출판사 서평
물리학에서 미래의 희망을 만나다!
세계적 물리학자 한스 그라스만의 모두를 위한 물리학.
물리학은 물질이 작동하는 이치를 다룬다. 비록 물리학이 어렵고 난해한 공식으로 가득찬 학문으로 비칠지?라도 물리학은 현대인 모두가 알아야 할 교양이라고 할 수 있다. 왜냐하면 세계에 물리와 관계되지 않은 것은 하나도 없고 궁극적으로 물리학을 통해서 비로소 세계와 인간의 존재 방식을 이해할 수 있기 때문이다. 그래서 수학과 함께 물리학은 중요한 기초 과학으로 통한다.
그런데 현대와 같이 고도로 발달한 과학 기술 시대에 기초 학문으로서의...
물리학에서 미래의 희망을 만나다!
세계적 물리학자 한스 그라스만의 모두를 위한 물리학.
물리학은 물질이 작동하는 이치를 다룬다. 비록 물리학이 어렵고 난해한 공식으로 가득찬 학문으로 비칠지라도 물리학은 현대인 모두가 알아야 할 교양이라고 할 수 있다. 왜냐하면 세계에 물리와 관계되지 않은 것은 하나도 없고 궁극적으로 물리학을 통해서 비로소 세계와 인간의 존재 방식을 이해할 수 있기 때문이다. 그래서 수학과 함께 물리학은 중요한 기초 과학으로 통한다.
그런데 현대와 같이 고도로 발달한 과학 기술 시대에 기초 학문으로서의 물리학은 무엇을 할 수 있을까?
과학은 많은 문제를 해결하고 성과를 가져왔지만 아직 많은 과제들이 남아 있다. 세계적 물리학자이며 톱 쿼크의 공동 발견자인 저자 한스 그라스만은 물리학의 입장에서 그 문제들을 설명하고 해결하려고 한다. 그것은 큰 예산을 들이는 거대 프로젝트로만 풀 수 있는 것은 아니다.
예를 들어 힘과 운동, 에너지를 다루는 것이 물리학이라면 현재의 비효율적인 재생에너지의 문제를 물리학을 통해 해결할 수 있을 것이다. 실제로 한스 그라스만은 환경을 구하고 에너지 문제를 해결할 희망의 열쇠가 물리학에 있다고 말한다. 그리고 그것을 실험으로 증명해 보인다. 그는 물리학이 기본으로 돌아감으로써, 곧 모든 사람이 이해할 수 있는 물리학을 함으로써 인류가 부닥친 현실적 문제들도 해결할 수 있을 것이라고 말하며 물리학의 흥미로운 여정으로 우리를 안내한다.
고전 역학에서 현대 양자물리학까지 물리학의 중요한 기초 지식을 망라하고 새로운 물리학 분야인 정보 물리학에 대해 기초 이론을 제공한다.
저자는 유럽입자물리학연구소(CERN)과 미국의 페르미 연구소에서 입자물리학을 연구하고 톱 쿼크의 존재를 증명한 최고의 입자물리학자이자 이탈리아 우디네 대학에서 물리학을 가르치는 교육자이며 동시에 아이소모프라는 물리학 기업의 CEO이다. 매우 독특한 경력을 가진 그는 세계 물리학계의 중심부를 거치면서 과학계 내 외부의 문제를 가장 첨예하게 경험하였다. 그는 과학의 발전을 가로막는 문제들에 비판적으로 접근하고 견해를 피력하면서, 물리학에 대한 열정으로 과학 정책에 표를 던질 대중들을 위해 이 책을 썼다. 특히 청소년과 젊은 연구자들을 위해서 물리학의 가장 밑바탕에 있는 주요 개념과 공식을 비롯하여 물리학이 나아갈 방향, 그리고 정보물리학과 같은 첨단 물리학에 이르기까지 자신의 연구와 경험을 바탕으로 차근차근 이야기해 나간다.
왜 지금 물리학은 미래를 창조하지 못하고 있을까?
1장은 본격적으로 물리학의 이론에 접근하기 전에 프롤로그 격으로 세계화 시대에 물리학이 기초 연구를 함으로써 고귀한 미래를 창조할 수 있지만 현실에서는 왜 그렇지 못한지를 역설한다. 비대해져서 세금만 낭비하는 연구 행정과 비효율적인 연구 현실, 그리고 저자 자신이 현실에서 작동하는 물리학을 하기 위해 기업을 설립하게 된 경위를 쓰고 있다.
독일과 이탈리아에서의 저자의 경험이지만 우리나라의 현실과도 그리 다르지 않아 보인다. 젊은 과학자들에게 연구의 자유를 주어야 하며 지원을 아끼지 말아야 한다는 저자의 주장은 전시 행정적인 프로젝트와 이름뿐인 연구소에 거액의 예산을 들이며 대다수 젊은 과학자들에게 좌절감을 안겨주는 현실을 보면 그리 지나치지 않아 보인다. 우리나라에서도 과학의 기초연구를 위한 과학벨트 건설이 가시화되자 과학자들은 이구동성으로 말하고 있다. 지원은 하되 간섭은 하지 말아야 한다, 자율적인 연구가 ‘반드시’ 보장되어야 한다고. 연구의 자유, 생각의 자유, 그것은 모든 과학자들의 간절한 요구이다.
