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이 세상은 무엇으로 이루어져 있을까? 물리를 포함한 과학에 그 답이 있다!

과학 유튜버 ‘과학쿠키’의 물리학 개괄서 『과학을 쿠키처럼』. 유튜브 ‘과학쿠키’ 채널과 연계하여 과학자들이 거쳐 온 역사를 통해서 우리가 배웠던 물리의 개념들과 요소들이 각 시대에 존재했던 과학자들의 생각을 일목요연하게 드러내는 문화유산의 집합체였다는 사실을 알려주는 책이다.

우리가 익히 이름을 알고 있는 과학 공식과 법칙은 철학자와 과학자 들이 수없이 많은 논쟁을 거치면서 완성되었다. 천체의 움직임에 관한 궁금증에서부터 시작해 이 세상 모든 물체의 움직임이 왜, 그리고 어떻게 일어나는지를 각기 그들이 속한 역사와 정치, 문화적 맥락에서 어떻게든 해결하고자 치열하게 고민한 결과이다.

기초 과학을 완성시킨 과학자들의 열정과 노력, 즐거움과 감동을 누구나 공감할 수 있는 내용으로 소개한 이 책을 통해 단순히 문제를 풀기 위해서만 배우는 줄 알았던 공식들이 과학자들의 사상과 설명체계를 나타내는 언어 그 자체라는, 당연하지만 지금껏 몰랐던 중요한 사실을 깨닫게 된다.

청소년에서 어른까지,
호기심을 자극하는 달콤한 과학 상식!

유튜브 크리에이터 ‘과학쿠키’가 보내는 ‘물리학’으로의 초대장
국내의 대표적인 과학 유튜버인 ‘과학쿠키’의 물리학 개괄서. 이 세상을 움직여 온 물리학사의 커다란 흐름을 들여다보면서, 수업에서 배워온 물리학 개념들이 어떻게 탄생했는지 알아보고 이를 통해 과학의 진정한 재미를 발견하도록 도와준다. 물체가 어떻게 움직이는지를 연구하다가 나아가 운동의 본질까지 설명하는 학문인 ‘클래식 역학’, 현대 전기 문명의 발판을 만들어준 ‘전자기학’, 열기관의 연구로 출발해 예상치 못하게 우리가 사는 우주와 세계의 법칙을 들여다볼 수 있도록 도와준 ‘열역학’, 첨단과학과 우주과학을 깊이 이해할 수 있게 해준 20세기 최대의 업적 ‘양자역학’의 역사 이야기까지, 교과서에서는 볼 수 없었던 공식 너머에 있는 수많은 과학자의 열정과 노력, 즐거움과 감동이 담긴 이야기를 접하다 보면 어느새 과학과 한층 가까워진 자신을 만나게 될 것이다.

딱딱하고 어렵게만 보이는 과학을
간식을 즐기듯 유쾌한 과학으로 바꾸다

‘유튜브’는 새로운 시대의 미디어로서 막대한 영향력을 지닌 플랫폼이다. 남녀노소를 불문하고 누구나 정치, 경제, 사회, 문화에 관한 다양한 지식을 유튜브를 통해 소비하고 있다. 하지만 여타 분야에 비해 ‘과학’을 다루는 크리에이터는 두 손으로 꼽을 수 있을 만큼 많지 않다. 그만큼 ‘과학’이라는 콘텐츠에 대해 거부감, 거리감, 일상에서 즐길 수 없는 대상으로서의 이질감 등의 이미지로 떠올리기 때문이다. 일반인들이 과학을 바라보는 시선은 대체로 부정적인 편이다.
과학이라 하면 무조건 공식을 외워서 문제를 해결하는 것으로 알고 있는 수많은 초·중·고등학교 학생들, 일상에서는 쓸모없는 지식이라고 생각하는 성인들에게 과학은 ‘가까이 다가가기 어려운 것’으로 여겨져 왔다. 특히, 물리학의 경우는 더욱 그렇다. 흔히 물리를 떠올리면 교과서 속 물리 공식이 적용된 유형별 문제를 반복해서 많이 풀면서 소위 정답을 찾는 ‘감각’ 기르기 연습만 하게 되는 경우가 대부분이다. 이렇게 문제를 푸는 요령만 익히길 요구하는 ‘입시 위주’의 학습은 더더욱 물리를 싫어하게 만드는 요인으로 작용한다. 그러다 보니 ‘대체 물리는 뭐야? 과학 맞아?’라는 생각이 떠오를 때가 많다.
‘과학쿠키’는 과목별로 구분 지어 가르치는 우리나라의 과학교육 과정에서 쉽사리 놓치기 쉬운 과목별 과학과 과학 사이의 연결고리를 이어주는 콘텐츠를 기획, 제작하고 있다. 특히, 자칫하면 ‘수학’으로 착각하기 쉬운 ‘물리학’의 본질을 전달하기 위해 과학자들이 실제로 행했던 과학적 방법의 맥락을 소개한다. 이를 바탕으로 과거에 행해진 과학적 사고법에 대한 공감과 통찰을 이끌 수 있도록 유도하는 것에 초점을 두고 있다. 이러한 영상 콘텐츠를 편집하여 책으로 만든 것이 〈과학을 쿠키처럼〉이다.
〈과학을 쿠키처럼〉에서는 유튜브 ‘과학쿠키’ 채널과 연계하여 과학자들이 거쳐온 역사를 통해서 우리가 배웠던 물리의 개념들과 요소들이 각 시대에 존재했던 과학자들의 생각을 일목요연하게 드러내는 문화유산의 집합체였다는 사실을 알려준다. 단순히 문제를 풀기 위해서만 배우는 줄 알았던 공식들이, 과학자들의 사상과 설명체계를 나타내는 ‘언어’ 그 자체라는, 어찌 보면 당연하지만 지금껏 몰랐던 중요한 사실을 깨닫게 된다.

