괴짜 물리학

렛 얼레인/정훈직

북라이프/2016.4.30.

＜괴짜 물리학＞은 저자의 블로그와 칼럼에서 가장 인기 있었던 주제들을 선별해 담아낸 책이다. 딱딱하고 어렵다고 생각했던 물리학에 대한 편견을 깨고 매혹적인 과학의 세계로 안내해준다. 10개의 주제로 묶어 호기심을 충족해 주고 있다. “일상의 물리학. 영화 속 슈퍼 영웅의 진실. 생활에 유용한 질문들. 우리는 스타워즈 마니아. 스마트폰 세대도 모르는 것. 스포츠, 인간, 로봇. 매래의 우주인. 어마어마한 숫자들. 공상과학에서나 보던 일. 과학 위의 인간” 등이다. 주요 저서로는 앵리그버드 게임을 통해 자연의 힘과 물리학의 기본 원리를 설명한 ＜앵그리버드 물리 탐험＞과 ＜그 정도면 충분한 물리학＞이 있다.

렛 얼레인은 물리학 교수이자 과학 칼럼리스트다. 세상에서 일어나는 사소한 일들뿐만 아니라 영화나 게임에 나오는 주인공들에 관한 흥미로운 것까지 물리학적으로 풀어 나간다. 일상에서 발견한 갖가지 소재들이나 한번쯤 상상해봤을 법한 엉뚱한 질문에서부터 호기심을 자극하는 기상천외한 질문들까지 다양한 궁금증에 대한 답을 기발한 물리학적 해법으로 쉽고 재미있게 풀어낸다. 소주제 중 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.

우주에는 중력이 존재할까요? “네, 존재합니다. 행성 크기 정도의 아주 큰 물체에서 멀리 떨어져 있지 않는 한 일반적으로는 중력이 있습니다. 우주비행사들이 무중력 상태에 있는 것처럼 보이는 이유는 중력 때문에 우주비행사들과 그들이 탄 우주선 둘 다 가속하고 있기 때문입니다. 외부 힘을 이용해 우주선에 가속도를 높여준다면 중력과 동일한 효과를 만들어 낼 수 있습니다.(p.27)” 그러나 행성이나 항성에서 멀리 떨어진 곳에서는 중력의 크기는 거의무시해도 좋을 만큼 작은 값을 가진다.

큰 우박일수록 빨리 떨어질까? “우박의 경우 공기저항과 무게가 각각 그 반지름의 다른 힘(제곱과 세제곱)에 의해 결정되기 때문에 상쇄되지 않죠. 큰 우박일수록 떨어질 때 최종 속도가 더 빠르고 충돌 순간의 운동에너지는 더 큽니다. 이런 이유로 우박이 크면 좋지 않다는 것이죠.(p.40)” 우박은 주로 여름에 많이 내리는데 크기는 쌀알만큼 작은 것부터 탁구공이나 때로는 테니스공만한 것까지 다양하게 내리는데 크기가 클수록 빨리 떨어지고 피해가 커지니까 조심해야 한다는 것이다.

수영장에 쇠공을 반쯤 잠기게 넣으면 물은 얼마나 무거워질까? “물속에 넣은 공이 1세제곱미터의 부피를 차지한다면 그 자리에 있던 물은 어디로 갈까요? 이 공 때문에 수영장 물의 수위는 1세제곱미터만큼 증가할 것입니다. 따라서 수영장 바닥에서 보면 물이 더 늘어난 것처럼 보입니다.(물이 더 깊어지죠.) 결국 물을 밀어낸 1세제곱미터만큼의 물 무게가 늘어납니다. (p.46)” 이처럼 물속에 잠기는 부피의 물 무게만큼이 무거워 진다는 것이다. 사람이 들어가도 마찬가지 원리로 수영장 물의 무게는 무거워지겠죠?

인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까? “다시 말해 전체 인구를 구성하는 요소는 간접적으로나마 공기가 된다는 뜻입니다. 그리고 인간이 죽으면 부패해서 이산화탄소를 만들어 내죠. 이렇게 끝없이 순환을 합니다. 사실 구성 용소들 거의 모두가 지구 위에 이미 존재하는 것들이죠. 맞습니다. 그러니까 인구가 아무리 증가한다 해도 지구의 질량에는 변화가 없는 것입니다.(p.56)” 인구가 증가하려면 사람을 구성하는 물질이 증가해야 하는데, 그 물질은 공기와 식물, 동물 등 이미 지구에 존재하던 물질들로 구성되기 때문에 인구가 증가해도 지구의 질량은 변화가 없다는 것이다.

슈퍼맨은 사람을 우주로 날려버릴 수 있을까? “슈퍼맨은 주먹으로 사람을 가격해서 우주로 보낼 수 없습니다. 정말로 강하게 사람을 친다고 해도 그가 날아가기 전에 머리가 먼저 날아가 버릴 것입니다. 동시에 슈퍼맨은 땅속으로 들어가겠죠. 슈퍼맨이 사람을 날려버리고 싶으면 그냥 입으로 세게 불어버리는 게 나을지도 모르겠네요.(p.97)” 사람을 우주 밖으로 날려버릴 정도의 힘으로 친다면 아마도 사람의 몸이 날아가기 전에 폭발해 버리고 만다는 것이다. 주먹이 작다면 아마도 주먹만한 구멍을 인체에 내고 말겠지?