누구나 이해할 수 있는 물리학의 개념, 그리고 재생에너지 분야에 적용된 물리학의 힘!
2장에서 8장까지는 고전물리학에서 현대 양자 이론까지 기본 원리와 개념을 매우 단순하고 명확하게 설명하고 있다. 속도, 에너지와 운동량의 보존, 힘과 공간, 상대성 이론, 벡터, 파동, 양자 이론, 열역학 등이 그것이다. 저자는 뛰어난 교육자답게 가장 간단하게 물리학을 설명하고 있다. 저자의 설명을 보면 물리학은 그리 복잡한 것이 아니다. 이 부분을 읽으면 특히 서구 유럽의 과학적 기초를 확실히 실감할 수 있다. 가장 단순하게, 조작적으로 사고함으로써 가장 복잡하고 난해한 이론을 설명해 내는 것이다. 막대기와 시계로 힘과 운동을 설명하고, cd 한 장으로 양자 역학의 원리를 규명하며, 뜨거운 쇳조각과 차가운 쇳조각으로 열역학을 보여주는 저자의 설명은 매우 탁월하다. 여기까지만 하더라도 매우 소중한 물리 시간이 될 터이다.
그런데 저자는 고전물리학을 이해하고 설명하는 데 그치지 않는다. 놀랍게도 물리학의 기초 이론을 재생 에너지 분야에 적용하여 값싼 에너지를 얻을 수 있는 방법을 실험, 개발해 낸다. 우선 에너지와 운동량 보존 법칙을 가지고 풍차를 연구하여 풍차에서 더 많은 에너지를 얻을 수 있는 장치를 개발하였다.(80쪽) 그리고 만드는 데 비용이 많이 드는 데다 태양빛을 온전히 이용하지도 못하는 태양 전지판이나, 거울을 이용한 태양열 탑에서 생산된 에너지가 물리학을 전혀 고려하지 않은 덕분에 석유보다 더 비싼 에너지가 된 사례들을 보며 태양빛을 더 저렴하고 간단한 장치로 모으고 이용할 수 있는 방법을 개발하였다. 수많은 거울을 단 하나의 모터로 움직이는 선형 거울 시스템이 그것이다(117쪽). 저자는 사람들이 에너지 문제를 해결하고 환경을 구하기 위해서 모든 것을 하려고 하지만 물리학 없이 하려고 한다면 반드시 실패한다고 조언한다. 지금까지 재생 에너지들이 기대만큼 비용 대비 효과를 얻고 있지 못한 현실을 생각하면 매우 의미심장한 부분이 아닐 수 없다.
한 달 전(2011년 4월) 한스 그라스만은 다음 세대를 위한 프란츠 몰 재단에서 수여하는 국제적인 상인 ‘핵 없는 미래 상’(솔루션 부문)을 수상하였다. 후쿠시마 핵발전소 사고가 난 바로 뒤의 일이다. 이 상의 수상 연설에서 그는 이렇게 말한다. “태양 에너지를 모으는 ‘선형 거울’은 기존의 석탄이나 핵발전소가 했던 모든 것을 할 수 있습니다. 열, 전기, 냉장을 비롯한 모든 것을……. 물리학은 기본으로 돌아감으로써 성공합니다.”
거울 시스템을 적용하기 위해 사막 같은 큰 공간이 필요한 것도 아니다. 그는 이 연설에서 자신이 연구를 실행하고 몇 년이 지난 지금 선형 거울 시스템을 집 앞마당이나 빌딩 옥상에도 설치할 수 있게끔 상용화하는 데도 성공했다고 밝히고 있다.
물리학의 기초 이론을 이해하고 실용적인 지식에 적용하는 과정을 보면 누구라도 물리학에 더욱 흥미를 느끼지 않을 수 없다.
새로운 물리학을 향한 일보 전진
저자는 물리학의 기본을 가장 충실히 연구하고 소개하고 있지만 그것은 기존의 물리학만을 붙잡고 있다는 의미는 아니다. 그는 뉴턴 시대의 물리학이 당시에 새롭고 흥미로운 물리학이었던 것과 마찬가지로 지금은 지금 시대에 맞는 새로운 물리학을 해야 한다고 말한다.
새로운 물리학, 그것은 이 책의 9장에서 15장에 해당한다. 여기서 저자는 물리학을 생명과 진화, 그리고 정보에 적용한다. 열역학 제2법칙은 예외적인 공간 없이 모든 것에 적용되는 것이므로 생명도 예외가 아니다. 저자는 열역학적 관점으로 생명의 진화 법칙을 단순하게 설명해 낸다. 열역학 법칙을 진화 과정에 적용하는 흥미로운 내용이나, 정보와 이미지를 처리하는 뇌와 컴퓨터, 곧 시각과 사고에 접근하는 물리학적 관점은 미래 사회에 물리학이 어떤 질문을 던지며 그 해답을 어떻게 추구해 나갈 것인가에 대한 많은 시사점을 준다.
그래서 이 책

