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서울대 비이공계생이 배우는 과학 강의를 책으로 만난다!

이 책은 서울대 물리천문학부 유재준 교수가 일상의 자연스런 호기심을 과학적 사고방식으로 연결시켜 물리학의 핵심 개념을 알기 쉽고 정확하게 전달합니다. 지난 십여 년간, 과학적 배경지식이 많지 않은 비이공계생을 대상으로, 수학을 되도록 사용하지 않고 설명했던 핵심교양 강의가 그 바탕입니다. 학생들이 어느 부분을 모르고 있는지, 어떤 부분에서 혼란스러워하는지를 분명하게 콕 짚어 명쾌하게 설명하고 있어, 과학적 사고방식을 체계적으로 익힐 수 있다는 점이 이 책의 가장 큰 특징입니다. 현상에 대한 논리적 분석과 함께, 그렇게 생각하게 된 근거와 증거는 무엇인지를 밝히는 과정(How do we know? What is the evidence?)을 하나하나 밟아 나가면서, 복잡한 세상을 보다 단순하게, 하지만 보다 합리적으로 바라볼 수 있는 과학적 사고의 새로운 프레임을 보여줍니다.

학교에서 배우는 물리는 왜 그렇게 어려울까?
서울대에서 가장 듣고 싶은 강의 중 하나!

물리학 지식에 앞서 과학적 감을 갖자!

우리는 물리를 왜 공부할까요? 과학이 좋아, 물리가 좋아서 공부를 계속할 사람이 아니라면 왜 물리를 공부할까요? 화학이나 생물, 천문학이나 지구과학도 마찬가지입니다. 왜 이런 공부를 할까요?
대부분은 이렇습니다. 학교에서 가르치니까 억지로 배웠다고요. 사실 그렇게 배운 과학지식은 고등학교 2학년이면 끝납니다. 그리고 대학교를 이공계열로 진학해서 관련 공부를 계속하거나, 기술과 관련된 자격시험 공부를 하지 않는 한 더 이상 들여다보지 않습니다. 그러니까 일반인 대부분의 과학지식은 사실은 고등학교 때까지 배운 지식이 거의 전부인 셈입니다. 그리고 이 지식은 시간이 가면 점점 줄어 몇 년 지나면 흔적 밖에는 남지 않습니다. 그러면서 과학을 계속 공부하지 않은 사람이라면, 그 어려운 수학과 물리가 도대체 무슨 소용이 있냐고 말합니다. 과학이 일상 생활에 도움이 된다는 느낌을 갖거나, 그런 경험이 있었다는 경우는 ‘단 한번도’ 없다고 자신 있게 말합니다.
우리는 고등학교에서 뉴턴의 역학 법칙을 배우며 F=ma라는 공식을 수도 없이 접합니다. 그리고 수업시간에 선생님에게 듣고, 숙제를 풀고, 시험 문제를 풀면서 참 많이 접했습니다. 그래서 잘 안다고 혹은 익숙하다고 생각합니다. 그렇다면 이걸 한번 생각해 볼까요? 과연 1뉴턴(N)의 힘은 얼마나 될까요? 우리가 그렇게 수도 없이 답으로 써냈던 1뉴턴은 도대체 얼마만큼의 힘일까요? 땔나무를 놓고, 도끼로 내리칠 때 우리는 얼마의 힘으로 내리치는 걸까요? 힘의 원리에 대해 그렇게 많이 배웠지만, 우리가 힘을 쓸 때, 그렇게 많이 배웠던 물리학적 지식은 실생활과는 전혀 관련이 없는 것 같습니다. 우리는 일상에서 매 순간 힘을 쓰고 움직일 때마다 힘이 작용하는 것을 보지만, 그게 얼마만한 크기인지 전혀 감이 없습니다. 아마도 우리가 이런 물리학적 지식을 몸으로 체득하지 못해서는 아닐까요? 이 책은 물리학적 감에 대해서 이야기합니다. 또한 과학적 사고 방식이 일상 생활에서 어떻게 쓰여지는지를 보여주려고 합니다.