‘과학’의 진정한 재미는
‘과학’의 역사를 아는 것에서 시작한다

우리가 익히 이름을 알고 있는 과학 공식과 법칙은 철학자와 과학자 들이 수없이 많은 논쟁을 거치면서 완성되었다. 천체의 움직임에 관한 궁금증에서부터 시작해, 이 세상 모든 물체의 움직임이 왜, 그리고 어떻게 일어나는지를 각기 그들이 속한 역사와 정치, 문화적 맥락에서 어떻게든 해결하고자 치열하게 고민한 결과이다. 이렇게 새로운 이론들이 등장하고 폐기되는 반복 속에서 과학은 발달해왔다. 〈과학의 쿠키처럼〉은 이러한 ‘기초 과학’을 완성시킨 과학자들의 열정과 노력, 즐거움과 감동을 누구나 공감할 수 있는 내용으로 소개하고 있다.

1부 물체는 왜 움직이는 걸까?
클래식 역학에서는 고대 그리스의 자연철학자들이 세상을 바라보는 방식에서 시작해, 세상이 거대한 진리의 기계라고 생각하는 데카르트의 기계론적 세계관, 그리고 코페르니쿠스 혁명과 갈릴레이의 운동학, 케플러의 행성 운동의 3법칙, 이어서 뉴턴의 만유인력 법칙까지. 이 모든 것이 어떻게 연결되어 있는지 전체적인 맥락을 보여준다.

2부 마법의 돌, 인류에게 진짜 마법을 선물하다
전자기학에서는 인류가 폭발적으로 발전하는 계기를 마련해준 전자기학의 역사가 소개된다. 우연히 나침반의 움직임을 발견한 외르스테드를 시작으로, 전류가 만드는 자성을 규명하고자 했던 앙페르, 열정을 품고 오로지 한 길만 걸어가며 수많은 전기와 자기의 상호작용을 규명했던 패러데이와 이를 수학적으로 증명해준 맥스웰까지. 이 모든 일이 일어났던 1800년대의 뜨거운 발견의 역사를 알려준다.

3부 아주 작은 세계의 움직임을 탐구하다
양자역학에서는 물질의 근원에 관한 의문을 제시한 아리스토텔레스의 4원소설과 데모크리토스의 원자설에서 시작하여 양자역학적 사고에 도달하기 위한 모든 역사적 배경을 들여다본다. 그 후에 양자역학이 무엇인지, 그리고 이 양자역학이라는 학문이 어떻게 만들어지게 되었으며, 어떠한 형태로 자리 잡게 되었는지에 관한 이야기를 소개한다.

4부 온도로부터 밝혀진 우주의 법칙을 찾아서
열역학에서는 18세기 산업 혁명에서 시작해 엔트로피라는 개념까지, 에너지는 전환만 될 뿐 절대로 사라지거나 생성되지 않는다는 열역학 제1법칙과, ‘분자들의 질서’는 항상 확률적으로 높은 상태로 이동하려 한다는, 즉 무질서한 방향으로 이동하려 한다는 열역학 제2법칙에 대해 살펴본다. 또한 실제로 열기관을 작동시키는 주요 작동 원리들의 기본인 기체 분자 운동의 과정과 네 가지 기본 열역학적 과정에 관한 이야기, 그에 따른 카르노 기관의 작동 원리에 관해 알려준다.

