밤하늘의 별부터 도로 위 자동차, 놀이공원의 롤러코스터, 매일 이용하는 전자레인지, 지금 손에 쥔 핸드폰까지. 우릴 둘러싼 모든 것은 왜 거기에 존재할까? 어떻게 움직이고 작동할까? 내 삶과 생활에 관한 여러 호기심과 궁금함을 해결하는 학문, 물리학!
이제부터 ‘물리하는 사람’의 쉽고도 전문적인 ‘일상 속 물리학’ 이야기를 통해 주변 곳곳에서 물리학을 발견해 보자. 물리학이라는 도구를 통해 세상의 놀라운 비밀을 탐험하고, 새로운 시각에서 바라볼 수 있다.
물리학에 대한 오해
우리가 ‘물리학’을 떠올릴 때 제일 먼저 드는 생각은 어렵다, 천재들이 한다, 순수 학문이라 취업이 어렵다 등등의 오해들이다. 그럴 수밖에 없는 것이 양자역학이니 상대성 이론이니 하는 일견 어려운 단어들이 물리학을 대표하는 말로 머릿속에 자리 잡았고, 교과서로 배우는 물리학은 용어부터 어렵고 지루하기 그지없어 보인다. 그런데 이런 선입견은 정말일까?
실제로 유명하고 어려운 물리학 이론들이 과학 혁명을 이끌고, 철학의 패러다임을 바꿨으며, 인류에 새로운 문명 시대를 열어 주는 변화를 이끌었다. 그런데 이러한 이론은 단숨에 정립되는 것이 아니고, 변화는 단번에 이루어지는 것이 아니다. 단순한 호기심에서 시작된 관찰과 연구가 쌓이고 쌓여서, 과거의 물음에 대한 답을 설명해 가면서 조금씩 이루어진 것이다. 이 호기심과 궁금증은 다름 아니라 우리가 일상에서 보는 아주 자그마하고 사소한 것들에서 시작한다. 이를 해결하기 위한 숱한 고민과 연구를 거듭하면서 일상에 숨겨진 물리 법칙을 발견하고, 새로운 물질을 알아내고, 만물의 근원을 조금씩 밝힐 수 있었다.
즉 물리학은 어려운 과학 용어와 복잡한 이론에 앞서, 인간의 호기심에서 시작하는 학문이다. 동물은 어떻게 걸을 수 있을까, 자동차는 어떻게 달릴까, 핸드폰은 어떻게 작동할까, 비는 왜 내릴까 같은 일상적인 현상, 주변에서 자주 보는 모든 것을 궁금해하는 그 자체가 바로 물리학의 시작이라고 할 수 있다. 그리고 많은 사람의 궁금증과 탐구가 축적되고, 그것을 오랫동안 반복하면서 해결하고, 그 과정에서 얻은 결과물이 인간을 풍요롭게 하는 기술의 발전으로 이어진 것이다. 물리학은 이렇게 어렵고 때로 신비롭게까지 느껴지지만, 결국 친숙하고 흥미진진한 학문이다.
쉬운 물리학, 흥미진진한 물리학
이 책은 물리학을 어렵게만 생각하는 독자들도 흥미를 느낄 수 있도록 접근한다. 걷기, 롤러코스터, 요리, 스마트폰 등 각각의 주제를 통해 물리학의 가장 기초적인 개념들을 다룬다. 걷기, 즉 운동을 통해 알 수 있는 뉴턴의 법칙들, 롤러코스터의 운행으로 배우는 에너지 보존 법칙과 여러 형태의 에너지들, 요리에서 떠올릴 수 있는 열역학의 기본과 물질의 상태 변화, 파동, 시간, 전자기 유도까지, 마지막으로 스마트폰에서 흔히 사용하는 내비게이션 기능, 그 기능을 구현하는 데 필요한 상대성 이론과 양자역학 등을 이야기한다. 이렇게 우리 일상에서 흔한 소재들을 통해 물리학의 기초부터 응용까지 두루 살펴보며, 이 과정을 거치면서 당장 활용할 기술을 배운다기보다 기술의 원리, 새로운 기술을 떠올리기 위한 토대, 다시 응용할 수 있는 능력을 갖추도록 돕는다.
하루가 다르게 급변하는 현대 기술 문명사회에서 가장 중요한 것은 바로 근본이다. 과학적인 방법으로 사고하고, 이해하고, 적용하는 능력을 갖추기 위해, 이 책은 어떻게 바라보고, 어떻게 탐구하고, 어떻게 생각해야 하는지를 알려 주는 도구로써 물리학을 제공한다. 이와 동시에 일상에서 활약 중인 물리학을 살펴보는 과정을 통해 물리학이 어렵고 멀게만 느껴지는 학문이 아니라, 친근하고 일상에서 쉽게 만나는 학문임을 알 수 있다.
