사다리 위에 있으면 더 빨리 늙는다
자유낙하하고 있는 사람에게는 지상에 서있는 사람이 (자신을 향해) 다가오는 것처럼 보인다. 따라서 지상에 있는 사람이 시간지연을 경험하게 된다. 결과적으로 중력이 시간을 지연시킨다는 뜻이 된다. 만약 벨린다라는 여성이 사다리로 올라간다면 중력이 그만큼 줄어드는 것을 느낄 것이고, 땅 위에 서있는 쌍둥이 자매인 베티보다 시간지연을 덜 느끼게 된다. 따라서 사다리에서 내려왔을 때 벨린다는 베티보다 더 늙었을 것이다. --- p.22p
병렬회로는 학교 강당과 닮은꼴
출구가 두 개 있는 학교 강당에서는 출구가 하나인 강당보다 학생들이 두 배 빠른 속도로 빠져나갈 수 있다. 마찬가지로 전구가 두 개 병렬로 연결된 전지는 전구가 하나 연결된 회로에서보다 두 배 빨리 닳게 된다.
전기회로 문제에서 가장 이해하기 어렵고 직관에 반하는 것 중 하나는 직렬회로와 병렬회로의 차이점이다. 전선 하나에 전지와 전구 두 개가 나란히 연결된 것을 직렬회로라고 하고, 전지 하나에 전선 하나와 전구 하나, 다른 전선 하나와 다른 전구 하나가 연결된 것을 병렬회로라 한다. 병렬회로에서는 각각의 ‘루프(loop)’가 같은 전압을 갖는 반면 직렬회로에서는 연결된 모든 전구에 같은 전류가 흐르기 때문에 전구들이 전압을 나눠 갖는다. --- p.50

거친 빙판에서 스케이트 타기
스케이트를 탈 때 매끄러운 빙판에서 거친 빙판으로 넘어갈 때 코스에서 살짝 벗어나게 되는 것은, 한 쪽 스케이트가 다른 쪽 스케이트보다 느려지기 때문이다. 이와 비슷하게 빛이 한 매질에서 다른 매질로 통과할 때도 광선이 꺾이면서 굴절한다. (중략) 굴절은 빛의 속도가 느려지거나 빨라지면서 생기는 결과다(광속 c는 진공에서의 속도다). 빛이 밀도가 높은 매질로 들어가면 광속은 느려진다. 진공에서의 광속 c와 매질에서의 광속의 비율을 그 매질의 굴절률이라고 한다. 유리의 굴절률은 약 1.5이기 때문에 유리 안에서 빛은 c/1.5, 즉 초속 20만km로 진행한다. 공기의 굴절률은 1.0003이어서 공기 중의 광속은 c와 거의 비슷하다. 따라서 공기로부터 두꺼운 유리로 빛이 통과하면, 광속은 약 3분의 1만큼 느려진다. 그런데 왜 빛은 꺾이게 되는 걸까? --- p.54

핀 위에서 춤추기
원자는 무지무지하게 작기 때문에 핀 머리에 약 5조 개의 원자들을 모을 수 있다.(중략) 중세 시대 성직자나 철학자들은 천사들이 바늘 끝에서 춤을 춘다면 그 수가 얼마나 될까, 같은 별 가치도 없는 질문으로 논쟁을 벌였다는 비웃음을 사왔다. 하지만 실제로 그런 질문을 던진 건 아니다. 다만 성 토마스 아퀴나스가 다음과 같은 논지를 펼친 건 사실이다. “천사들은 과연 구체적인 형상을 띠고 있을까? 만약 천사들이 형상을 갖지 않는다면 무한히 많은 천사들이 바늘 끝(tip of a needle)에서 춤을 출 수 있을 것이다.” 세월이 흐르면서 ‘바늘 끝’은 ‘핀 머리(head of a pin)’라는 말로 대체되었고, 이 말은 지극히 작은 크기를 가리키는 말로 굳어졌다.
원자보다 작은 물질은 거의 없다. 평균적으로 원자 하나의 크기는 0.32나노미터(nm), 즉 0.00000032mm, 3.2x10?¹?m(나노미터에서 ‘나노’는 ‘난장이’를 뜻하는 그리스어 ‘nanos’에서 온 말이다. 1nm는 10??m)다. 원자의 지름을 결정하는 것은 원자핵 주위를 돌고 있는 전자다. --- p.60