5부 과학의, 과학에 의한, 과학을 위한 과학
기본 단위계에서는 갈릴레이 이후 ‘측정’의 중요성이 대두되기 시작한 과학계는 측정 기준인 ‘단위’가 같아져야 한다는 주장으로 이어지게 되었다. 이러한 배경을 바탕으로 우리가 사용하는 길이, 시간, 질량, 전류, 온도, 광도, 물질량의 단위가 어떻게 정의되었는지 알려준다.

이외에도, 우리 일상과 아주 긴밀하게 연결된 ‘미분과 적분’이라는 공식의 탄생과 뉴턴의 대발견인 ‘만유인력’이 서로 어떻게 연결되는지. 나아가 ‘만유인력’이 진짜 설명하고 싶었던 본질이 무엇인지를 당시의 시대적 맥락과 환경을 바탕으로 풀어낸다. 또한 ‘뉴턴 3법칙’의 단순 나열이 아니라, 뉴턴 스스로가 물체의 운동을 어떻게 사색했는지를 공감할 수 있도록 다양한 일화가 소개된다. 패러데이가 발견해낸 전류와 자기장의 관계가 현대 전기 문명에 어떠한 영향을 미쳤는지, 또 그의 예견이 어떻게 수학적으로 구현될 수 있었는지에 관한 이야기 등이 나온다. 책을 통해 이러한 과학 개념의 역사적인 배경을 이해하게 된다면 지금까지 배워왔던 과학과는 전혀 다른 재미와 즐거움을 느끼게 될 것이다. 또한, 이 세상이 무엇으로 이루어져 있고, 어떻게 움직이는지, 수많은 물질이 서로가 서로에게 어떻게 영향을 미치며 살아가는지, 물리를 포함한 과학에 그 답이 있다는 사실을 자연스럽게 깨닫게 될 것이다.

들어가며 | ‘과학을 쿠키처럼’이란? | 8

1부 물체는 왜 움직이는 걸까? _클래식 역학 이야기
1. 물체는 ‘무엇’ 때문에 움직이는 걸까? | 14
2. 하늘의 별들은 어떻게 움직이는 걸까? | 25
3. ‘힘’이라는 개념을 언제부터 사용하게 된 걸까? | 39
4. 뉴턴 이후의 물리학, 더욱 세련되게 발전하다 | 53
부록│대체 빛의 속도를 어떻게 알아냈을까? | 64

2부 마법의 돌, 인류에게 진짜 마법을 선물하다 _전자기학 이야기
1. 호박과 자철석 마법이 새로운 과학을 열다 | 76
2. 움직이는 전기, 놀라운 기적을 만들어내다 | 87
3. 꽤 어렵지만 살짝 맛보기는 가능할 걸? 맥스웰 방정식 | 98
4. 전자기학의 끝에서 새로운 역학 세계를 열다 | 113
5. 클래식 역학과 전자기학, 그 끝에 아인슈타인이 있다 | 124
부록│우리는 어떻게 무선 통신을 할 수 있는 걸까? | 140

3부 아주 작은 세계의 움직임을 탐구하다 _양자역학 이야기
1. 대체 물질의 근원은 무엇일까? | 152
2. 빛은 입자일까, 파동일까? | 162
3. 양자역학이란 무엇일까? | 179
4. 솔베이 전쟁, 그리고 슈뢰딩거 고양이 | 197
부록│〈앤트맨과 와스프〉에 숨어 있는 양자역학이 궁금하다면…… | 216

4부 온도로부터 밝혀진 우주의 법칙을 찾아서 _열역학 이야기
0. 에너지란 무엇일까? | 224
1. 에너지는 결국 사라지는 걸까? | 234
2. 공든 탑을 무너뜨리고 싶은 게 자연의 본성이라고? | 242
부록│그래서 증기기관은 어떻게 움직이는 건데? | 255

5부 과학의, 과학에 의한, 과학을 위한 과학 _기본 단위계 이야기
1. 단위 체계는 언제부터 만들어졌을까? | 268
2. SI 기본 단위들은 어떻게 만들어졌을까? | 277
3. 기본 상수를 이용해 네 개의 단위가 새롭게 정의되다 | 289
부록│키블 저울은 어떻게 kg을 새로 정의할 수 있었을까? | 305