우주선도 잠수함처럼 물에 들어갈 수 있을까? “잠수함을 우주선으로 쓸 수 없다면 그 반대는 어떨까요? 우주선은 잠수함의 역할을 잘 해낼 수 있을까요? 아닙니다. 방금 전에도 이야기했듯이 우주선이 우주 궤도에 오르려면 가벼워야 합니다. 그리고 인간이 살아남아야 한다는 관점에서 우주선의 역할을 생각해보세요. 우주선은 내부 기압을 약 1기압으로 유지해야 합니다. 우주선의 외부에는 기체가 없기 때문에 앞서 살펴본 정육면체 잠수함이라면 밖에서 누르는 힘은 없고 안에서 밖으로 미는 10만N의 힘만 있습니다. 따라서 기압이 작용하는 방향을 감안해 우주선은 잠수함과는 좀 다르게 설계해야 합니다.(p.262)” 한마디로 말하면 잠수함은 무거워서 우주선이 될 수 없고, 우주선은 설계자체 문제로 10m이내의 얕은 물에서만 그 기능이 작동한다는 말이 된다.

칠면조 고기를 낙하시켜 익힐 수 있을까? “보통 크기의 칠면조 고기와 지금까지 알아본 수치들을 다 합해서 계산해보면 칠면조가 익기 위해서는 낙하하는 높이가 142km가 되어야 합니다.(p.295)” 그런데 문제는 142km상공에서 칠면조가 떨어진다면 속은 익기도 전에 겉에서부터 타버릴 것이다. 그래서 사람이 먹을 수 없게 된다는 문제가 있다.

사람이 음속보다 빨리 낙하할 수 있을까? “대부분의 사람들은 국제 우주정거장이 우주 공간에 있다고 여깁니다. 우주정거장은 지구 표면을 기준으로 300Km 상공에서 궤도를 그리며 돌고 있습니다. 그 높이에서 100km까지는 우주에 아주 가깝다고 할 수 있습니다.(p.377)” 결국 우주 정거장이 있는 곳은 우주가 아니라 지구의 대기권 쪽에 있는 것이라고 한다.

인간으로서 가장 높은 곳에서 뛰어내린 기록을 가진 펠릭스는 초음속으로 낙하하였을까?

“펠릭스가 39km상공에서 낙하할 때는 공기의 밀도가 변합니다.(따라서 공기저항도 변하죠), 펠릭스는 동일한 공기 밀도에서 오래 머물지 못하기 때문에 점프의 초기 단계에서 종단 속도에 이를 수 있을 정도로 느려지지는 못합니다. 물론 나중에는 종단 속도에 이르겠죠. 어쨌든 앞의 계산에 따르면 펠릭스는 점프 후 얼마 지나지 않아 음속을 능가한다는 사실을 알 수 있습니다. 초음속 스카이다이버가 되는 것입니다! 펠릭스의 최고 속도는 마하 1.25(425m/s)에 이른 것으로 밝혀졌습니다.(p.382)”

세상을 살다 보면 자신의 힘만으로는 도저히 해결할 수 없는 어떤 것들과 종종 마주치게 된다. 대개는 아주 작고 가벼워서 먼지를 털어내듯 툭툭 털어버릴 수 있는 것들이지만, 가끔은 인생 전체에 영향을 줄 만큼 크고 중대한 문제를 만날 때도 있다. 그럴라치면 나는 '이건 좀 어렵겠는걸.' 하면서 쿨하게 포기하거나, 며칠 밤을 새면서 끙끙 속앓이로 몸만 축내다가 결국엔 '제게 이러이러한 문제가 있는데...' 하는 말과 함께 전문가에게 도움을 요청하거나, 이번에는 반드시 내 손으로 해결하고야 말겠다는 강한 의지를 내보이며 열공모드에 돌입하기도 한다.

비교적 가벼운 문제에기는 하지만 물리학 서적이나 수학 관련 서적은 아들의 엉뚱한 질문을 잠재울 수 있는 유용한 도구로 쓰이곤 한다. 올해 중학생이 된 아들은 그 나이대 아이들과 크게 다르지 않아서 ＜스타워즈＞나 ＜어벤져스＞에 열광하고, 신화를 바탕으로 한 아동판타지소설로 유명한 릭 라이어던의 퍼시 잭슨 시리즈, 케인 연대기 시리즈, 매그너스 체이스 시리즈를 즐겨 읽고, 어린이 영화 시나리오 작가인 스튜어트 깁스의 책들을 좋아한다. 중학생이 되면서부터 베르나르 베르베르의 작품에 푹 빠져서 그가 쓴 모든 작품을 다 읽어치우더니 며칠 전부터는 ＜제3인류＞ 완간 기념으로 방한 계획이 잡혀 있는 베르나르 베르베르를 만나러 가겠다는 생각에 들떠 있다.

아들의 이런 취향 덕분(?)에 나는 종종 곧바로 대답할 수 없는 어려운 문제에 직면하곤 한다. 아들은 간혹 내가 미처 생각지도 못했던 기상천외한 질문을 하기 때문이다. 그렇다고 아비된 입장에서 아들의 질문에 대해 이렇다 저렇다 비판하거나 이런 저런 핑계를 대어 나의 무식을 변명할 수는 없지 않은가. 이러한 나의 처지를 이해했음인지 아들은 이따금 질문을 퍼붓는 대신에 자신이 읽고 싶은 책을 사달라 요구하기도 한다. 최근에도 나는 아들의 요구로 랜들 먼로가 쓴 ＜위험한 과학책＞을 사주었었다.