사과 크기가 지구만 하다면
원자는 워낙 작기 때문에 시각적으로 표현할 수가 없다. 우리 마음의 눈이 원자 크기로 내려갈 수 없다면, 대신 상상으로 원자를 커다랗게 팽창시켜 볼 수 있을 것이다. 예를 들어 축구공에 바람을 불어넣어 지구 크기만 하게 키운다고 상상해보자. 이와 같은 비율로 원자를 키운다면 원자 하나는 완두콩만 하게 된다. 물론 가장 크기가 작은 수소 원자와 다른 원자들 사이에는 차이가 있는데, 수소 원자가 완두콩 크기라면 플루토늄 원자는 골프공만 해진다. --- p.62

셰익스피어와 칭기즈칸 원자들이 내 몸 안에
원자는 파괴되지 않는다. 원자들은 오랜 시간에 걸쳐 지속되며 이곳저곳을 떠돈다는 뜻이다. 따라서 당신 몸을 이루는 원자들 중 10억 개는 과거 윌리엄 셰익스피어의 몸을 이루었던 원자들일 수 있고 또 다른 10억 개의 원자들은 칭기즈칸의 몸에서 온 것일 수도 있다.(중략)
‘원자’라는 말은 ‘나눌 수 없다’ ‘자를 수 없다’ ‘파괴할 수 없다’는 뜻의 고대 그리스어 atomos에서 나온 말이다. 원자는 물질을 이루는 가장 작은 입자로 여겨져 왔다. 즉 어떤 물질을 계속 절반씩 잘라나가면 결국은 더 이상 자를 수 없는 상태에 이르게 되는데 이 최종적인 입자를 원자라고 보았던 것이다.
18세기 들어 화학자들은 원자에 대한 근대적인 개념을 형성하기 시작했다. 하지만 이들도 고대인들과 마찬가지로 원자는 더 이상 나눌 수 없다고 믿었다. 이런 믿음은 더 이상 지속되지 못했다. 1897년에 물리학자인 J.J. 톰슨이 원자보다 더 작은 입자인 전자를 발견한 것이다. 이후 전자뿐 아니라 원자보다 더 작은 소립자들이 약 300가지나 더 발견되었다. 물리학자들은 소립자들이 이토록 많이 늘어나자 이들을 ‘입자동물원(particle zoo)’이라고 부르게 되었다. --- p.64

모두 다 함께 춤을!
고체가 액체로 바뀌고 다시 기체로 바뀌는 모양은 마치 나이트클럽에서 플로어를 가득 메운 사람들이 처음에는 심드렁하게 있다가 차츰 흥이 오르면서 신나게 몸을 움직이고, 마침내 공중으로 껑충껑충 뛰어오르는 모습과 비슷하다.(중략)
물질의 운동이론에 따르면 원자와 분자는 절대영도(-273.15℃)에 가까운 냉각상태에 있을 때조차 어느 정도의 운동을 하는 것으로 알려져 있다. 물질의 세 가지 존재 형태-고체, 액체, 기체-를 결정하는 것은 운동의 정도다. 고체를 이루는 원자들(그리고 분자들)은 댄스 플로어를 메운 사람들이 서로 다닥다닥 붙어서 음악이 나와도 별로 신나지 않은 것처럼 발만 까딱까딱 하는 것과 비슷하다.
하지만 온도가 올라가면 고체는 녹아서 액체가 되는데, 이는 마치 자신들이 좋아하는 음악이 나와서 흥이 올라 파트너를 바꿔가면서 신나게 몸을 흔드는 모습과 비슷하다. 온도가 더 올라가면 액체는 기체로 되는데, 이제 스피커에서 나오는 음악 소리는 더 커지고 사람들도 황홀한 기분에 젖어 플로어를 휘젓고 다니고 공중으로 껑충껑충 뛰어오르는 상태와 유사하다. 이들은 플로어에서 내려와 나이트클럽 전체를 접수한 듯이 자유롭게 움직이는데 몸을 회전하다 가끔 부딪치는 경우를 제외하면 서로 접촉하는 경우도 거의 없다. --- p.74