나가며 | 하늘은 왜 파란색으로 보이는 걸까? | 313

한편 데카르트는 세상의 모든 물체는 무언가 완벽한 ‘진리’를 통해서 서로 맞물려 움직이고 있다고 주장했습니다. 이러한 세계관을 우리는 ‘기계론적 세계관’이라고 부릅니다. 앞에서 언급했던 데카르트의 사고방식으로 바라본다면 상당히 자연스러운 맥락이라고 생각할 수 있겠죠?
이 세계관의 등장은 17세기 이후 서양 사람들의 사고에 막대한 영향을 주었습니다. 중세 시대를 거의 완벽에 가깝게 장악했던, 당시 진리의 최고 후보인 ‘절대자’를 상징하는 ‘크리스트교’의 찬란하던 구름이 걷히기 시작하자, 이제 세상은 차기 진리의 후보로서 ‘과학’이라는 학
문을 본격적으로 내세우기 시작합니다.
물체는 ‘무엇’ 때문에 움직이는 걸까? | 21~22쪽

이런 핼리와의 약속이 뉴턴의 성급하지만 집요한 성품과 만나게 되면서, 그동안 천상계의 움직임에는 천상계만의 법칙이, 그리고 지상계의 움직임에는 지상계만의 법칙이 작용하고 있다는 절대 진리를 붕괴시킨, 물리학 역사상 손에 꼽을 만한 위대한 역작을 탄생시키게 됩니다. 이것이 바로 세상의 운동을 단 하나의 원리를 이용해 설명한 책 『프린키피아』입니다!
‘힘’이라는 개념을 언제부터 사용하게 된 걸까? | 58쪽

사실, 맥스웰 방정식에 사용되는 수학은 대학 물리학, 그것도 전자기학을 전공해야 배울 수 있는 수준입니다. 하지만 이 식이 무엇을 의미하는지에 관한 정보는, 과학사의 맥락에 소개되었던 것처럼 어느 정도는 충분히 이해할 수 있는 내용으로 만들어져 있답니다. 왜 그럴까요? 그 이유는, 이 복잡하고도 미묘한 세상을 아주 단순한 모형으로 만들어서, 그 모형의 원리를 이용해 모든 것을 설명하고자 시도하는 학문이 바로 물리학이기 때문이랍니다!
꽤 어렵지만, 살짝 맛보기는 가능할 걸? 맥스웰 방정식 | 111쪽

아인슈타인의 일반 상대성 이론이 증명된 이후, 뉴턴역학으로만 기술되던 천체물리학 또한 상상도 못 할 만큼 막대한 영향을 받게 됩니다. 이 새로운 중력 이론을 적용하면 기존의 뉴턴역학으로 깔끔하게 설명하지 못했던 수성의 이상 궤도 현상도 말끔히 설명할 수 있게 됩니다. ‘아인슈타인 십자가’와 같은 십자 모양의 천체가 관측되는 원인도 설명할 수 있었죠. 그뿐만 아니라 우리의 우주가 어떻게 시작되었는지에 관한 실마리인 빅뱅 이론에 대한 모티프를 제공하기도 했습니다. 그야말로 세기를 뛰어넘는 발견의 쾌거가 아닐 수 없었습니다.
클래식 역학과 전자기학 그 끝에 아인슈타인이 있다 | 138쪽

전자가 움직이는 것을 실제로 본 사람이 있나요? 전자를 최초로 발견해낸 과학자 J. J. 톰슨이 전자를 보았다고 말할 수 있을까요? 보어의 원자 모형을 통해 드러난 수소의 선 스펙트럼을 관찰한 것이 전자 자체를 본 것이라고 할 수 있을까요? 절대 아닙니다! 당시뿐만 아니라 오늘날까지도 전자의 위치와 운동을 동시에 정확하게 관측한 과학자는 단 한 사람도 없습니다. 그렇다면 우리가 실제로 볼 수 있는 것은 무엇일까요? 우리는 원자가 방출하는 전자기파‘만’을 볼 수 있는 것입니다.
양자역학이란 무엇일까? | 189쪽

‘에너지는 보존되며, 절대로 소멸되거나 생성되지 않는다’는 이 법칙을 현재 우리는 에너지 보존 법칙, 또는 열역학 제1법칙이라고 부르고 있습니다. 이 법칙은 당시에는 전혀 다른 분야로 여겼던 전기학, 자기학, 동력학, 열역학 등의 수많은 학문들을 단 하나의 범주, ‘물리학’이라는 이름의 하나의 학문으로 묶어주는 결정적인 계기를 제공하게 됩니다. 바야흐로 물리학이라는 학문이 탄생하게 된 결정적인 계기를 제공하게 된 것이지요!
에너지는 결국 사라지는 걸까? | 241쪽