렛 얼레인의 ＜괴짜 물리학＞은 ＜위험한 과학책＞의 속편쯤 되는 책이다. 미국 사우스이스턴루이지애나대학의 물리학 교수이자 '와이어드'(Wired) 최고의 과학 칼럼니스트인 저자는 이 책에서 인기 게임 '앵그리버드'를 비롯해 영화 ＜스타워즈＞, ＜어벤져스＞ 등 일상에서 발견한 갖가지 소재에 대한 물음을 물리학적 해법으로 답하고 있다. ＜위험한 과학책＞과 다른 게 있다면 저자는 각각의 질문에 대하여 적당한 가정을 세운 후 구체적으로 계산했다는 점일 것이다.

"데스 스타의 지름이 160km라면 알데란Alderan(무장하지 않은 평화로운 행성)을 파괴하는 장면에서 광선의 속도를 대략 추측해볼 수 있습니다. 데스 스타에서 발사되는 광선은 두 가지로, 각각 속도가 다릅니다. 우선 데스 스타 위에 있는 엄청난 크기의 원에서 뭔가가 발사되어 나옵니다. 그리고 이것들이 합쳐지면서 하나의 거대한 빛줄기를 이루죠. 간단히 분석해보면 첫 단계에서 빛의 속도는 600km/s이고, 합쳐진 후 빛줄기의 속도는 1,000km/s가 됩니다. 두 가지 수치 모두 데스 스타만 나오는 장면을 보고 계산했습니다. 그런데 이상한 점이 있습니다. 다음 장면에서 그 빛줄기는 알데란을 향해서 이동합니다. 이 빛줄기가 알데란에 도달하는 데 걸리는 시간은 약 0.2초입니다. 빛줄기의 속도가 일정하다면 알데란과 데스 스타 사이의 거리는 196km에 불과합니다. 알데란의 크기는 불확실하지만 국제우주정거장은 지구 표면에서 약 300km 떨어져 있죠. 그렇다면……." (p.162)

총 10장으로 구성된 이 책에서 저자는 일상의 사소한 궁금증에서부터 영화나 게임에서의 궁금증, 나아가 광대한 우주의 비밀에 이르기까지 우리가 상상할 수 있는 별난 호기심에 대한 물리학적 답변을 쉽고 재미있게 제시한다. '인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까?', 캡틴 아메리카의 방패는 얼마나 무거울까?', '자동차를 움직이려면 비가 얼마나 내려야 할까?', '블래스터 광선은 레이저일까?', '자판을 두드려서 휴대폰을 충전할 수 있을까?', '번개를 이용해 시간 여행을 할 수 있을까?' 등 남들이 들으면 별 이상한 놈도 다 있다고 생각할 수 있는 별별 질문들을 저자는 진지하게 답변하고 있는 것이다. 쉽게 대답할 수 있는 문제라면 그건 상식일 뿐이지 과학이라고 말하기에는 좀...

아들과 나는 이 책을 함께 읽었다. 수학 기호나 물리 공식, 물리 용어 등 아들이 이 책을 읽기에는 다소 어려운 점이 많았으나 영화 ＜스타워즈＞를 좋아하는 것만으로도 아들은 이 책이 퍽이나 맘에 들었던 모양이다. 책을 읽는 중간에 낄낄대며 웃던 아들의 모습이 지금도 선하다.

물리학 교양서를 많이 읽었지만 대부분 우주론, 소립자론, 빅뱅, 반물질, 상대성이론, 불확정성원리 등 일상과 직접적으로 관련을 갖지 않는 것들이다. 물론 물리학은 일상적이냐 아니냐를 기준으로 나뉘지 않는다. 힘과 운동, 전기와 자기, 빛, 유체, 에너지와 열, 양자역학, 상대성이론 등으로 나누는 것이 자연스럽다.


오래 전 아르키메데스가 부력을 이용해 가짜 금관을 발견하고 유레카를 외친 사실을 물리학 교양서에서 읽은 기억이 난다. 한 전쟁에서 승리하고 돌아온 시라쿠사 왕이 신에게 금관을 만들어 바치기로 하고 세공장이를 불러 멋진 금관을 만들어 올릴 것을 명했다. 명령대로 세공장이가 금관을 지어 바쳤는데 은이 섞인 금관이라는 소문이 나돌았다.


아르키메데스는 금은 은보다 밀도가 커서 같은 부피의 금은 은보다 무겁다는 사실에 착안해 문제를 풀었다. 즉 만일 1kg의 금관이라고 바친 물건의 부피가 순금의 부피보다 더 나간다면 그 만큼 은이 섞였다는 이야기가 된다는 사실에 착안한 것이다. 세공장이가 금 대부분과 은 일부로 관(冠)을 만들려면 은이 금보다 밀도가 작기에 무게를 맞추기 위해 부피를 늘려야 했던 것이다.


렛 얼레인의 '괴짜 물리학'을 보며 그런 orthodox(?)한 문제보다 훨씬 흥미롭고 기발한 물리학 문제들이 총 망라되었다는 생각을 했다. 저자는 Dot Physics라는 블로그를 운영하는 등 상상력과 흥미를 만족시키는 이슈에 열심인 물리학자이다. 책의 원제는 번역본 제목처럼 'Geek Physics'이다.


책은 일상의 물리학(1장), 영화 속 슈퍼 영웅의 진실(2장), 생활에 필요한 질문들(3장), 우리는 스타워즈 마니아(4장), 스마트폰 세대도 모르는 것(5장), 스포츠, 인간, 로봇(6장), 미래의 우주인(7장), 어마어마한 숫자들(8장), 공상과학에서나 보던 일(9장), 과학 위의 인간(10장) 등으로 구성되었다.