유권자가 원한다면 정치가는 확실히 바꿀 것이다. 그런데 유권자는 물리학에 관심이 없다. 유권자는 환경 보호에도 관심이 있고 평화에도 관심이 있지만 물리학에는 전혀 관심이 없다. 그래서 우리가 아직도 석유를 놓고 전쟁을 하고 있는 것이다.-25쪽

지원을 받는 젊은이들은 물리학만 생산하는 것이 아니라 장기적으로 더 중요한 무엇인가를 일으킬 것이다. 우리는 우선 물리학에 재능이 있고 결과를 내놓을 수 있는 사람을 구별하게 된다. 지금은 재능이 있는 젊은이와 재능이 없는 젊은이를 구별할 수 없다. 아무도 자신의 재능을 보여 줄 기회가 없기 때문이다. 역시 위계 질서, 권력, 행정 때문이다. 만약 누가 훌륭한지 알 수 있다면, 그에게 열린 자리를 줄 수 있을 것이다. 하지만 현재의 시스템에서 이들에 대한 평가는 아무런 역할을 하지 못하고 있으며 심지어 부정적이기까지 하다.-34쪽


‘스프링 두 개에는 한 개보다 두 배의 힘을 주어야 한다.’는 것 역시 아이들도 알 만큼 간단한 이야기다. 그러면 이렇게 너무나 뻔한 사실이 과학일 수 있을까? 다시 강조하건대, 이것은 당연한 것이 아니며 때로는 틀릴 수도 있다. 원자핵의 가장 작은 입자(쿼크)들은 글루온이라고 하는 일종의 스프링으로 서로 결합되어 있다. 그런데 두 개의 글루온 스프링은 두 배가 아니라 세 배의 힘을 낸다.-53쪽


요즘은 이런 일은 컴퓨터 프로그램으로 시뮬레이션하고 계산할 수 있다. 컴퓨터 프로그램대로 사물이 작동하는 것이다. 앞에 소개한 풍차의 목표 출력은 베츠가 (지름이 같지만) 껍데기 구조가 없는 풍차 한 개당 계산한 최고 출력의 두 배다. 하지만 컴퓨터 프로그램은 잘못 작동할 수도 있으므로 우리는 확실히 하기 위해 다음과 같은 장치를 만들었다.
풍차 주변에 직물로 제조한 일종의 돛을 팽팽하게 달았다. 꿰매기 쉽게 둥글지 않은 육각형으로 만들었다. 그리고 작은 풍차의 출력을 돛이 있는 경우와 없는 경우로 나누어서 풍동에서 측정하였다. 돛이 있는 풍차가 돛이 없는 풍차보다 두 배 이상, 정확히 말하면 출력이 2.5배 높았다.-82쪽