머리말 오히려 쉬운 물리학, 일상 속 흥미진진한 이야기로 만나다
1장 걸으면서 떠올린 물리학
운동의 본성
아리스토텔레스의 결론과 갈릴레이의 의문
뉴턴 제1 법칙
관성과 무게
속도와 속력 이해하기
뉴턴 제2 법칙
중력 가속도
중력 가속도와 공기 저항
뉴턴 제3 법칙
작용과 반작용
힘의 평형과 작용-반작용 구분하기
우리가 걸을 수 있는 이유
2장 롤러코스터를 타면서 떠올린 물리학
에너지 보존 법칙
원운동과 공전
고립계와 에너지 보존 법칙
다양한 형태의 에너지
롤러코스터의 물리학
3장 요리하면서 떠올린 물리학
불을 이용해서 요리하기
나무는 어떻게 자랄까
나무와 연소
평균 운동 에너지와 절대온도
열이 전달되는 방식
전도
대류
복사
물질의 상태 변화
물질의 상태도
삼중점
숨은열과 냉장고의 원리
전자기파를 이용해서 요리하기
파동과 전자기파
표준 단위 정하기
길이 단위의 정의
전자레인지와 인덕션 레인지
전기와 자기
전류
전류와 자기장
전자기 유도
인덕션 레인지의 원리
4장 스마트폰을 보며 떠올린 물리학
내비게이션과 GPS
GPS 위성과 위치 파악
아인슈타인의 두 가지 가설
상대성 원리
빛은 입자인가, 파...동인가
빛의 매질 에테르
실패한 실험과 광속 불변 원리
시간 지연
쌍둥이 역설
역설 해결
스마트폰으로 위치 찾기
양자역학의 등장
광전 효과와 빛의 이중성
보어와 드브로이의 설명
양자역학의 등장
맺음말 물리하는 사람들이 떠올린 물리학
우리가 주위에서 보는 거의 모든 것은 움직이다가 결국 멈춥니다. 책상 위에서 지우개를 툭 치면 책상 위를 미끄러지듯 나아가다가 두서너 바퀴 구르고는 멈추죠. 야구공을 던지면 어느 정도 날아가다 땅으로 떨어지고 몇 번 튀거나 구르다가 결국 멈춥니다. 시속 160km 이상의 빠른 공을 던질 수 있는 메이저 리그 투수가 던지더라도 날아간 거리만 더 길어질 뿐 결국 땅으로 떨어져 멈춥니다. 멈춘다는 결과는 달라지지 않습니다. 멈추지 않고 계속 움직이려면 어떻게 해야 할까요?
_ 〈운동의 본성〉
만약 롤러코스터와 레일 사이의 마찰과 공기 저항을 모두 무시하면 롤러코스터를 하나의 고립계로 생각할 수 있고, 롤러코스터가 오르락내리락하면서 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지는 서로 왔다 갔다 할 수 있습니다. 하지만 에너지 보존 법칙으로 두 에너지의 합인 역학적 에너지, 즉 총에너지는 변하지 않고 일정할 것입니다.
_ 〈롤러코스터의 물리학〉
요리는 인류가 불을 사용하면서 시작됐습니다. 불을 피우는 것은 화학적으로 연소가 일어나는 것인데, 연소란 물질이 산소와 결합하는 산화 반응이 급격하게 일어나 다량의 열과 빛을 발하는 현상입니다. 그전에는 아마도 산불이 나서 타 죽은 동물의 고기를 먹어 보고 날것보다 더 부드럽고 맛있다는 것을 알게 됐을 것입니다.
_ 〈불을 이용해서 요리하기〉
스마트폰은 내가 지금 어디에 있는지를 어떻게 정확히 알고 있을까요? 스마트폰에는 인공위성에서 보내는 신호를 받아 작동하는 장치가 들어 있습니다. 지구 주위를 돌면서 정확한 위치 정보를 제공하기 위해 특별히 제작해 쏘아 올린 이 인공위성을 GPS(global positioning system) 위성이라고 합니다.
_ 〈GPS 위성과 위치 파악〉
권영균 [저]
서울대 물리학과에서 학사와 석사 학위를 받았고, 미국 미시건 주립대 물리학과에서 박사 학위를 받았다. 미국 캘리포니아대 버클리 캠퍼스와 로렌스 버클리 국립연구소의 연구원을 거쳐 매사추세츠대 로웰 캠퍼스 물리학과 교수를 지냈다. 지금은 경희대 물리학과 교수로 재직하고 있다. 더 나은 과학과 더 나은 사회를 함께 추구하며 과학기술 관련 교육·문화 활동, 정책제안, 연구 지원 등 공익 활동을 하는 시민단체인 변화를 꿈꾸는 과학기술인 네트워크(ESC) 회원으로 있다.
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