인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까? 슈퍼맨은 사람을 우주로 날려버릴 수 있을까? 자동차를 움직이려면 비가 얼마나 내려야 할까? 배터리로 광선검을 작동시킬 수 있을까? 자판을 두드려서 휴대폰을 충전할 수 있을까? 높은 곳에서 뛰면 더 높이 뛸 수 있을까? 우주선도 잠수함처럼 물에 들어갈 수 있을까? 버블랩을 두르고 6층에서 뛰어내리면 살 수 있을까? 번개를 이용해 시간 여행을 할 수 있을까? 사람이 음속보다 빨리 낙하할 수 있을까? 등 각 장에서 흥미를 끄는 질문들은 기발하고 일상적이면서 물리학적으로 의미를 가진 것들이다.


첫 질문으로 채택된 '우주에도 중력이 존재할까?'는 어떤 행동을 하면 살 수 있을까? 또는 어떤 행동을 성공적으로 완수할 수 있을까? 등과 거리가 다소 있는 즉 괴짜 물리학과 거리가 있는 주제이지만 과학을 이해하는 데 긴요하게 쓰일 것이다.


'미래의 우주인'(7장)이란 장에 첫 번째로 실린 우주선 관련 문제를 보자. 문제인 즉 '우주선도 잠수함처럼 물에 들어갈 수 있을까?'이다. 우주선과 잠수함은 인간이 살 수 없는 극한적인 곳에 가기 위해 만든 것이라는 공통점이 있다. 인간에게 필요한 것들 중 산소를 빼놓을 수 없다. 인간은 음식, 물 등은 며칠 또는 몇 십일 섭취하지 않아도 살 수 있지만 산소는 단 1분 정도만 마시지 못해도 생명을 유지할 수 없을 것이다.


그런데 산소의 압력이 1.4기압을 넘으면 경련과 같은 불의의 사건에 노출되고 0.16기압보다 낮으면 의식을 잃게 된다. 잠수함을 우주로 올려보내려면 로켓에 연료가 훨씬 많이 들어간다. 그 반대는 어떤가? 우주선은 잠수함 역할을 하지 못한다. 잠수함과 우주선은 각자 처한 다른 여건을 감안해 만들어진 특화된 것이기에 각자 영역을 벗어나지 않아야 한다.


즉 우주선의 외부에는 기체가 없기 때문에 밖에서 누르는 힘은 없고 안에서 밖으로 미는 힘만이 있다. 기압이 작용하는 방향을 감안해 잠수함과는 다르게 설계된 것이다. 얼레인의 책을 통해 물리학과 더 친근해지는 계기를 얻을 수 있을 것이다. 생각을 많이 하고 관련 책을 차근차근 읽어나간다면 괴짜 물리학만이 아닌 물리학 전반에 강해질 것이라 생각하며 얼레인의 책을 읽었다.

괴짜 물리학

렛 얼레인/정훈직

북라이프/2016.4.30.

sanbaram

＜괴짜 물리학＞은 저자의 블로그와 칼럼에서 가장 인기 있었던 주제들을 선별해 담아낸 책이다. 딱딱하고 어렵다고 생각했던 물리학에 대한 편견을 깨고 매혹적인 과학의 세계로 안내해준다. 10개의 주제로 묶어 호기심을 충족해 주고 있다. “일상의 물리학. 영화 속 슈퍼 영웅의 진실. 생활에 유용한 질문들. 우리는 스타워즈 마니아. 스마트폰 세대도 모르는 것. 스포츠, 인간, 로봇. 매래의 우주인. 어마어마한 숫자들. 공상과학에서나 보던 일. 과학 위의 인간” 등이다. 주요 저서로는 앵리그버드 게임을 통해 자연의 힘과 물리학의 기본 원리를 설명한 ＜앵그리버드 물리 탐험＞과 ＜그 정도면 충분한 물리학＞이 있다.

렛 얼레인은 물리학 교수이자 과학 칼럼리스트다. 세상에서 일어나는 사소한 일들뿐만 아니라 영화나 게임에 나오는 주인공들에 관한 흥미로운 것까지 물리학적으로 풀어 나간다. 일상에서 발견한 갖가지 소재들이나 한번쯤 상상해봤을 법한 엉뚱한 질문에서부터 호기심을 자극하는 기상천외한 질문들까지 다양한 궁금증에 대한 답을 기발한 물리학적 해법으로 쉽고 재미있게 풀어낸다. 소주제 중 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.

우주에는 중력이 존재할까요  “네, 존재합니다. 행성 크기 정도의 아주 큰 물체에서 멀리 떨어져 있지 않는 한 일반적으로는 중력이 있습니다. 우주비행사들이 무중력 상태에 있는 것처럼 보이는 이유는 중력 때문에 우주비행사들과 그들이 탄 우주선 둘 다 가속하고 있기 때문입니다. 외부 힘을 이용해 우주선에 가속도를 높여준다면 중력과 동일한 효과를 만들어 낼 수 있습니다.(p.27)” 그러나 행성이나 항성에서 멀리 떨어진 곳에서는 중력의 크기는 거의무시해도 좋을 만큼 작은 값을 가진다.