실제 사람을 이용하여 이런 실험을 할 수는 없다. 현재 기술로 만들 수 있는 로켓의 속도가 빛의 속도에 비해 너무 느리기 때문이다. 이에 반해 원소를 이루는 소립자들은 매우 빠른 속도로 가속할 수 있다. 이렇게 빠른 입자를 이용하여 쌍둥이 효과를 정확히 측정했더니, 옳다는 것이 밝혀졌다. 눈에 띄는 차이가 있었다. 따라서 패러독스가 아니다. 하지만 빛의 속도의 불변성은 일상생활에서는 낯설다. 그렇다고 해서 패러독스에 해당하는 것은 아니고 오히려 반대다. 오히려 역설에서 우리를 구해 준다. 그러나 이미 말했듯이 그렇게 빠른 로켓이 없으므로 쌍둥이 효과는 우리 인간에게는 의미가 없다. 그래서 많은 사람들은 쌍둥이 효과를 패러독스라고 하고, 상대성 이론은 우리에게 아무런 실질적인 의미가 없는 물리학자들의 장난이라고 생각한다.-95쪽

태양광 발전소를 구성하는 데 필요한 실리콘 웨이퍼를 만드는 과정을 본 적이 있는가? 순수한 실리콘을 매우 높은 온도로 가열하여 액체로 만들고, 이것을 이용하여 미터 단위의 커다란 결정을 만들어야만 한다. 보기만 해도 머리가 아플 정도다. 한 번 본 사람들은 실리콘 웨이퍼는 결코 싸게 만들 수 없으며 앞으로도 싸게 만들지 못할 것이라는 사실을 안다. 태양 전지 1제곱미터의 가격은 약 600유로다.
반면 거울의 가격은 1제곱미터에 약 20유로일 뿐이다. 거울을 이용하여 작은 표면에 태양광을 집중적으로 내리쬔다면 그 표면은 전기 플레이트만큼 뜨거워질 것이다. 우리는 이 열에너지를 다양한 형태의 에너지로 변환할 수 있다. 예를 들어 다른 발전소처럼 증기를 만들어 증기 터빈을 돌리면 전기가 생산된다.-108쪽


만유인력은 태양계의 천체들을 함께 유지하고 우리가 둥근 지구에서 떨어져 나가지 않도록 해 준다. 우리가 일상생활에서 거의 의식하지 못하는 전기력은 원자와 분자를 결합시킨다. 원자는 양전하의 핵과 핵 주변을 돌고 있는 음전하의 전자로 구성되는데, 양전하의 핵과 음전하의 전자 사이의 인력이 원자를 결합시킨다. 원자 안의 양전하와 음전하의 수가 같기 때문에 조금 떨어져서 보면 원자는 중성으로 보인다. 하지만 원자 안을 들여다보면 전하가 고르게 분포되어 있지 않고 양전하가 많은 곳이 있는가 하면 음전하가 많은 곳이 있다. 전하들이 가까이에, 다시 말해 서로 결합되어 있기 때문에 원자는 전체적으로 전하를 띠고 있다기보다는 전기적으로 중성이라고 할 수 있다. 큰 물체는 많은 원자로 이루어져 있다.-132쪽

사람들에게 시급하게 필요한 것에서조차도 전체 사회는 물리학에 반대하는 결정을 내린다. 사람들은 에너지 문제를 해결하고 환경을 구하기 위해서 모든 것을 하고 싶어 한다. 하지만 물리학 없이 할 수 있는 것만 하려고 한다. 물리학의 도움 없이는 절대로 에너지의 문제를 해결할 수 없다.
이 엔진의 전략적인 의미는 다음과 같다. 오늘날 핵 발전소에서 사용하는 증기 기관 같은 다른 장치 없이 태양열을 전기로 바꿀 수 있다는 것이다. (태양 에너지 역시 핵융합 과정에서 나오는 핵에너지다. 핵 발전소에 대한 이야기는 생략하겠다. 우리가 바로 코앞에 태양과 같은 막강하게 작동하는 원자로를 가지고 있고 공짜로 마음대로 사용할 수 있는데, 도대체 왜 따로 비용을 들여서 이곳 지구에 핵 발전소를 짓는단 말인가?) -178쪽


단지 신호 전달의 문제만을 고려한다면 섀넌의 정의면 충분하다. 하지만 정보의 의미를 묻는다면, 섀넌의 정보 척도는 더 이상 기능하지 않는다. 섀넌의 정의에서는 책 한 권에 들어 있는 정보의 양은 책에 쓰여 있는 철자의 양과 같다. 200쪽짜리 책에는 100쪽짜리 책보다 두 배의 정보가 들어 있는 것이다. 이것은 분명하다.
하지만 우리가 철자들을 무작위로 마구 섞어 버린다면 어떤 일이 벌어질까? 섀넌에 따르면 그래도 정보의 양은 그대로다. 어떻게 보면 이것은 의미가 없어 보인다. 하지만 달리 보면 그 철자들이 아마도 우연히 정렬된 것처럼 보일지라도 실제로 우리가 알지 못하는 어떤 언어일지 누가 알겠는가? 이런 경우라면 책에 정보를 귀속시키는 것이 다시 의미 있을 것이다. 누가 알겠는가? -212쪽