성당 안의 벌 한 마리
원자를 성당 크기만 하게 부풀리더라도, 원자핵은 성당 중심을 날아다니는 벌 한 마리보다 더 크지 않으며, 전자는 성당의 모서리를 따라 ‘회전’하고 있을 것이다. 이 비유가 뜻하는 것은, 핵은 원자 전체 공간의 1000만분의 1정도만 차지하며, 결국 원자의 99.9%는 텅 빈 공간이라는 것이다. 흔히 원자는 ‘태양계’ 모델이라고 불린다. 중앙에(양성자와 중성자로 이뤄진) 핵이 있고 작은 공 모양의 전자가 (태양을 중심으로 돌고 있는 행성들처럼) 조금 떨어진 거리에 있는 궤도를 돌고 있는 모습이다.
1910년대에 어니스트 러더퍼드와 닐스 보어가 제안한 이 태양계 모델은 나름대로 장점이 있지만, 원자 내부의 상대적인 크기와 범위를 왜곡시키는 것도 사실이다. 실제의 원자 내부는 대부분이 텅 빈 공간이며, 아주 작은 핵과 핵보다 더 작은 전자가 있을 뿐이다. 원자 내부의 핵은 성당 안의 벌처럼 정말로 작다. --- p.84

지구의 역사를 하루로 환산하면
46억년에 이르는 지구 역사를 하루로 축약하면, 공룡은 밤 10시46분에 등장했고, 최초의 도시들은 자정보다 10분의 1초 전에 건설되었다고 할 수 있다.(중략)
인류 역사를 시각적으로 표현하는 것은 쉬운 일이 아니다. 더구나 지구 전체의 역사를 놓고 볼 때, 인류가 지나온 시간은 지질학적인 연대기와는 견주기가 거의 불가능할 정도로 짧다. 예컨대 대륙의 이동 같은 극히 서서히 진행된 사건조차도 지구 전체의 역사에 비춰보면 눈 깜짝할 사이에 지나간 일에 불과할 정도로 짧다.
이런 어려움을 피하는 한 가지 방법은 앞에서 소개했던 로그 척도를 이용하는 것이다. 다른 하나는 지구의 역사를 보다 친숙한 척도, 예를 들어 하루 24시간으로 축소하는 것이다. 이 ‘우주의 하루(cosmic day)’에서 한 시간은 1억8750만년, 1분은 312만5000년, 1초는 5만2000년과 맞먹는다.
지구가 자정에 형성되었다고 할 때, 지구에 최초로 생명이 출현한 것은 새벽 4시10분이 된다. 이후 9시간이 지난 오후 1시2분에 복합세포가 등장한다. 그 이전까지는 단세포로 된 (박테리아를 포함한) 원핵생물이 지구를 지배하고, 광합성을 하는 박테리아가 대기에 엄청난 양의 산소를 내뿜고 있었을 것이다.
또 동물이 최초로 등장한 것은 오후 6시47분이며, 약 2시간 뒤 에 대빙하기가 찾아와 ‘눈덩이 지구(Snowball Earth)’가 된다. 밤 10시46분 무렵에는 공룡이 등장해 이후 58분간 지구를 지배했다. 인간 종이 진화를 시작한 것은 자정이 되기 3초 전이었고, 2초 후에는 아프리카를 떠났으며 자정이 되기 10분의 1초 전에 최초의 도시들이 세워지기 시작했다. --- p.98