큰 우박일수록 빨리 떨어질까  “우박의 경우 공기저항과 무게가 각각 그 반지름의 다른 힘(제곱과 세제곱)에 의해 결정되기 때문에 상쇄되지 않죠. 큰 우박일수록 떨어질 때 최종 속도가 더 빠르고 충돌 순간의 운동에너지는 더 큽니다. 이런 이유로 우박이 크면 좋지 않다는 것이죠.(p.40)” 우박은 주로 여름에 많이 내리는데 크기는 쌀알만큼 작은 것부터 탁구공이나 때로는 테니스공만한 것까지 다양하게 내리는데 크기가 클수록 빨리 떨어지고 피해가 커지니까 조심해야 한다는 것이다.

수영장에 쇠공을 반쯤 잠기게 넣으면 물은 얼마나 무거워질까  “물속에 넣은 공이 1세제곱미터의 부피를 차지한다면 그 자리에 있던 물은 어디로 갈까요? 이 공 때문에 수영장 물의 수위는 1세제곱미터만큼 증가할 것입니다. 따라서 수영장 바닥에서 보면 물이 더 늘어난 것처럼 보입니다.(물이 더 깊어지죠.) 결국 물을 밀어낸 1세제곱미터만큼의 물 무게가 늘어납니다. (p.46)” 이처럼 물속에 잠기는 부피의 물 무게만큼이 무거워 진다는 것이다. 사람이 들어가도 마찬가지 원리로 수영장 물의 무게는 무거워지겠죠 

인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까  “다시 말해 전체 인구를 구성하는 요소는 간접적으로나마 공기가 된다는 뜻입니다. 그리고 인간이 죽으면 부패해서 이산화탄소를 만들어 내죠. 이렇게 끝없이 순환을 합니다. 사실 구성 용소들 거의 모두가 지구 위에 이미 존재하는 것들이죠. 맞습니다. 그러니까 인구가 아무리 증가한다 해도 지구의 질량에는 변화가 없는 것입니다.(p.56)” 인구가 증가하려면 사람을 구성하는 물질이 증가해야 하는데, 그 물질은 공기와 식물, 동물 등 이미 지구에 존재하던 물질들로 구성되기 때문에 인구가 증가해도 지구의 질량은 변화가 없다는 것이다.

슈퍼맨은 사람을 우주로 날려버릴 수 있을까  “슈퍼맨은 주먹으로 사람을 가격해서 우주로 보낼 수 없습니다. 정말로 강하게 사람을 친다고 해도 그가 날아가기 전에 머리가 먼저 날아가 버릴 것입니다. 동시에 슈퍼맨은 땅속으로 들어가겠죠. 슈퍼맨이 사람을 날려버리고 싶으면 그냥 입으로 세게 불어버리는 게 나을지도 모르겠네요.(p.97)” 사람을 우주 밖으로 날려버릴 정도의 힘으로 친다면 아마도 사람의 몸이 날아가기 전에 폭발해 버리고 만다는 것이다. 주먹이 작다면 아마도 주먹만한 구멍을 인체에 내고 말겠지 

우주선도 잠수함처럼 물에 들어갈 수 있을까  “잠수함을 우주선으로 쓸 수 없다면 그 반대는 어떨까요? 우주선은 잠수함의 역할을 잘 해낼 수 있을까요? 아닙니다. 방금 전에도 이야기했듯이 우주선이 우주 궤도에 오르려면 가벼워야 합니다. 그리고 인간이 살아남아야 한다는 관점에서 우주선의 역할을 생각해보세요. 우주선은 내부 기압을 약 1기압으로 유지해야 합니다. 우주선의 외부에는 기체가 없기 때문에 앞서 살펴본 정육면체 잠수함이라면 밖에서 누르는 힘은 없고 안에서 밖으로 미는 10만N의 힘만 있습니다. 따라서 기압이 작용하는 방향을 감안해 우주선은 잠수함과는 좀 다르게 설계해야 합니다.(p.262)” 한마디로 말하면 잠수함은 무거워서 우주선이 될 수 없고, 우주선은 설계자체 문제로 10m이내의 얕은 물에서만 그 기능이 작동한다는 말이 된다.

칠면조 고기를 낙하시켜 익힐 수 있을까? “보통 크기의 칠면조 고기와 지금까지 알아본 수치들을 다 합해서 계산해보면 칠면조가 익기 위해서는 낙하하는 높이가 142km가 되어야 합니다.(p.295)” 그런데 문제는 142km상공에서 칠면조가 떨어진다면 속은 익기도 전에 겉에서부터 타버릴 것이다. 그래서 사람이 먹을 수 없게 된다는 문제가 있다.

사람이 음속보다 빨리 낙하할 수 있을까  “대부분의 사람들은 국제 우주정거장이 우주 공간에 있다고 여깁니다. 우주정거장은 지구 표면을 기준으로 300Km 상공에서 궤도를 그리며 돌고 있습니다. 그 높이에서 100km까지는 우주에 아주 가깝다고 할 수 있습니다.(p.377)” 결국 우주 정거장이 있는 곳은 우주가 아니라 지구의 대기권 쪽에 있는 것이라고 한다.

인간으로서 가장 높은 곳에서 뛰어내린 기록을 가진 펠릭스는 초음속으로 낙하하였을까 

“펠릭스가 39km상공에서 낙하할 때는 공기의 밀도가 변합니다.(따라서 공기저항도 변하죠), 펠릭스는 동일한 공기 밀도에서 오래 머물지 못하기 때문에 점프의 초기 단계에서 종단 속도에 이를 수 있을 정도로 느려지지는 못합니다. 물론 나중에는 종단 속도에 이르겠죠. 어쨌든 앞의 계산에 따르면 펠릭스는 점프 후 얼마 지나지 않아 음속을 능가한다는 사실을 알 수 있습니다. 초음속 스카이다이버가 되는 것입니다! 펠릭스의 최고 속도는 마하 1.25(425m/s)에 이른 것으로 밝혀졌습니다.(p.382)”

『괴짜 물리학』, 제목부터 흥미롭다. 글자의 조합만 봐도 머리 아픈 ‘물리학’과 ‘괴짜’의 만남이라니.. 우선 물리학 교수이자 과학 칼럼니스트인 저자 렛 얼레인의 변을 들어보자.

