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“땅과 바다, 동물과 곤충, 하늘의 별과 인간까지
마법처럼 살아 움직이는 물리 세계로의 초대”

일상에서 만나는 현상들을
물리의 눈으로 바라보다

과학은 우리가 만나는 모든 것, 땅과 바다, 동물과 곤충, 우주와 인간까지 삼라만상의 움직임과 그 원리를 밝히는 학문이다. 당연히 어렵고, 또 복잡할 수밖에 없다. 하지만 그런 이유만으로 우리가 과학에서 멀어지는 건 아닌 듯하다. 병원을 방문했을 때의 섬뜩함이 과학에서도 느껴진다. 주삿바늘을 꽂아넣고 고름을 빼내기 위해 배에 구멍을 뚫어놓은 환자들의 모습이 과학에서도 비치기 때문이다. 생물학은 우리 인간이 우연히 나타나 생존에 성공한 종(種)에 불과하다 말하고, 화학은 사랑 같은 감정도 모두 호르몬에 의한 화학 반응에 불과하다고 한다. 뇌과학은 우리의 사고 과정을 컴퓨터 회로 다루듯 분석한다. 물리학은 무심하게 세상에서 일어나는 일들이 모두 양성자와 중성자, 전자의 움직임이라고 설명한다. 이렇듯 과학이 인간보다 높은 위치에서 내려다보는 듯하니 과학이 싫어지는 게 당연해 보일 지경이다.
하지만 과학은 그런 것이 아니다. 단편적인 수식이나 명제의 무게에 매몰되어선 안 된다. 그 속에 담긴 의미를 찬찬히 음미해야 한다. 그러면 더 깊은 신비와 경이로움을 만날 수 있다. 《익숙한 것들의 마법, 물리2》는 이러한 신비와 경이로움을 널리 알리기 위한 노력이 묻어 있는 책이다.

고전역학에서 상대성 이론, AI까지
친근한 대화와 그림으로 다가서다

과학이 우리에게 들려주는 이야기는 몇 가지 법칙과 수식으로 섣부르게 결론 내릴 수 있을 만큼 단순하지 않다. 과학이 파헤친 자리에는 더 깊은 신비와 경이가 숨어 있다. 저자 황인각 교수는 과학을 통해 사물과 현상 뒤에 숨어 있는 신비와 경이로움을 널리 알리고 싶었다. 그리고 ‘과학을 어떻게 하면 좀 더 쉽고 재미있게 설명할 수 있을까’ 고민했다. 그래서 그는 비전공자를 대상으로 한 교양 강좌를 진행하면서 학생들의 눈높이에 맞춰 ‘만물의 원리’, 즉 물리(物理)를 풀어냈다. 수식이나 복잡한 법칙 대신 원리와 생각, 그림으로 우리가 살아가는 이 세상이 어떻게 이루어져 있고, 어떤 원리로 작동하는지 보여준다. 물론 일방적인 강의가 아닌 관찰과 질문, 토론 중심의 수업을 만들어갔다. 그 결과 10여 차례에 걸쳐 교육 우수 교수, 탁월한 강의 등에 선정되기도 했다.
물론 다루는 내용은 만만찮다. 물리학의 정수라고 할 수 있는 뉴턴의 고전역학부터 양자역학, 아인슈타인의 상대성 이론, 슈뢰딩거의 고양이와 인공지능(AI)의 원리에 이르기까지 어느 것 하나 쉬운 것이 없다. 하지만 주요 내용을 문답 형식으로 풀어 쉽게 핵심을 이해할 수 있도록 했다. 이 책은 처음부터 끝까지 학생과 선생이 주고받는 대화 형식으로 이야기가 펼쳐진다. 기초부터 차근차근, 모두가 궁금해할 만한 흥미로운 이야기부터 저자가 실제 수업에서 질문받았던 내용과 핵심까지 중요한 내용들을 빼놓지 않고 다룬다. 실제로 이 책의 모든 내용은 수업에 참여한 학생들의 질문과 토론을 거치면서 다듬어졌다. 이것만으로 부족하다고 생각했는지 저자는 한 걸음 더 나아가 스스로 그림까지 그려가면서 설명한다.