뜨거운 통증, 매캐한 통증, 불쾌한 통증
저스틴 슈미트 박사는 땅벌(옐로우 재킷 말벌)에 쏘이는 것은 W. C.필즈(미국의 저명한 코미디 배우. 1880~1946년)가 불붙은 시가로 당신 혀를 지지는 것과 비슷한 느낌일 것이라고 했다. 즉 뜨겁고 매캐하고 불쾌한 통증이다.
곤충학자인 저스틴 슈미트 박사는 꿀벌, 말벌, 개미 등이 속한 막시목(目)의 전문가였다. 이 목에 속한 곤충들은 방어나 공격을 위해 침을 쏘는 특성이 있다. 그는 직접 곤충의 침에 쏘인 경험들을 토대로 상대적인 통증의 크기를 나타내는 척도를 만들고 각각에 대해 독창적인 비유를 들어 설명했다.
슈미트 척도는 어디까지나 주관적인 것이다. 한편 미국 화학자인 월터 스코빌은 고추의 매운 맛을 객관적으로 표시하는 척도를 만들려고 시도했다. 그는 고추의 매운 맛을 결정하는 화학물질인 캡사이신을 매우 묽게 희석시킨 다음 5명의 맛 감식가에게 맛보게 했다. 어느 정도 희석시켰을 때 감식가들이 매운 맛을 인식하느냐에 따라 매운 정도를 분류하는 방식이었다. 하지만 이것도 여전히 주관적일 수밖에 없었다. 결국 이후에 캡사이신의 농도를 결정하는 기계가 계발됨으로써 객관적인 척도를 얻게 되었고, 미국향신료무역협회가 이를 주관하게 되었다. 향신료협회의 척도에 15를 곱하면 얼추 스코빌의 척도가 되는 것으로 알려져 있다. --- p.108

점보제트기를 낚아채는 거미
거미줄이 연필 두께만 하다면, 활주로를 달리는 점보제트기도 멈출 수 있다. 거미줄이 얼마나 강한 힘을 갖는지 보여주기 위해 거미줄 하나가 하늘을 날고 있는 보잉747 ‘점보제트기’를 멈출 수 있다는 이야기가 자주 인용된다. 그다지 믿을 만하지 않지만(아래 설명을 보라), 거미줄이 매우 특별하고 주목할 만한 물질임에는 틀림이 없다. 자연에 존재하는 물질이 진화과정을 통해, 인간의 기술이 만든 가장 뛰어난 물질보다도 더 뛰어날 수 있음을 보여주는 주요한 사례가 바로 거미줄이라 할 수 있다.
거미줄은 길고, 끈적끈적한 분자들이 얽혀 만들어진 섬유질이다. 거미는 목적에 따라 한 몸에서 서로 다른 형태의 거미줄을 만들어낼 수 있다. 가장 강한 거미줄은 ‘드래그라인’으로 자신을 보호하기 위한 것이다. 드래그라인은 수분 함량과 거미의 종류에 따라 특성이 다 다르지만, 대부분 인장강도(잡아당기는 힘에 견디는 정도)가 매우 높아 철은 물론이고, 인공섬유 중 가장 강한 것 중 하나인 케블라에 비견될 정도다. --- p.110

세포는 하나의 도시다
세포는 도시를 닮았다. 발전소(미토콘드리아)와 공장(리보솜)이 있고, 쓰레기처리 트럭(액포)이 있으며, 도시를 둘러싼 성곽(세포막)도 갖고 있다.
17세기의 위대한 과학자 로버트 훅은 세포에 대해 묘사한 최초의 인물이다. 그는 투박한 현미경으로 코르크 조각을 관찰했다. 작고, 텅 빈 칸들이 줄지어 있는 것을 본 그는 마치 수도원에서 거주하는 수도사들의 방(cell)을 연상했다. 이후 그와 후계자들은 모든 생명체는 세포로 이뤄져 있다는 걸 알게 되었다. 하지만 이후 400년간에 걸친 끈질긴 탐구 끝에 이제 세포는 훅이 보았던 텅 빈 공간이 아니라는 사실을 알게 되었다. 사실 세포는 서로 다른 물질과 구조들이 놀라울 정도로 정교하고 복잡하게 모여 있으며, 매우 다양한 일들이 쉬지 않고 숨 가쁘게 진행되는 곳이다. 마치 하나의 도시처럼 말이다. --- p.112