우리는 일상에서 과학적 용어와 개념을 많이 사용합니다. 비유적으로 사용하든, 인용을 하든 상대론이나 시공간, 빅뱅, 역학, 스펙트럼, 삼투 현상 등 많은 과학용어를 활용합니다. 하지만 이렇게 원용되는 개념들이 경계를 넘어서면서 원래의 과학적 의미는 희석된 채, 새로운 의미로 포장되는 경우도 많이 봅니다. 모든 사람이 과학자가 될 필요는 없습니다. 다만 이 책은 과학을 깊이 공부하지 않더라도 우리의 일상에 용어와 개념으로 깊숙이 들어와 있는 과학적 사고를 보다 분명하고 확실하게 알 수 있도록 이끌어줍니다. 그래서 이 책은 수식과 공식을 거의 사용하지 않고, 물리적 현상을 합리적 사고와 적절한 증거로만 설명합니다. 물론 수식이라는 언어가 필요한 부분에서는 굳이 피하지 않았습니다.
물리학적 지식을 배우는 것도 의미 있습니다. 하지만 이 책은 과학을 계속 공부하지 않을 사람이라면, 크기의 변화가 자연 현상에 어떤 영향을 미치는지, 차원이나 단위는 어떤 의미가 있는 지와 같은 과학적 사고방식과 물리학적 감을 익히는 게 먼저라는 생각에 기반을 두고 이야기를 펼쳐 갑니다.

짧고 쉬운 답은, 답이 아닐지도 모릅니다
인터넷에서는 모든 질문에 1분짜리 답이 있습니다. 아무리 어려운 이야기라도 간략하게 요약돼 있는 짧은 답을 찾을 수 있습니다. 여러 개의 답이 나오기도 하지만, 단서가 많이 붙은 복잡한 답보다는, 가장 평균적인 가장 일반화된 상황에 딱 맞는 하나의 답이 인기 있습니다. 답은 짧으면 짧을수록 호응이 좋습니다. 그래서 단답형으로 답을 하지 않으면 뭔가 자신의 무식을 어려운 말로 감추는, 실력 없는 사람이 되고 맙니다. 물론 복잡한 상황을 한두 마디로 간략하게 정리할 수 있는 능력은 내공 있는 전문가만이 할 수 있습니다. 하지만 그런 짧은 한두 마디에는 보이지 않는 엄청난 힘이 쌓여 있습니다. 사실 그건 단답형의 답과는 다른 응축의 산물이겠죠. 마치 50년 경력의 벽돌쌓기 장인이 비법을 전수하는 것과 비슷할 수도 있을 것입니다. 아마도 단답형 답과 이런 전문가의 답변이 다른 이유는 새로운 질문을 만들어 내는 경험과 통찰, 시대가 쌓아온 지식의 힘이 담겨있느냐가 아닐까 싶습니다.
과학은 자연과 인간의 모든 현상을 설명하려고 합니다. 짧고 쉬운 답을 원하지만, 그 짧은 답 아래에는 수많은 질문과 답변이 녹아 있습니다. 그리고 이런 짧은 답은 아주 많은 단순화로 거칠고 뭉툭합니다.
이 책의 질문은 단순하고 짧지만, 답은 간단하지 않습니다. 간단한 답은 더 이상의 질문을 만들어 내지 않는다고 생각하기 때문입니다. 그래서 더 많은 질문, 더 넓은 생각을 끌어내기 위해 답이 깁니다. 그것이 과학적 사고방식을 불러온다고 생각하기 때문입니다.
이 책의 질문들은 마치 어린아이가 던진 듯한 질문입니다. 누구나 보고 알고 있다고 생각하며 전혀 이상하게 생각하지 않았던 질문들, 하지만 그 현상에 액자 하나를 덧씌우자 전혀 새로운 세계가 펼쳐지면서 새로운 세상에 대한 호기심을 자극하는 질문들입니다. ‘자석은 왜 철을 끌어당길까, 하늘의 구름은 왜 떨어지지 않을까’와 같은 질문이 그렇습니다. 단순할수록 어렵다는 말이 있습니다. 수많은 과학자들이 오랜 세월 고심하며 만들어낸 답변을 표면만 보고는 알기 어렵습니다. 우리가 학교에서 그렇게나 많이 배웠던 뉴턴의 운동법칙에 왜 제1법칙이 있을까요? 제1법칙이라는 ‘관성의 법칙’은 어떻게 보면 제2법칙의 특수한 경우라고 생각할 수 있지 않을까요? 그렇지 않습니다. 단순하게 생각하면 힘은 질량에 가속도를 곱한 것이라고 하지만, 그 힘은 어떤 힘인지, 가속도는 어떻게 측정하는지에 대한 설명이 없다면, F=ma라는 짧은 식은 어떠한 물리적 의미도 담지 못 하는, 그냥 문제 푸는 공식에 불과할 수 있습니다.