과학에만 머물지 않는다
존재와 철학이 깃든 물리학

《익숙한 것들의 마법, 물리2》는 과학책이지만 과학만을 다루지는 않는다. 과학은 그 자체로 우리 인간 존재의 답을 찾아가는 과정인 동시에 진리의 탐구다. 이는 책 뒷부분에서 과학을 대하는 자세는 어떠해야 하는지, 왜 과학을 공부해야 하는지, 그리고 우리는 어떤 존재인지 묻는 것으로 나타난다. 또 진리는 어떤 속성을 갖고 있는지, 진리를 어떻게 다루어야 하는지도 이야기한다. 저자는 이것들이 모두 하나로 연결되어 있다고 본다. 과학을 통해 자연이 품고 있는 지혜와 지식을 배우고 그로부터 합리적이고 엄밀한 사고방식, 그리고 조화와 아름다움을 배워야 한다고 믿는다. 과학이 생존을 위한 도구가 아니라 우리 인간을 보다 온전한 존재로 나아가게 하는 밑바탕이 되어야 한다고 말한다. 그래서 노벨상을 목표로 과학자의 길에 들어선 사람, 보상을 목표로 과학 하는 사람들을 경계한다.
《익숙한 것들의 마법, 물리2》는 현대물리학에 관한 가장 쉽고 친절한 교과서인 동시에, 우리를 마법처럼 신비롭고 놀라운 진리의 세계로 이끄는 초대장이기도 하다.
이제 과학이 전하는 진리를 확인하고, 자연이 들려주는 메시지에 귀 기울여보라. 우리가 숨 쉬고 살아가는, 익숙한 일상이 얼마나 놀랍고 경이로운지를 깨닫게 될 것이다.


★ 저자의 수업에 참여한 학생들의 소감

- 우주에서 우리가 태어난 게 얼마나 기적 같은 일인지 배우며 매우 인상 깊었습니다. 사막 한 가운데 우물 속에 사는 개구리는 자신이 축복받았다는 걸 모르듯이, 저는 인류가 축복받았다는 사실을 이 수업을 통해 알게 되었습니다.
- 복잡한 수식이 마구 등장하는 물리는 평생 이해할 수 없을 것이라고, 나와는 거리가 먼 존재라고 생각했습니다. 하지만 마지막 강의에서 이 생각이 종지부를 찍은 것 같습니다. 과학은 철학과도 맞닿아 있습니다. 사물의 원리를 탐구하고, 우리 앞에 펼쳐진 끝없는 우주를 알아가는 과정이 철학이 아니면 무엇일까.
- 삶에 회의가 밀려올 때 이 수업이 떠오를 것 같습니다. 모든 것이 무의미하게 느껴지고 지칠 때, 다시금 일어설 수 있는 힘을 줄 것 같아요.
- 과학의 역사는 항상 감동을 줍니다. “이 우주가 인간이 만들어낸 수학으로 설명된다는 것은 커다란 선물이다.” 정말로, 정말로 이 말이 맞습니다. 이 거대한 우주에 비해 인간은 얼마나 작고 짧고 적은 존재인가요. 그런데 그 인간이, 그 인간에게 깃든 이성의 편린이, 이 우주의 진리에 도달할 가능성을 지니고 있다니, 정말 믿을 수 없는 일입니다.

김상봉(전남대 철학과 교수)
“과학의 한계를 넘어 전체 존재와 삶의 관점에서 물리 이론을 반추한다.
과학이 철학이 되고, 시가 되는 경이로운 독서에 참여하기를!”
이 책은 현대물리학의 성과를 대화의 형식으로 풀어낸 책입니다. 저자는 일방적으로 강의하지 않고, 독자를 겸손하게 과학적 인식으로 초대합니다. 그러나 이 책의 가치는 과학자가 과학의 한계를 넘어 전체 존재와 삶의 관점에서 물리 이론을 반추한다는 데 있습니다. 그런 점에서 이 책은 과학책이면서 동시에 철학책이기도 합니다. 심지어 이 책의 마지막엔 한편의 문학 작품처럼 우리를 울리기까지 합니다. 부디 많은 독자들이 과학이 철학이 되고, 시가 되는 그 경이로운 독서에 참여하기를!