어둠 속의 왈츠
블랙홀과 그 주변을 돌고 있는 별은, 어둠 속에서 왈츠를 추는 두 명의 댄서-한 명은 아주 밝은 색의 옷을 입고 다른 한 명은 새까만 의상을 입은 상태-와 같다.(중략)
검은 우주 공간에서 블랙홀은 보이지 않는 존재다. 그런데도 천문학자들은 어떻게 그 존재를 파악하는가? 블랙홀은 직접적으로는 관측할 수 없지만, 중력이 어마어마해서 가까이 있는 별들을 자기 궤도로 끌어당기게 된다. 그래서 아무것도 보이지 않는 존재 주변을 어떤 별이 돌고 있다면 천문학자들은 그 별이 돌고 있는 중심이 블랙홀이라고 추정하게 된다. 이는 어둠 속에서 왈츠를 추는 댄서 두 명이 있는데 그 중 한 명이 새까만 의상을 입고 있는 상황과 비슷하다. 우리는 검정 의상을 입지 않은 한 명의 댄서만 보지만, 검정 의상을 입은 댄서의 존재를 유추할 수 있는 것이다. --- p.130

1초에 코끼리 100만 마리
태양은 초당 코끼리 100만 마리가 갖고 있는 에너지에 해당하는 물질을 태운다.(중략) 태양은 거대한 가스 덩어리다(수소가 약 70%, 나머지는 대부분 헬륨이다). 태양의 엄청난 중력 탓에 수소 원자들은 으스러지면서 서로 가까워진다. 결국 수소 원자의 핵들이 서로 융합해 헬륨핵으로 바뀐다. 이 과정을 통해 수소 질량의 0.8%를 에너지로 바꾸는데, 이 에너지가 1억 5000만km 떨어져 있는 지구를 데우는 것이다. --- p.140

광속으로 여행하기
빛의 속도(초속 약 30만km)는 워낙 빠르기 때문에 -현재까지 가장 빠른 속도를 낼 수 있는 기술로 거론되는- 수백 개의 핵폭탄으로 추진되는 우주선조차도 광속의 5% 정도밖에 속도를 내지 못 한다 .
진공 상태에서의 빛은 우주에서 가장 빠른 속도를 갖는다. 여태까지 인간이 이룬 가장 빠른 속도조차도 빛에 비하면 미미한 수준이다. 현재의 기술수준으로는 우주여행이 몽상에 불과하다는 뜻이기도 하다.
인간의 우주기술이 얻은 최고 속도는 헬리오스 2호가 보여준 시속 25만km 이상이었다. 태양에 근접한 다음 태양의 중력을 이용해 가속을 받는 방식을 사용한 결과였다. 아직 가능성으로만 논의되고 있는 핵 펄스 추진(nuclear pulse propulsion)은 우주선 속도를 광속의 5%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 예상된다. 핵 펄스 추진은 우주선 밑에 핵폭탄을 설치해 1초에 한 번꼴로 터뜨려 이를 제어하는 방식이다. --- p.142

