성 이론에는 한 가지 중요한 전제가 따릅니다. 그것은 우주를 관측하는 데 절대적으로 ‘옳은’ 지점은 없다는 것입니다. ‘신의 눈’으로 볼 수 있는 자리 같은 것은 없다는 뜻입니다. 지구 위의 흔들의자에 앉아 있는 사람이나 광속도에 가까운 속도로 비행하는 우주선에 타고 있는 사람이나, 모든 관측자는 같은 자연의 법칙을 보게 됩니다. 우주를 지배한다고 생각되는 법칙들은 모두 관측자가 어디서 어느 쪽을 보든 같은 것이라고 상대성 이론은 주장합니다. - 240쪽에서

열쇠13 움직이는 지구
핵심 원리
지구의 표면은 끊임없이 변하고 있으며, 영원한 지구란 존재하지 않는다.

1960년대 이전의 지구과학자들은 고립해서 자신의 분야에만 몰두하는 경향이 있었습니다. 해양학자들은 해류와 수온을 측정했지만 고생물학자들과는 교류가 없었고, 이 두 그룹 모두 지구 내부를 연구하는 지구물리학자들과는 대화를 나누지 않았습니다. …… 그런데 판 구조론이 등장하면서 모든 것이 달라졌습니다. 판 구조론은 지구를 연구하는 모든 과학자들에게 공통의 언어, 공통의 분야, 공통의 관심사를 제공했던 것입니다. 해양학자들은 이제 지각 아래에서 벌어지는 일들이 대양저에 어떤 영향을 미치는가를 알게 되었고, 고생물학자들은 화석 연구 결과를 대륙의 이동을 추적하는 데 효과적으로 적용할 수 있게 되었으며, 지구물리학자들은 지각의 운동을 일으키는 활발한 대류 시스템이라는 틀로 지구의 내부를 이해하게 되었던 것입니다. 과학자들은 이제 지구를 서로 무관하고 고립된 시스템들의 모임으로 보지 않고, 하나의 종합적인 구조로 바라보게 되었습니다. - 276쪽에서

열쇠14 지구의 순환
핵심 원리
지구의 모든 것은 순환하고 있다.

지구에 있는 어떤 것도 영원하지 않습니다. 산은 풍화되고 대륙은 갈라집니다. 바다가 사라지는가 하면 빙하가 생겨났다가 또 녹아버립니다. 변화야말로 지구의 대표적인 특징입니다. 그러나 이러한 변화 속에도 규칙이 있습니다. 우선 지구를 이루고 있는 원자의 수는 한정되어 있습니다. 한 부분을 구성하는 원자가 다른 부분에 사용되려면 빠져 나간 자리를 메울 원자를 어디에서든 가져와야 합니다. 블록으로 가득 찬 방에서 놀고 있는 어린이처럼, 지구가 가지고 놀 수 있는 블록의 수는 제한되어 있는 것입니다.
- 291쪽에서

열쇠15 생명의 사다리
핵심 원리
모든 생명체는 생명의 화학공장인 세포에서 만들어진다.

생명 체계는 일종의 거대한 사다리를 이루고 있습니다. 생명체를 구성하는 기본 화합물에서 시작하여 한 단계 올라가면 세포가 되고, 다음 단계에서는 세포가 모여 기관이 되고, 기관에서 기관의 시스템으로, 마침내는 독립된 유기체로까지 올라갑니다. 이 사다리의 중간 단계인 세포는 생명의 연결고리로서 …… 그 자신이나 자신이 속해 있는 유기체의 생명 유지를 위해 주위에 있는 재료를 처리하여 완성품을 만드는 공장과 같습니다. …… 세포는 단순한 원형질이 아닙니다. 오히려 전체가 기능을 발휘하기 위해 많은 부분이 바쁘게 협동해야 하는, 고도로 조직화된 장소라 할 수 있습니다. - 310쪽에서

열쇠16 생명의 코드
핵심 원리
모든 생명은 유전정보에 기초하고 있다.

유전공학에서 가장 중요한 것은 DNA 재조합 혹은 ‘유전자 접합(gene splicing)’입니다. …… 급속도로 발전하는 이 접합 기술을 응용할 방법은 많습니다. 한 가지 흔한 기술은 박테리아에서 DNA 분자들을 추출해 여기서 하나의 유전인자를 삽입한 후 이 변화된 분자를 재삽입하는 것입니다. 예를 들어 인슐린을 생성하는 인간의 유전인자를 이 방법으로 박테리아 안에 삽입할 수 있으며 이렇게 변화된 박테리아와 그 후손에서 생성된 인슐린을 이용할 수 있습니다. 사실 우리는 당뇨병 환자들을 치료하는 데 쓰이는 인슐린 대부분을 이렇게 해서 만듭니다. 이것은 죽은 돼지의 췌장에서 인슐린을 추출하던 전통적인 방법에 비하면 큰 발전입니다. - 351쪽에서

열쇠17 진화
핵심 원리
모든 생명체는 자연 선택에 의해 진화한다.

태초의 살아 있는 세포는 약탈자로부터 위협받지도 않고, 영양이 풍부한 분자들로 가득 채워진 바닷속에서 살았습니다. 다른 생명체와 경쟁할 필요도 없었습니다. 최초의 세포가 만들어지기까지는 몇억 년씩이나 걸렸을지도 모르지만, 단지 몇 년이라는 상대적으로 짧은 기간 동안 그 세포의 자손이 지구의 바다를 가득 채워 대부분의 유기물질을 흡수하는 바람에 다른 종류의 세포가 갑자기 생기는 가능성을 크게 축소시켰을 것입니다. 한마디로, 일단 최초의 세포가 생겼을 때 다른 생명체의 가능성은 배제된 것입니다.
- 364쪽에서

열쇠18 생태계
핵심 원리
모든 생명체는 서로 연관되어 있다.

인간은 생태계의 한 부분입니다. 다른 생명체와 마찬가지로 궁극적으로 인간도 햇빛과 먹이 연쇄의 첫 단계에서 일어나는 광합성에 의존합니다. 그러나 다른 생물과는 달리, 우리는 주위 환경을 놀랍도록 변화시킵니다. 농업을 개발하고, 도시를 건설하고, 공장을 세워 악화시켰든 개선했든 생물권을 크게 변화시켰습니다. 이것은 국내·국제 정치에서 매우 중요한 위치를 차지하는 문제이기도 합니다. 이 문제들은 순수하게 과학하고만 연관된 것이 아니고 많은 경제ㆍ사회적 요소들과 관련이 있습니다. - 389쪽에서