Q. 흐르는 물은 왜 잘 얼지 않을까?
이는 물 분자가 응결핵 주변에 질서정연하게 모여야만 결빙되는 것과 관련이 있다. 고인 물이 어는점에 도달했을 때, 물속에 응결핵이 있으면 물은 점점 응결핵 주변에서 얼음 결정을 이루게 된다. 응결과정은 이러한 응결핵에서 시작해 물이 있는 전 지역으로 확산되는 과정이다. 그러나 만약 물이 흐르면서 이리저리 움직이면 물 분자가 응결핵 주변에 질서정연하게 모이기가 어려워 결빙이 되지 않는다.
--- p.15

Q. 이어폰의 노이즈 캔슬링의 원리는 무엇인가?
소음을 줄여주는 기술인 노이즈 캔슬링(noise cancelling)은 크게 패시브 노이즈 캔슬링(PNC; Passive Noise Cancelling)과 액티브 노이즈 캔슬링(ANC; Active Noise Cancelling)으로 나뉜다. 패시브 방식은 일반적인 차음(遮音)을 말하는데, 실리콘 마개 등으로 귓속에 밀폐된 공간을 형성해 외부 소음이 들어오지 못하게 막는 것이다. 이 방법은 고주파 소음은 쉽게 거르는 반면 저주파 소음은 효과적으로 거르지 못한다는 특징이 있다. 못 믿겠다면 실험을 해보라. 손가락으로 귀를 막으면 날카로운 소리는 확실히 작게 들리지만 기계가 작동하면서 내는 소리처럼 낮은 소리는 여전히 분명하게 들린다.
--- p.39

Q. 번개가 치는 원인은 무엇이며, 왜 번개는 직선으로 떨어지지 않고 갈라지는가?
비가 오는 날에는 종종 번개가 치는데 번개가 치는 데는 여러 물리과정이 포함되어 있다. 일단 구름층과 지면이 마찰 등으로 인해 상반되는 전하를 띠게 되고 전하가 한데 모여 구름층과 지면 사이에 강한 자기장을 형성한다. 공기는 각종 기체 분자로 이루어져 있는데 공기 자체는 전기가 통하지 않기 때문에 일반적인 상황에서는 번개를 볼 수 없다. 그러나 이 분자 안의 전자가 강한 전기장의 작용으로 원자핵의 속박에서 벗어나면서 공기가 전자와 이온으로 구성된 결합체로 변한 까닭에 전기가 통하게 된다. 전자는 전기장의 작용에서 에너지 준위 사이의 전이를 일으키는데, 이러한 전이는 발광을 동반한다. 이것이 바로 번개다
--- p.86

Q. 우주선이 비행궤도에서 도킹할 때 왜 동일한 궤도에서 하면 안 되는가? 궤도가 같으면 속도가 같기 때문에 쫓아갈 수 없다고 하는데, 뒤쪽에 있는 우주선은 뒤쪽으로 점화해 가속하는 동시에 지구 바깥쪽으로 점화하거나(구심력을 키우기 위해), 아니면 앞쪽에
있는 우주선의 속도를 늦출 수는 없는가?
원리는 누구나 알지만, 그러려면 얼마나 큰 비용이 들까? 연료를 몇 톤 더 싣고 우주공간으로 향한다는 것은 곧 연료를 더 많이 소모해야 한다는 뜻이다. 하지만 이는 사소한 문제에 불과하다. 중요한 것은 연료를 수백 톤 더 실을 추가 로켓이 일회용이라는 점이다. 하지만 이 또한 엄청 심각한 문제는 아니다.
로켓을 하나 더 달면 원래 계획했던 것이 죄다 엉망진창이 된다는 것이 핵심이다. 뭐, 별수 있나. 그냥 설계부터 연구개발까지 다시 하는 수밖에. 한마디로 엄청, 심각하게, 비경제적인 일이란 말이다. 게다가 질문에서 말한 대로 해서 얻을 효과는 지상에서 발사시간을 바꾸거나 발사방식을 바꾸는 것으로도 충분히 얻을 수 있다.
--- p.131

Q. 양자통신의 비밀 절대 보장은 어떻게 이해해야 하는가?
양자통신의 기본적인 정리 중에 복사 불가능성 정리(no-cloning theorem)라는 것이 있다. 임의의 양자상태와 완전히 동일한 또 다른 양자상 태를 복사하는 것은 불가능해 원래의 양자상태에 영향을 미치지 않는다는 의미다. 도청은 복사하는 과정이다. 원시 정보, 즉 도청할 정보를 받아 그 정보를 복제해 다시 발송한다.
고전적인 상황에서는 정보의 발송자와 수신자 모두 정보가 전송되는 과정에 도청이 이루어졌는지 알 수 없어 기밀이 새어나갈 우려가 있었다. 그러나 양자통신에서 양자는 복사가 불가하기 때문에, 전송 중인 정보를 도청하면 원래의 양자상태에 변화가 생기므로 도청자는 원시 정보와 완전히 동일한 정보를 수신자에게 전달할 수 없다. 그러면 발송할 때의 양자상태와 수신할 때의 양자상태가 다르기 때문에 수신자와 발신자는 대조하자마자 정보를 도청당한 흔적을 발견하게 된다. 이 경우 곧바로 암호문을 바꾸거나 전송 경로를 바꿀 수 있으므로 통신의 비밀 절대 보장을 실현할 수 있다.
--- p.167

Q. 물리를 공부할 때 가장 중요하게 생각해야 하는 것은?
차근차근 착실하게 밟아나가야 한다. 날이면 날마다 우주니, 양자역학이니, 상대성이론이니, 겉보기에 그럴싸해 보이는 지식만 탐구하고 뉴턴역학과 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 현상 연구는 하찮게 여기면 안 된다는 말이다. 상대성이론이라고 해서 생각만큼 어려운 것도 아니고 뉴턴역학이라고 해서 또 생각만큼 쉬운 것도 아니다.
--- p.188

Q. 우리가 알고 있는 정리나 관념이 틀린 것은 아닐까? 아주 먼 훗날, 인류문명이 어떤 형식으로 존재하든 과학탐구가 끝을 맞이할 날이 올까?
역사상 물리학계가 공인했던 이론 중에서 시간이 흐른 뒤에 틀렸다고 증명된 것은 거의 없다. 이미 공인된 어떤 이론이 틀렸음을 증명하려면 이 이론을 뒷받침하는 수많은 실험 사실을 뒤집어야 하는데 이는 불가능에 가까운 일이기 때문이다. 뉴턴역학을 예로 드는 사람들이 많은데 사실 뉴턴역학은 틀린 것이 아니라 정확도 측면에서 부족한 점이 있었을 뿐이다. 상대성이론과 양자역학도 뉴턴역학을 번복하지 않고 특수한 조건에 맞춰 뉴턴역학의 적용 범위를 확정했을 뿐이다. 구체적인 물리 현상을 옛 이론의 적용 범위에 집어넣으면 새 이론은 무조건 옛 이론의 예언을 반복한다. 따라서 어떤 물리이론이 여전히 실험을 바탕으로 한 것이라면, 현재의 이론이 미래의 어느 날에 번복될 리는 없다.
두 번째 질문에 답을 하자면, 물리학자들은 매번 자신이 대자연의 비밀을 모두 밝혀냈다고 큰소리치다가 대자연에게 크게 한 방씩 얻어맞고 겸손을 되찾곤 했다.