물병처럼 폭발하는 초신성
초신성으로 변하는 별은 가스로 된 외곽 껍질이 폭발하는데, 이는 물병을 탁자에 내리쳤을 때 물이 솟아나오는 것과 닮았다.(중략)
태양보다 질량이 8배 이상 큰 별들은 초신성이 되면서 일생을 마친다. 별이 핵융합 반응으로 인해 연료를 모두 소진하면, 바깥쪽으로 향하는 압력이 더 이상 존재하지 않기 때문 에 스스로 붕괴하게 된다. 붕괴 이후에 남는 거대한 물질 덩어리는 자체의 중력에 의해 내파하게 된다. 내파 과정에서 나오는 격렬한 충격파 때문에 물질 덩어리들은 중성자들로 바뀌고 엄청난 밀도를 갖게 된다. 이 충격파가 초고밀도의 물질을 다시 밀어내며 거대한 힘으로 분출하면 외곽 껍질의 가스층이 폭발하게 되고 무거운 원소들이 우주 공간에 흩어져 성운을 만들게 된다. 이 폭발 장면은 마치 뚜껑이 열린 물병을 탁자에 쾅 내리쳤을 때 일어나는 현상과 비슷하다. 탁자와 부딪쳐 갑자기 속도가 느려진 물은 충격파를 만들고, 충격파는 물병을 타고 내려갔다가 다시 위로 솟구치면서 물을 밖으로 몰아내는 것이다. --- p.150

태평양의 물을 모두 마시려면
태평양의 물을 식수로 사용할 경우, 모두 다 마시는 데 96만조 년이 걸릴 것이다.(중략) 물은 지구만이 가진 결정적인 특성이다. 지표면의 대부분은 물로 덮여 있고, 그 중에서도 수심 1.6km보다 아래에 있는 경우가 태반이다. 지구가 차지하는 물의 대부분은 바다에 있으며, 바다 중에서는 태평양이 단연코 가장 규모가 크다. 하루에 웬만한 크기의 컵으로 8잔의 물을 마신다면, 태평양의 물을 모두 마시는 데 걸리는 시간은 350x10억x10억 (3.5x10²?)일, 햇수로는 96만조(9.6x10¹?)년이다. --- p.160

스카치 에그를 닮은 지구
지구는 스카치 에그처럼 두 개 층으로 된 핵과, 두터운 중간층, 그리고 그 위의 얇은 껍질로 돼 있다. 스카치 에그는 완숙한 계란을 소시지 고기로 감싼 다음 빵 가루를 묻혀 기름에 튀긴 맛있는 스낵이다. 스카치 에그의 단면은 지구의 단면과 흡사하다. 둘 다 가운데 여러 개의 층을 얇은 바깥층이 껍질처럼 둘러싸고 있다. 둘 다 중심의 핵은 두 개의 층으로 돼 있다. 즉 스카치 에그는 계란의 노른자위에 흰자가 놓여 있고, 지구는 고체 형태의 철과 니켈로 된 내핵과 용융된 철과 니켈로 된 외핵으로 이뤄져 있다. 중심을 둘러싸고 면적의 절반쯤을 차지하고 있는 층은 스카치 에그에서는 소시지 고기이고 지구에서는 맨틀(부분적으로 용융된 암석들로 돼 있다)이다. --- p.174

너무도 막강한 슈퍼파워, 심장
심장이 올림픽 경기용 수영장 하나를 다 채우는 데는 약 1년이 걸릴 것이다. 심장이 한 평생(평균 수명) 동안 내뿜는 혈액은 125만 배럴로, 초대형 유조선 3대를 채울 수 있는 양이다. (중략) 순환계는 정말로 경이롭다. 하지만 우리는 문제가 생길 때까지는 그 위대함을 좀체 알아채지 못한다. 피가 쉬지 않고 우리 몸을 돌게 하기 위해 얼마나 정교한 기술과 강한 힘이 쓰이는지 깨닫지 못한다. 심장은 쉬지 않고 펌프질을 하고 있다. 마라톤을 뛸 때도 가만히 잠을 잘 때도 피는 혈관을 타고 흐른다. 그 피를 내뿜는 역할을 인체에서 가장 뛰어난 근육을 가진 심장이 맡고 있다. 심장은 결 코 쉬지 않고, 잠자지 않으며, 끊임없이 에너지를 사용한다. 심장은 일평생 수십억 번의 펌프질을 통해 수백만 갤런의 피를 내보내며, 이 과정에서 엄청난 양의 에너지를 소모한다.