“정말, 수식과 도표 없이도 물리학을 쉽게 알 수 있다고요?”
물리를 싫어하는 사람들을 사로잡은 흥미로운 물리학 입문서

물리학 하면 많은 사람이 ‘어렵다’, ‘복잡하다’, ‘어디에 써먹어?’라는 반응을 보인다. 심지어 문과 출신인 사람들은 물리학이 자기와 전혀 관련 없는 별개의 학문이라고 여긴다. 그들 중 물리학을 공부하겠다고 마음먹은 사람도 수식에 질려 금세 포기하고 만다. 물리학이 그렇게 복잡하고 어려운 걸까? 우리 삶과 동떨어진 학문인 걸까?
《물리학은 처음인데요》는 수식과 도표 없이 오직 글로만 쓰인, 보통 사람들을 위한 물리학 입문서다. 물리학 지식이 백지에 가까운, 물리학과 특별한 인연이 없던 사람들도 쉽게 읽어 내려갈 수 있는 책이다. 이 책을 읽은 김상욱 교수는 “완전히 어깨에 힘을 빼고 물리 철학의 핵심만 이야기”한 책이라며 “물리 책에 대한 상식”에 도전한 책이라고 극찬했다.
이 책은 고전물리학의 탄생 배경과 물리학 분야에 혁명을 일으킨 상대성이론과 양자론이 성립되는 과정까지 흥미롭게 들려준다. 그렇다고 해서 물리학 역사를 개괄한 책으로 보면 오산이다. 저자는 “우리 눈에 보이는 세계가 진짜”냐는 도발적인 질문을 던진다. 사실 이것은 물리학의 궁극적인 질문이기도 하다. 물리학은 아주 오랜 시간, 보이는 것 너머에 있는 진실을 알아내기 위해 고군분투해 왔다. 그 과정에서, 물리적 세계에서 인간이 어느 위치에 있는지 돌아보게 했다. 이런 점에서 물리학은 인문학적이다.

저자 마쓰바라 다카히코는 대학에서 학생들을 가르치면서 많은 사람이 물리학을 싫어하고, 심지어 혐오한다는 사실을 알게 되면서 이 책을 쓰게 되었다고 한다. 저자는 그 원인을 사람들이 어려운 물리학 계산 때문에 고통 받았던 경험에서 찾았다. 그래서 저자는 복잡한 계산이 아닌 일상적인 언어로 물리학을 설명한다. 사람들이 물리학의 진짜 즐거움을 깨다는 것이 복잡한 수식을 능숙하게 계산하는 것보다 더 중요하다고 믿기 때문이다.

물리학을 싫어하는 학생들은 한 가지 공통점을 가지고 있었다. 바로 어려운 물리학 계산 때문에 고통 받은 경험이었다. 내용을 제대로 이해하기도 전에 비현실적인 상황을 가정한 재미없는 계산을 강요당한 결과 물리학에 질리고 만 것이다. 이러한 학생들에게는 처음부터 계산과 함께 물리학을 가르쳐서는 안 된다. 먼저 물리학이라는 학문의 의미를 일상의 용어로 충분히 설명해 줘야 한다. 그러면 처음에는 싫어하던 학생도 어느새 물리학의 즐거움을 깨닫기 시작한다. _8쪽에서

우리는 어쩌다가 물리학을 혐오하게 되었을까

20세기 최고의 천재 과학자인 아인슈타인은 ‘학교에서 가르치는 수학’을 싫어했다고 전해진다. 물론 아인슈타인은 중등학교 시절까지는 상당히 수학 분야에 뛰어났다. 하지만 학교에서 가르치는 획일적인 수학 교육에 대해서는 전혀 흥미가 없었다. 아인슈타인은 물리학자에게는 오랜 성찰과 직관으로 생각하는 것이 더 중요하다고 생각했다. 또한 수학이 전면에 나서는 물리학 연구가 과연 합당한가에 대한 의문도 가지고 있었다. 이 책의 저자인 마쓰바라 다카히코도 아이슈타인의 이러한 생각에 동의하고 있다. 물리학에서 계산은 꼭 필요하지만 계산이 물리학은 본질은 아니라는 것이다. 계산은 어디까지나 물리학의 도구일 뿐이고, 도구만 있어서는 연구를 할 수 없다고 말한다. 물리학의 진짜 본질은 자연계에 대한 통찰이고, 그 통찰을 통해서 자연계의 본질을 추구하는 것이다.