김범준(성균관대 물리학과 교수)
“물리학을 말하지만, 물리학만을 말하진 않는다.
생명과 의식, 그리고 우주의 의미를 함께 고민하게 만드는 멋진 책”
불, 공기, 물, 그리고 에너지와 빛에 대한 멋진 책을 출간한 저자가 다시 독자를 찾아왔습니다. 이번에는 뉴턴의 고전역학, 아인슈타인의 상대성이론, 그리고 경이롭고 신기한 양자역학을 재밌고 친절하게 설명합니다. 저자는 물리학을 말하지만, 물리학만을 말하지 않습니다. 생명과 의식, 그리고 우주의 의미를 함께 고민하게 만드는 멋진 책입니다. “우리의 근원을 이해하려는 갈망에서 출발한 과학”은 어떤 얘기를 들려줄까요? 물리학이 보여주는 자연이 궁금한 모두에게 이 책을 추천합니다.

들어가는 말

1장. 모든 움직임에는 원인이 있다
- ‘스스로’ 움직이는 것은 없다
운동의 원인 / 뉴턴의 운동법칙Ⅰ / 뉴턴의 운동법칙Ⅱ / 네 가지의 힘 / 미래는 이미 결정되어 있을까?

2장. 생명과 지능
생명체와 기계 장치 / 물과 생명 / 몸 안의 일꾼, 단백질 / 단백질 만들기 / 뇌가 생각하는 법 /
인공지능

3장. 작은 세계의 마법: 양자역학
2% 부족한 고전역학 / 빛의 두 얼굴 /
전자의 두 얼굴 / 모호한 세상 /
살아 있으며 죽어 있는 고양이

4장. 시간과 공간의 마법: 상대성 이론
네가 보는 속도, 내가 보는 속도 / 상대론의 탄생 / 특수상대론Ⅰ / 특수상대론Ⅱ / 일반상대론 /
차원 이야기

5장. 우주와 인간
우주의 구조 / 우주의 의미 / 과학의 목적 /
대학과 진리 / 진리와 만나다

아리스토텔레스는 자연의 움직임을 바라보며 그 의도를 찾으려는 경향이 있습니다. 왜 움직일까? 어디로 가려는 걸까? 반면 갈릴레오와 그 이후의 과학자들은 자연의 움직임에서 의도를 찾는 것은 무의미하다고 봅니다. 그보다는 어떻게, 어떤 경로로 움직이는지에 주목하죠.
_21쪽

세상은 전하로만 이루어져 있기 때문에, 이 전하를 움직이는 유일한 방법은 다른 전하를 갖다 대어 전기력으로 가속시키는 방법뿐입니다. 따라서 우리가 살아가는 세상의 실체는 이렇게 상상하면 됩니다. 무수히 많은 원자핵과 전자들이 자유롭게 돌아다니며 서로 힘을 주고받아 움직이는 것이라고 말입니다. _53쪽