우리 눈높이에 맞는, 우리 경험을 살린, 우리 말로 풀어낸
과학을 일반인에게 알리는 데 관심이 많은 분이 국내에는 상대적으로 적습니다. 아마도 과학은 세계 어디에서나 보편적이겠지만, 과학책에는 언어의 차이와 교육시스템이라는 국경의 한계가 분명히 있다고 생각합니다. 우리는 대한민국에서 초중등학교, 고등학교를 거치면서 ‘우리 식’의 과학적 지식과 사고방식을 배우고 얻습니다. 그래서 과학을 가르치고 알려주는 것도 우리나라에서 교육받고, 학생들을 가르치고, 자식을 키워본 분들이 가장 잘 할 수 있다고 생각합니다. 아마 외국번역서를 읽으면서 드는 생경함을 누구라도 조금씩은 느꼈을 것입니다. 배경지식의 차이 혹은 눈높이의 어긋남, 서양과 다른 한국적 사고방식과 문화의 영향은 결코 작지 않을 것입니다. 이 책은 우리나라에서, 우리의 경험을 바탕으로, 우리 눈높이에 맞는 내용을, 우리 말로 풀어낸 과학책입니다.
이 책은 단답형 서술이 아니라 생각의 흐름을 따라가면서 서술되어, 글로 보여줄 수 없는 시각화 자료, 그리고 동영상 자료를 최대한 활용했습니다. 문자와 다른 면에서 이미지가 주는 힘이 있고, 요즘 독자들의 환경과 성향에도 그림과 동영상이 주는 매력과 친근감이 있기 때문입니다.
과학에서 비유는 매우 좋은 설명 수단입니다. 현상에 대한 원리를 추상화된 수식과 전문용어로 설명하면, 그 분야에 낯선 사람에게는 어려울 수 있습니다. 그럴 때 맞대어 비교(유비)하거나 미루어 짐작(유추)하게 하는 방법은 좋은 소통 방법이 될 수 있습니다. 이 책에서는 일반인에게 익숙한 생활 속 현상을 끌어와 과학의 원리를 여러 곳에서 설명하고 있습니다. 아이스커피의 얼음이 어떻게 녹는지를 지켜보면서, 북극의 해빙이 얼마나 오랫동안 버틸 수 있느지를 가늠해 보는 것입니다. 생생하고 알기 쉬운 설명이 가능해 크기의 과학과 열전달이 어떻게 작용하는지 바로 알 수 있습니다. 하지만 과학 설명에서 비유와 단순화는 장점만 있는 것이 아니라는 것을 잘 알고 있습니다. 그래서 억지로 끼워 맞추어야 가능하거나 지나친 단순화로 오해를 불러 일으킬 수 있는 부분은, 에두르지 않고 어렵더라도 바로 설명을 합니다. 지나친 친절이 오히려 정확한 이해를 가로 막을 수도 있다고 생각했기 때문입니다.

들어가는 글
ㆍ 크기의 과학
초소형 인간, 있을 수 있나?
북극의 빙산은 왜 천천히 녹을까?
ㆍ 단위의 과학
킬로그램 원기는 다이어트 중
ㆍ 중력의 과학
하늘의 구름은 왜 떨어지지 않을까?
달이 지구를 향해 떨어진다고?
ㆍ 운동의 과학
공중부양이 가능하려면?
원심력은 가짜 힘
ㆍ 전자기력의 과학
스마트폰 배터리 한 개로 들어올릴 수 있는 사람 수는?
자석은 왜 철을 끌어당길까?
ㆍ 빛의 과학
전자가 움직이며, ‘빛이 있으라’ 하니
빛은 어떻게 색이 되는가?
움직이는 시계는 느리게 간다
GPS의 위치는 시계가 결정한다
ㆍ 소리의 과학
파장으로 보고, 진동수로 듣는다
소리는 파동의 겹침
ㆍ 측정의 과학
우리는 얼마나 작은 물체까지 잴 수 있을까?
원자의 크기는 어떻게 측정할 수 있을까?
사과를 볼 때와 전자를 볼 때의 차이점
ㆍ 양자의 과학
모든 물질에는 두 개의 얼굴이 있다
크기가 없는 점 안에 숨겨진 거대한 공간
일상에서 접하는 거시적 양자 현상
ㆍ 글을 마치며
뉴턴과 아인슈타인의 차이
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그림 출처 및 저작권

습한 공기와 건조한 공기, 어느 쪽이 더 무거울까? … 결과적으로 물기를 머금은 습한 공기가 건조한 공기보다 더 가볍다. 액체 상태의 물은 공기보다 훨씬 무겁지만, 기체 상태에 섞인 물 분자는 공기 분자보다 가볍기 때문이다.
(84~87쪽)