계산은 목적을 이루기 위한 수단일 뿐이다. 물리학에서는 계산을 통해 이론과 현실을 비교할 수 있다. 또한 계산을 통해 연구상의 생각이 현실 세계에 부합하는지 확인하거나, 이론적인 모순이 없는지 검증할 수 있다. 어쨌든 물리학 연구를 하려면 결국 계산이 필요하다는 것도 사실이다. _27쪽에서

지금까지 설명한 바와 같이 물리학에서 계산은 필수지만 계산이 물리학의 본질은 아니다. 계산은 어디까지나 도구일 뿐이다. 도구가 없으면 연구를 할 수 없지만, 도구만 있다고 해서 연구를 할 수 있는 것도 아니다. 물리학의 본질은 자연계에 대한 통찰이다. 통찰을 통해 자연계의 본질을 추구하는 것이다. 자연계를 관찰함으로써 자연계에 대한 통찰이 옳은지 그른지 확인할 때, 계산과 수학적인 방법이 필요하다. 하지만 애초에 통찰 자체는 인간적인 사고의 결과다. _40쪽에서

하지만 우리는 제도권 교육과정 속에서 물리학이라는 학문의 의미를 제대로 이해하기도 전에 복잡한 수식을 활용한 계산을 능숙하게 해야만 한다는 압박을 받는다. 우리가 의미도 모른 채 물리학을 공부해야 했던 이유는 ‘더 좋은 대학을 가야하니까’, ‘그냥 외워! 공식이니까’ 등 때문이었다. 그래서 자연스럽게 물리학 자체를 싫어하거나 혐오하게 되고 만 것이다.

그런데 물리학을 배우며 계산을 잘하지 못하면 물리학 자체를 싫어하게 되는 경우는 많다. 왜 그런 안타까운 일이 일어나는 것일까? 미술과 음악은 명백히 즐기기 위해 존재한다. 자기가 직접 그림을 잘 그리고 싶다거나 악기를 능숙하게 연주하고 싶다는 사람은 많다. 즉 뚜렷한 동기가 있다. 연습하면 누구나 어느 정도는 할 수 있게 되고, 설사 잘하지 못하더라도 다른 사람의 작품이나 연주를 즐길 수 있다. 한편으로 물리학을 배울 때는 그러한 동기가 부족하다. 자기가 직접 물리학 연구와 계산을 잘하고 싶어서 공부하는 사람도 있기는 하나 그리 많지는 않다. 대부분 의미도 모르는 채로 물리학을 배우기 시작했는데 계산이 어려워서 결국 싫어하게 되는 것이다. _28쪽에서

그렇다면 왜 물리학을 공부해야 할까

현대 물리학은 인간의 사고를 지배하고 있는 상식을 타파함으로써 발전해 왔다. 뉴턴은 천상 세계와 지상 세계가 똑같은 법칙을 따른다는 사실을 발견했고, 아인슈타인은 시간과 공간이 사람에 따라 다른 것임을 밝혀냈다. 그 결과, 우리가 세상을 바라보는 방식을 바꾸게 했다. 이처럼 물리학 연구를 하다보면 현실 세계가 인간이 생각하는 이상과 다르다고 밝혀지기도 한다. 그리고 이때 이 세계에 대한 인간의 이해는 더욱 깊어진다.

물리학의 목적은 장대하다. 한마디로 이 세계가 어떤 것인지, 어떤 원리 원칙으로 움직이는지, 그 본질은 무엇인지를 밝혀내는 일이다. 세계는 매우 다양한 요소로 구성되어 있고, 물리학은 그 모든 것의 본질을 알아내려는 것이다. _30쪽에서

종교는 인간의 삶의 방식에 관한 이상과 가치관을 제시하고, 과학은 자연계를 있는 그대로 기술한다. 과학과 종교를 서로 대립하는 것으로 여기는 사람도 있지만, 애초에 이 둘은 목적이 완전히 다르다. 과학에서 인간의 가치관을 찾으려 한다거나, 종교에서 과학적 진실을 찾아내려고 하니 충돌이 생기는 것이다. _35쪽에서

돌이켜 보면 인간이 있는 장소를 중심으로 세계가 돌고 있다고 생각했던 낡은 우주관은 뉴턴의 우주관, 즉 우주 전체의 공통적인 시간과 공간에서 물체가 운동한다는 우주관으로 인해 뒤집혔다. 그 뉴턴의 우주관도 이번에는 양자론과 상대론으로 뒤집혔다. 양자론과 상대론을 바탕으로 하는 우주관은 현재도 유효하다. 그렇다면 언젠가 새로운 이론 때문에 오늘날의 우주관이 또다시 뒤집힐 날은 과연 올 것인가? _249쪽에서

세계를 가능한 한 이해하고 싶다는 소망이 물리학 연구를 이끌어 왔다. 이 책을 통해 전하고 싶었던 가장 중요한 내용은 우리가 사는 세계가 인간의 상식적인 감각과는 전혀 다른 존재라는 점이다. 기존 사고방식이 통하지 않는다는 사실 때문에 화가 날 때도 있고 슬플 때도 있다. 하지만 이는 다음 단계로 넘어가기 위한 원동력이다. 역경을 딛고 일어서면 그동안 보이지 않았던 지평이 열린다. 물리학의 우여곡절을 살펴보면 그러한 사례가 매우 많기에, 독자 여러분이 살아가는 과정에 도움이 될 만한 요소도 있을 것이다. _283쪽에서

우리의 눈에 보이는 세계는 진짜일까

그렇다면 인간의 눈에 보이는 세계는 과연 이 세계의 진짜 모습일까? 또한 인간의 존재는 물리적 세계 속에서 어떤 위치에 있을까?