물리학과 괴짜가 합쳐진 것보다 더 재미있고 흥미진진한 일이 있을까요? 그래요, 제가 하는 일이 바로 그겁니다. 저는 두 가지 기본적인 방식으로 제 주변의 세상을 봅니다.

첫째는 운동량의 원리, 일―에너지 원리, 전기장과 자기장의 관계(이런 관계를 나타내는 것이 맥스웰 방정식이죠) 같은 물리학의 기본적인 개념들입니다. 하지만 현실에서 일어나는 현상과 머릿속에 떠오르는 상상을 분석할 때 제가 사용하는 건 이뿐만이 아닙니다.

두 번째는 모형을 만드는 것입니다. 모형이란 무엇일까요? 그건 저와 여러분이 어렸을 때 만들었던 자동차 모형 같은 겁니다. 똑같아요. 뭔가를 나타나기 위해 사용되는 것이라면 무엇이든 모형이 될 수 있습니다. 예를 들어 중력 모형은 두 물체의 질량과 그 둘 사이의 힘을 연관시키는 수학적 표현을 도출해내죠. 아직 만들어지지 않은 모형도 만들어 낼 수 있습니다. 가령 ‘트위터에 올린 글은 미국 전역에 얼마나 빨리 퍼져나갈까?’란 질문을 생각해 본다고 합시다. 이런 경우는 데이터 몇 가지만 수집해서 실제에 적용되는 표현 양식을 찾기만 하면 됩니다. 질문에 답해가는 과정을 통해 모형을 만드는 것이죠. 모형 자체는 복잡할 수도 있지만 모형을 만드는 원리는 사실 간단합니다.

                                                                                                       -p 7~ 8  서문

이 책은 저자의 블로그와 칼럼에서 가장 인기 있었던 주제들을 선별해 담았다. 저자의 두 가지 기본적인 방식으로 본 물리학은 일상부터 영화 속 슈퍼 영웅(헐크, 토르, 캡틴 아메리카, 슈퍼맨), 스타워즈, 미래의 우주인까지 광범위하다. 우선 우주에도 중력이 존재할까? 그렇다, 존재한다. 저자는 이 답을 위해 먼저 실험을 하고 몇 가지 상황도 제시한다. 그래서 어려운 물리학이 쏙쏙 머릿속으로 들어온다. 그렇다면 헐크가 점프하면 도로가 부서질까? 저자는 헐크의 질량, 점프 높이, 발 크기, 헐크가 지면을 밀어내는 힘이자 지면이 헐크를 밀어내는 힘의 강도를 추정해 답을 내놓는다. 도로에 갈라진 틈 정도는 생길지 몰라도 도로를 부숴 버리지는 못한다고 말이다. 누구나 어릴 때는 ‘왜’라는 말을 달고 산다. 그러나 그에 대한 답변은 허술할 때가 많다. 그래서 점점 왜라는 질문은 사라지고, 더불어 호기심도 사라진다.

창조적인 일의 시작은 무엇일까? 단순한 호기심이다. “이게 뭘까? 왜 그런 걸까?” 하면서 끊임없이 머릿속에 물음표가 그려지고, 해보고 싶고, 알고 싶고, 결과가 어떻게 될지 궁금해 참을 수 없는 마음이 궁금증의 시작이다.

이런 호기심은 누구나 가질 수 있다. 하지만 이런 궁금증을 단지 머릿속에만 가둬 두는 사람이 있고, 이를 해결하고 알아내기 위해 진지하게 도전하고 풀어보는 사람도 있다.

                                                                                                       -p 384  감수의 글

물리학 교수의 진지한 도전 덕분에 독자들은 물리학이 일상과 아주 밀접해 있다는 것을 알 수 있다. 더불어 막연하게 상상하기만 했었던 것도 물리학으로 풀 수 있다는 것도 알 수 있다. 감수를 맡은 이기진 서강대 물리학과 교수는 일반 물리학 책과 노트를 옆에 두고 읽어 보길 권한다. 괴짜 물리학자 렛 얼레인 교수가 설명하는 수치와 공식을 실제로 노트에 써가면서 함께 답을 추적해 내는 재미가 더할 것 같다는데, 과연 일반 독자들도 그럴지 의구심이 든다. 그래도 한번 도전하라. 괴짜 물리학자 방식까지는 못하더라도 일단 도전하는 게 중요한 것 같다. 그 중요성을 알려 주는 책이다. 물리학도 물리학이지만, 괴짜 물리학자의 도전에 박수를 보내고 싶다.