신의 영역으로 본 천체 중 하나인 달과, 땅 위로 떨어지는 사과를 당시에는 동일한 관점에서 볼 수가 없었다. 사과에 작용하는 지구의 인력이 신의 영역에 있는 달까지 미칠 수 있다는 것은 상상도 할 수 없는 일이었다. 하지만 뉴턴은 지구로 떨어지는 사과와 지구를 공전하는 달을 바라보며 큰 의문을 품었다. “달은 왜 사과와 달리 땅으로 떨어지지 않을까?”
(93쪽)

정지 상태와 일정한 운동 상태를 모두 일정한 속도를 갖는다고 해석하면, 앞에서 말한 뉴턴의 제1법칙은 “외부의 힘이 가해지지 않으면 물체의 속도는 일정하다”로 바꿔 쓸 수 있다. 또한 이 명제는 뉴턴의 제2법칙에서 가속도가 ‘0’인 경우에 해당된다고 해석할 수도 있다. 그렇다면 제1법칙이 제2법칙의 특별한 경우라는 말인데, 과연 천재 물리학자 뉴턴이 특별한 이유 없이 제1법칙을 군더더기로 끼워 넣었을까? 사실 제1법칙에는 모든 운동을 관측하고 이해하는 기본틀에 대한 개념이 담겨 있다.
(129~130쪽)

힘은 물체의 속성이 아니라 물체에 가해지는 작용이다.
(139쪽)

자기력의 근원에 대한 수수께끼는 20세기 초 아인슈타인의 특수상대성이론에서 답을 찾을 수 있다.
(172쪽)

시간을 정하는 기준의 기본 원칙은 같다. 규칙적으로 반복되는 사건으로 기준을 삼는 것이다. 매일 아침 해가 뜨는 일은 일정하게 반복되고, 줄에 매달린 시계추는 일정한 주기로 흔들린다. 해가 뜨는 일은 지구의 자전이 일정하게 이루어지고, 시계 추의 진동 주기는 중력이 일정하기만 하면 항상 같은 간격을 유지한다.
(211쪽)

만일 뉴턴이 갖고 있는 물체의 질량과 갈릴레오가 갖고 있는 물체의 질량을 비교하려면, 두 물체 사이에 같은 힘을 주고 받도록 충돌시킨 후 두 물체의 가속도를 비교하는 것 외에는 다른 방법이 없다. 정지한 관성계에서 같은 질량으로 측정된 물체가 상대적으로 움직이는 관성계에서 다른 질량으로 되는 이유는 같은 힘을 주었을 때 가속된 크기가 다르다는 것을 의미하는 것뿐이다.
(221쪽)

그럼 이제 파동의 덧셈을 시도해보자. 사과는 서로 공간적으로 떨어져 있어, 각 사과가 차지하는 영역이 구분되기 때문에 사과 하나하나를 낱개로 셀 수 있다. 하지만 파동은 공간에 퍼져있기 때문에, 다른 파동이 웬만큼 멀리 떨어져 있지 않으면 각 파동을 낱개로 구분해 내기가 쉽지 않다. 더욱이 인접한 두 개 이상의 파동이 서로 겹친 경우라면 더욱 난감하다. 낱개로 셀 수 없는 파동에는 사과처럼 개수를 세는 ‘1+1=2’라는 덧셈 규칙은 아무 쓸모가 없다.
(254쪽)

입자와 파동의 이중성은 뉴턴 시대의 입자나 파동의 개념을 넘어선 새로운 차원의 개념이다. 측정을 정확히 하지 못하거나 기술적 한계 때문에 입자와 파동의 특성을 명확히 구분해내지 못하는 것이 아니다. 양자물리의 관점에서는 ‘충돌이라는 속성을 갖는 측정 과정’ 자체가 자연의 원리다. 이중적인 양자의 성질은 측정의 한계를 넘어서 물질의 속성을 기술하는 새로운 개념인 것이다.
(329쪽)

입자는 공간적으로 분리되어 셀 수 있어야 한다. 공을 0.73:0.27의 비율로 쪼개 놓았다면, 73퍼센트의 부분에 해당하는 물체는 더 이상 공의 성질을 띠지 못한다. 다시 말해서 ‘0.73개의 공’은 존재하지 않는다. 쪼개진 공은 새로운 성질을 띤 입자이고 다른 이름의 새로운 입자가 되어야 한다.
(331쪽)

특수상대성이론 이후에 아인슈타인이 내놓은 일반상대성이론은 특별한 측정 결과가 아니고, “길이의 측정 기준이 모든 위치에서 똑같을까?”라는 의문에서 출발한 이론이다. 실험에 의한 사실보다는 아무도 의심하지 않고 받아들인 자명한 공리에 대한 의심에서 출발한 생각이라는 점에서 각별한 의미가 있다.
(390쪽)