상식적으로 생각하면 눈에 보이지 않을 정도로 작다 해도, 단지 크기가 작을 뿐이지 그 밖의 성질은 우리 주변의 사물과 다르지 않을 것으로 여기게 마련이다. 하지만 그 상식 또한 잘못됐다. 20세기 물리학은 미시 세계가 단지 크기만 작은 세계가 아니라는 사실을 밝혀냈다. 원자 수준의 미시 세계는 우리가 사는 거시 세계와 완전히 달랐다. _103쪽에서

이 책의 원제 〈눈에 보이는 세계는 환상인가〉와도 관련 있는 부분이지만, 인간에게 보이는 세계 자체는 진정한 세계의 모습이 아니며, 뭔가 다른 세계 같은 것에서 나타난 무언가에 가깝다. 만약 그렇지 않았다면 우리 눈에 보이는 잡다한 세계 속에서 항상 성립하는 물리 법칙을 찾아내지 못했을 것이다. _284쪽에서

인간의 존재가 물리적 세계 속에서 어떠한 위치를 점하고 있는지도 커다란 수수께끼다. 보이는 그대로를 설명하자면 광대한 우주 속에서 기적적으로 지구라는 생명이 살기 쉬운 환경이 생겨났으며, 그곳에서 태어난 원시 생물이 이윽고 인간으로 진화했다는 것이다. 하지만 그것만으로는 인간이라는 지성이 의식을 지닌 채 생각하고 행동하는 이유를 이해했다고 볼 수 없다. 역시 그곳에는 아직 배후에 감춰진 다른 무언가가 존재하는 듯하다. _285쪽에서

현대 물리학은 절대로 하루아침에 이루어지지 않았다. 오늘에 이르기까지 수많은 우여곡절이 있었다. 그 과정에서 인간은 끊임없이 기존의 사고방식을 버려야 했다. 그래서 물리학의 발전 과정은 상식에 대한 도전이라고 감히 말할 수 있겠다. 어떻게 하면 상식을 타파할 수 있는지, 그리고 이를 실생활에서 활용할 수 있는지 《물리학은 처음인데요》가 그 길을 제시해 줄 것이다.

추천하는 글
들어가며

제1장 물리학은 아름답다
신기하게도 세계는 존재한다
복잡한 현상을 단순한 요소로 분해한다
물리학은 아름답다
물리학이란 어떤 것인가
물리학의 이상과 현실
계산은 물리학의 본질이 아니다

제2장 천상 세계와 지상 세계는 똑같다
천상 세계와 지상 세계
천동설과 지동설
원운동에서 벗어나다
갈릴레오의 천체 관측
뉴턴과 근대 물리학
물체가 지구의 중심까지 떨어지지 않는 이유
원자 사이에서 작용하는 힘
다양한 힘의 근본

제3장 모든 것은 원자로 이루어져 있다
물질을 계속 나누다 보면 어떻게 될까
원자의 존재를 증명하기는 쉽지 않다
너무나 작은 원자
화학 반응식과 원자의 존재
원자가 존재할 것 같은 이유
원자론과 통계 역학
원자의 수를 세다

제4장 미시 세계로 들어가다
기본적인 물리 법칙
원자와 전자의 관계
러더퍼드의 모형
플랑크의 대발견
아인슈타인의 광양자 가설
원자 속의 양자
보어의 양자조건

제5장 기묘한 양자의 세계
하이젠베르크와 행렬 역학
슈뢰딩거 방정식
양자역학의 해석
확률에 지배당한 세계
본질적인 불확정성
신비로운 관측의 순간
슈뢰딩거의 고양이와 위그너의 친구
양자역학은 완전한가
비상식적인 양자역학
수많은 세계가 있다는 해석
비상식적인 생각을 받아들이다

제6장 시간과 공간의 물리학
시간과 공간이란 무엇인가
전기와 자기의 정체
진공 속에서 작용하는 힘
진공 속을 퍼져 나가는 파동
에테르는 존재하는가
시간과 공간에 관한 상식을 버리다
뒤섞이는 시간과 공간

제7장 시공간이 낳는 중력
중력의 정체
휘어지는 시공간
이는 올바른 이론인가
아름답고 매력적인 이론
미지의 세계에 응용하다

제8장 물리학이 나아갈 길
낡은 우주관에서 새로운 우주관으로
현대의 입자물리학
양자론과 중력
중력을 양자화할 수 있는가
우주와 미지의 물리 법칙
물리학의 미래

나가며
참고문헌