＜괴짜 물리학＞은 저자의 블로그와 칼럼에서 가장 인기 있었던 주제들을 선별해 담아낸 책이다. 딱딱하고 어렵다고 생각했던 물리학에 대한 편견을 깨고 매혹적인 과학의 세계로 안내해준다. 10개의 주제로 묶어 호기심을 충족해 주고 있다. “일상의 물리학. 영화 속 슈퍼 영웅의 진실. 생활에 유용한 질문들. 우리는 스타워즈 마니아. 스마트폰 세대도 모르는 것. 스포츠, 인간, 로봇. 매래의 우주인. 어마어마한 숫자들. 공상과학에서나 보던 일. 과학 위의 인간” 등이다. 주요 저서로는 앵리그버드 게임을 통해 자연의 힘과 물리학의 기본 원리를 설명한 ＜앵그리버드 물리 탐험＞과 ＜그 정도면 충분한 물리학＞이 있다.

렛 얼레인은 물리학 교수이자 과학 칼럼리스트다. 세상에서 일어나는 사소한 일들뿐만 아니라 영화나 게임에 나오는 주인공들에 관한 흥미로운 것까지 물리학적으로 풀어 나간다. 일상에서 발견한 갖가지 소재들이나 한번쯤 상상해봤을 법한 엉뚱한 질문에서부터 호기심을 자극하는 기상천외한 질문들까지 다양한 궁금증에 대한 답을 기발한 물리학적 해법으로 쉽고 재미있게 풀어낸다. 소주제 중 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.

우주에는 중력이 존재할까요  “네, 존재합니다. 행성 크기 정도의 아주 큰 물체에서 멀리 떨어져 있지 않는 한 일반적으로는 중력이 있습니다. 우주비행사들이 무중력 상태에 있는 것처럼 보이는 이유는 중력 때문에 우주비행사들과 그들이 탄 우주선 둘 다 가속하고 있기 때문입니다. 외부 힘을 이용해 우주선에 가속도를 높여준다면 중력과 동일한 효과를 만들어 낼 수 있습니다.(p.27)” 그러나 행성이나 항성에서 멀리 떨어진 곳에서는 중력의 크기는 거의무시해도 좋을 만큼 작은 값을 가진다.

큰 우박일수록 빨리 떨어질까  “우박의 경우 공기저항과 무게가 각각 그 반지름의 다른 힘(제곱과 세제곱)에 의해 결정되기 때문에 상쇄되지 않죠. 큰 우박일수록 떨어질 때 최종 속도가 더 빠르고 충돌 순간의 운동에너지는 더 큽니다. 이런 이유로 우박이 크면 좋지 않다는 것이죠.(p.40)” 우박은 주로 여름에 많이 내리는데 크기는 쌀알만큼 작은 것부터 탁구공이나 때로는 테니스공만한 것까지 다양하게 내리는데 크기가 클수록 빨리 떨어지고 피해가 커지니까 조심해야 한다는 것이다.

＜괴짜 물리학＞은 저자의 블로그와 칼럼에서 가장 인기 있었던 주제들을 선별해 담아낸 책이다. 딱딱하고 어렵다고 생각했던 물리학에 대한 편견을 깨고 매혹적인 과학의 세계로 안내해준다. 10개의 주제로 묶어 호기심을 충족해 주고 있다. “일상의 물리학. 영화 속 슈퍼 영웅의 진실. 생활에 유용한 질문들. 우리는 스타워즈 마니아. 스마트폰 세대도 모르는 것. 스포츠, 인간, 로봇. 매래의 우주인. 어마어마한 숫자들. 공상과학에서나 보던 일. 과학 위의 인간” 등이다. 주요 저서로는 앵리그버드 게임을 통해 자연의 힘과 물리학의 기본 원리를 설명한 ＜앵그리버드 물리 탐험＞과 ＜그 정도면 충분한 물리학＞이 있다.

  칼럼 형식으로 일상 속의 체험을 과학으로 해석해보는 형식의 책은 사실 꾸준히 사랑받는 교양서가 아닌가 합니다. 그것을 보면 역시 자연을 이해하고 싶은 것은 인간의 본성인 것 같다는 생각을 하게 됩니다. 사실 교과서로 가지만 않는다면 세상 지식은 다 흥미롭기 마련이지요 ㅎㅎ [괴짜물리학]이라는 제목을 달고 나온 이 책도 그런 내용을 담아내고 있습니다. 일상 속에서 체험하는 일들을 물리학으로 해설해주는 것부터 시작해서 영화 속의 초과학적 기술의 물리학적 설명에 이르기까지 딱 50개의 꼭지가 실려 있습니다. 몇 장 안되는 꼭지들이 대부분입니다만 50개나 되는 꼭지가 실려있다 보니 생각보다 두께가 꽤 나가는군요.

 초반부에 실린 일상 속 물리학 부분은 상대적으로 자주 소개되는 익숙한 소재들이었습니다. 그 중에서는 수영장에 공을 넣으면 물이 얼마나 무거워지는지 소개하는 꼭지가 흥미롭네요. 기본적인 내용만으로 술술 결론까지 이어가는 과정이 작가의 스타일을 잘 드러내고 있었어요. 꽤 시니컬하면서도 유머러스한 서술 방식이 칼럼니스트 답다는 생각이 들게 만들더군요. 꼭 그런 것은 아니지만 이런 형식의 책에 있어서 서양 서적이 가지는 장점은 유머러스함이 아닌가 합니다. 국내의 도서는 대부분 진지한 경우가 대부분이고 유머를 구사해도 자연스럽지 못한 경우가 많다는 인상이 있는데 비해, 서양의 사람들은 뭔가 아재 개그 같은 개그조차도 자연스럽게 녹여내는 능숙함이 있어 신기하게 느껴집니다. 문화의 차이인 것일까 생각하게 되는 부분이네요.