일반 프로그램과 인공지능의 차이를 설명해볼게요. 컴퓨터와 상대하는 대부분의 게임에서는 일반 프로그램과 겨루게 됩니다. 일반 프로그램은 프로그램을 만든 사람이 컴퓨터의 행동 규칙을 미리 정해둡니다. ‘오목에서 상대방의 돌이 4개 연속 늘어서 있다면, 나머지 한쪽도 막는다’, ‘컴퓨터측의 병력이 상대방보다 2배 이상 우세하면 적의 본진으로 진격을 시작한다’ 이런 식의 규칙이죠. 이런 규칙을 알고리즘이라고 합니다. 컴퓨터가 얼마나 똑똑한가는 이 알고리즘을 만든 개발자의 실력에 달려 있습니다. 그리고 따로 개발자가 업데이트를 하기 전까지는 이 알고리즘이 변함없이 유지됩니다.
반면, 인공지능에서는 컴퓨터에게 어떤 알고리즘도 알려주지 않고, 매번 알고리즘을 조금씩 바꿔보면서 어떤 알고리즘이 가장 유리한지 찾아보라고 합니다. 한참 시간이 흐른 후에 컴퓨터가 과연 어떤 알고리즘을 갖게 될지는 미리 예측할 수 없습니다. 그래서 인공지능은 매번 새로운 것을 익혀가는 ‘학습능력’이 있다고 말합니다. _114~115쪽

슈뢰딩거의 고양이에 재미있는 점이 또 있습니다. 상자를 열기 전에는 고양이가 삶과 죽음의 중첩 상태에 있다고 했는데, 상자를 열면 어떻게 되죠?

살아 있든지 죽어 있든지 둘 중 하나라고 하셨잖아요.

이상하지 않나요? 상자를 여는 순간 고양이의 운명이 결정된다는 사실이 말입니다.

그러고 보니 이상하긴 하네요. 일반적으로 죽은 고양이를 보면 ‘아까부터 죽어 있었나 보다’라고 말하잖아요. 그런데 이제는 마치 내가 상자를 열어서 고양이가 죽은 듯한 느낌이 드니까 말이예요.

그게 양자역학의 오묘한 점입니다. 관찰이 ‘이미 존재하는 결과를 확인하는 행위’가 아니라, ‘결과를 결정짓는 행위’가 된다고 말하니까요. 마치 성적 사이트에서 기말고사 점수를 확인하려고 버튼을 누르는 순간 점수가 결정된다는 이야기와 비슷하거든요. _172쪽
고전물리학의 불완전한 부분을 대체하는 새로운 물리학을 현대물리학이라고 부르는데요. 현대물리학은 크게 두 개의 기둥 위에 서 있습니다. 하나는 양자역학, 또 다른 하나는 거의 같은 시기에 만들어진 상대성 이론입니다. 양자역학이 당시의 걸출한 물리학자들이 함께 머리를 싸매고 만들어낸 이론인데 반해서, 상대성 이론은 거의 아인슈타인 혼자서 제안하고 완성시켰다는 특징이 있습니다. 공통점도 있습니다. 양자역학의 시작과 마찬가지로, 상대성 이론도 빛의 정체를 탐구하다가 나오게 되었거든요. _195쪽

세상은 물질로 이루어져 있고, 그 물질들 사이에는 일정한 법칙이 작용합니다. 과학은 물질과 그것을 움직이는 법칙을 탐구하고, 그것 외엔 아무것도 없다고 가정합니다. 이 세상의 한 부분, 예를 들어서 날아가는 야구공이든, 모기의 눈알이든, 인간의 뇌세포든, 그것만 떼어놓고 실험대 위에서 자세히 관찰하면 과학의 가정이 옳다는 것을 알게 됩니다.
그런데 그 모든 것들이 한데 모여 있는 우주는 각 부품이 갖고 있는 특성, 그 이상의 것이 만들어집니다. 야구공과 배트가 모여서 역사적인 경기 장면이 나오고, 모기의 눈알 같은 것들이 모여서 생명의 공동체를 이루고 뇌세포 덩어리에서 대화와 사고가 생겨납니다. 물질이 모여서 물질을 초월하는 그 무언가를 만들어내는 것이죠. _277쪽

우리는 과학을 통해서 자연이 품고 있는 지혜와 지식을 배우고 그로부터 합리적이고 엄밀한 사고방식, 그리고 조화와 아름다움을 발견해갑니다. 야만과 무지, 어리석음에서 벗어나 더 인간다워질 수 있는 것이죠. 과학이 하나의 생존 도구가 아니라 우리를 온전한 인간으로 빚어가는 과정이 되기를 바랍니다. _287쪽