더 심각한 것도 있다. 섀넌의 전체적인 정보 이론과 그것을 전제로 확장된 이론에는 물리학이 조금도 들어 있지 않다. 정보 이론에는 우리가 측정할 수 있는 물리학적 변수가 단 한 개도 없다. 컴퓨터와 우리 두뇌가 물리학적 세계의 한 부분임은 의심할 바가 없는데도 말이다.
우리가 정보 시대에 살고 있다고 하지만, 놀랍게도 ‘정보’, ‘의미’, ‘이해’에 대해 우리가 알고 있는 것이 정말 적다. 이 분야가 연구되어 있지 않아도 그 누구도 신경쓰지 않는다는 사실은 더 놀랍다. -213쪽

목차
머리말 : 볼츠만 만세!
1. 세계화라는 동화에 맞서는 물리학
함무라비의 유산 / 의미 있는 행정, 무의미한 행정 / 물리학과의 이별? / 행정과의 이별! / 각자 계산하라 / 연구의 자유 / 할 일이 많다
2. 가능한 모든 것 : 기초
속도, v와 Δ / 가속도, a / 힘 / 질량 / 뉴턴의 운동법칙 / 에너지와 운동량의 보존 / 에미 뇌터 또는 스프링에 양끝이 있는 까닭은? / 최소 작용 / 실제로 그렇다 / 당구공 / 풍력의 예
3. 상대성 : 완전 좋아!
아인슈탄인의 빛 시계 / 피타고라스의 정리 / 역설적이지 않은 쌍둥이 패러독스 / 상대성이 없으면 지멘스도 없다 / 세계 최고의 이론
4. 벡터 계산 vs. 석유 계산
실제를 위한 화살표 / 태양을 향한 벡터, 자유를 향한 벡터! / 최소 시간의 원리 / 석유 대신 거울 / 아르키메데스의 장치 : 풍요 속의 에너지
5. 힘과 공간 : 세계를 결합시키다
공간의 힘, 힘의 공간 : 마당 / 만유인력 / 두 개의 질량, 두 개의 스프링 / 전기력 / 강력과 약력
6. “만물은 수다.”
시간 여행 : 함수 / 모든 것을 위한 단 한 가지 : 사인 함수 / 파동 / 중첩되는 파동
7. 일상적인 양자이론
아인슈타인과 고대 그리스인 / 입자의 원소 / 점, 선, 각, 덧셈 - 끝 / 수학적인 입자 추적 / 정지한 것에서 출렁이는 세계로 / 미세 조건 : 모든 게 가능하지는 않다 /
8. 열역학 : 우연에도 목적이 있다
한없는 단순성 / 먼저 기체방정식은… / … 그리고 이제 엔진 / 이상한 엔트로피 / 두 개의 따뜻한 쇠 / 목적지향성 우연 / 볼츠만 공식
9. 계속 더 해야 하는가?
10. 물리학 없는 진화
발달은 Yes - 발전은 No? / 복잡성 - 복합 / 인간, 동물, 결론
11. 물리학 없는 정보
공격 개시 시간, 새벽 4시 / 섀논의 정보량 / 그것은 무엇인가 : 정보라고?
12. 정보물리학
작은 개 / 정보와 유한(有限) / 디지털 막대기 / 유령상자 / 물리학적인 계산 / 선형 계산 / 모든 사람들을 위한 양자컴퓨터 / 우리의 희망, 셀 마이크로프로세서 / 셈에 관한 질문 / 이미지 인식 / 계산에서 시각으로 / 플라톤과 불 / 눈을 뜨자 세계가 열리다
13. 그렇게 계속할 수 있을 텐데
14. 물리학 있는 진화
생명이란 무엇인가? / 엔진이란 무엇인가? / 극단적으로 복잡한 증기기관 / 생명은 엔트로피를 증가시킨다 / 무의미한 진화, 무의미한 생명? / 정신생명 / 불쌍한 컴퓨터
15. 마침내 미래!
세계의 거울 / 우리는 아직 상상하지 못한다 / 소수의 생존자 / 네트워크의 사회학 / 물리학을 하라!
역자후기