 거울 속의 영상에 대한 설명도 흥미롭더군요. 거울 하면 보통 좌우를 뒤집어놓는다고 생각하지만 실제로 뒤집어놓는 것은 앞과 뒤라는 설명이었는데요, 어찌보면 물리학이라기보다 사고 게임에 가까운 내용입니다만 한참 생각하게 되더군요. 말장난 같으면서도 맞아 떨어지는 과정이 재미있었습니다.

 영화 속 장면을 물리학으로 설명하는 부분 중에서는 '진짜 한 솔로가 먼저 쐈을까?'가 기억이 나는군요. 미국인의 스타워즈 사랑은 엄청난가보다 싶기도 합니다. 뭐 그래도 스타트렉은 소개하지 않고 있습니다만~^^; 이 두 영화 시리즈를 과학적으로 분석하는 책도 한아름은 되지 않나 싶네요. 아무튼 스타워즈1에서 한 솔로가 현상금 사냥꾼을 먼저 쏴버리는 장면이 있었는데요, 그것을 두고 그의 인성(?)에 대한 논란이 있었던 모양입니다. 리마스터 버전에서는 심지어 그 장면을 바꿔버렸다고 하는데요, 책에서 저자가 한 솔로가 총을 쏘는 이 장면을 소수점 초 단위로 나누어가며 서술해가는 진지함이 어이없으면서도 재미있었어요.

대학교때 같은과 친구중에..길거리를 갈때 낙엽이 떨어지는것을 보면서
낙엽에 가해지는 힘과 낙엽의 낙하 속도등을 머리속으로 생각하며 지내는 친구가 있었다.
넌 좀 오버야~ 그만좀 생각해.. 라면서도 스스로 살면서 문득문득
이럴땐 어떤 힘이 어떻게 작용해서 결과가 어떻게 나오게 될까?를 생각할때가 있다.
이 책은 바로 그런 일상 생활에서의 별것 아닌것 같지만 자꾸 생각나는 궁금증들을
물리적으로 계산해서 결과를 예측한 책이다.

대충 세어보니 57개쯤 되는 질문들이 있는데 대체로 이런 식이다.
'인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까?'
'헐크가 점프하면 도로가 부서질까?'
'자판을 두드려서 휴대폰을 충전할 수 있을까?' ....

질문들이 너무 괴상한가?  사실 난 이 질문들을 보면서
그동안 깊이 생각해서 결론을 도출하진 않았지만
일상 생활에서 가끔 생각하던 것들도 있다는 것에 놀랐다.
예를들어 자판을 두드려서 휴대폰을 충전하기...
하루종일 자판을 두드려야 하는 직업을 가졌기에 난 가끔 생각해본적이 있었다.
사람들의 걷는 에너지를 수집하기 위한 유동인구가 많은 거리와 계단의 바닥설계등을 떠올리면 쉽다.
하루종일, 특히 화가나면 자판을 더 미친듯 강하게 타탁거리는 이 에너지를
가끔은 쓸모있는 무언가로 바꾸고 싶은 생각이 들던 것이다. ^-^
하다못해 LED램프라도 불을 밝혀 내 컴퓨터 위에서 다양한 빛을 내게 하고 싶기도 했다.

그런데 헐크가 점프하면 도로가 부서질까?는 아예 생각해본적이 없다.
왜냐면 당연히 부서질거라 생각했기 때문이다.
단단한 근육질의 거대한 헐크로 변하면서 질량도 늘어나고 밀도도 줄어들지 않을거라 생각했다.
여기서 내가 깊이 생각하지 않아 놓친 부분... 추가질량은 어디서 오는 것인가!!!! 
이런이런~~~~ 예상과 달리 밀도가 팍 줄어들어버릴수도 있겠는데?

이 부분은 '인구가 많아지면 지구가 달을 끌어당길까?'에서도 생각할 포인트이다.
지구의 인간은 결국 지구상의 물질로부터 만들어진다는 것.
그러므로 인간이 늘어나도 지구의 질량이 늘어난 인간의 무게만큼 늘어나는 것이 아니란걸 깨달을 수 있다.

이 책은 학창시절 물리학에 조금 관심이 있던 사람이라면 아주 재미있게 읽을 수 있는 주제로 가득차있다.
특히 독자가 중학생정도의 나이라면 매우 재미나게 읽을 수 있을것 같다.
공부한지 오래인 어른들도 쉽게 읽을 수 있고, 학생들에겐 일상 생활속에 녹아든 물리학을 접하며
보다 과학을 재미있게 받아들일 수 있게 해주는 책이다.

이 책은 중간중간 공식을 넣어 설명하고 있으며 전 과정을 세밀하게 추적해 설득력 있는 결과를 보여준다. 사실 이런 과정이나 계산은 끝까지 해주기가 어렵다. 이걸 해서 뭐 하나 하는 생각에 그만두고 싶어지기 일쑤다. 하지만 얼레인 교수는 독자들이 지루할 틈을 주지 않고 그만의 유머와 위트로 유쾌하고 재미있게 독자들을 물리의 세계로 이끈다.

 우주에는 중력이 존재할까요? 네, 존재합니다. 행성 크기 정도의 아주 큰 물체에서 멀리 떨어져 있지 않는 한 일반적으로는 중력이 있습니다. 우주비행사들이 무중력 상태에 있는 것처럼 보이는 이유는 중력 때문에 우주비행사들과 그들이 탄 우주선 둘 다 가속하고 있기 때문입니다. 외부 힘을 이용해 우주선에 가속도를 높여준다면 중력과 동일한 효과를 만들어 낼 수 있습니다. p.27