“기본 원리 알고보면 간단” 물리학의 세계

극한의 속도·크기·무게·온도 등
물리적 현상 탐구 총 6부로 구성
흥미로운 사고실험·원리해설로
수식 없이 난해한 이론들 풀어줘

지난해 11월 프랑스 파리에서 열린 경매에서 1160만유로(약 155억원)에 낙찰된 알베르트 아인슈타인의 일반상대성이론 수식이 담긴 자필 원고. 경매 주관 업체 크리스티는 “이 원고는 일반상대성이론의 기원을 문서화한 단 두 개의 원고 중 하나”라며 “아인슈타인 연구에 대한 특별한 증거”라고 설명했다. 파리=로이터연합뉴스

익스트림 물리학/옌보쥔/홍순도 옮김/그린북/2만9000원

물리학은 물질과 운동, 에너지 등 세상의 이치를 연구하는 가장 기초적인 과학 분야다. 나를 포함해 주변의 모든 것들이 어떻게 움직이고 있는지 이해하기 위한 필수적 지식이라 할 수 있다. 자연과학이지만, 인문학과도 인연이 깊다. 과거 철학자들이 가졌던 의문에 대해 답을 제시하고 있는 것이 현대 물리학이기 때문이다. 하지만 복잡한 수식 등으로 인해 물리학은 어려운 학문으로 인식돼 있다.

홍콩과학기술대에서 물리학과 수학을 전공한 저자 옌보쥔은 중국의 유명한 물리학자다. 1000만명에 이르는 팔로어와 회당 3억뷰를 자랑하는 인플루언서이기도 한 그는 수식을 알지 못해도 물리학을 이해할 수 있다고 말한다. 과학적 호기심과 끈기만 있다면 누구나 양자역학, 상대성 이론 등이 무엇인지 알 수 있다는 것이다. 예술 분야에도 조예가 깊은 그는 다양한 온라인 매체에서 과학과 예술학을 강의하고 있으며 어려운 지식을 대중들에게 쉽고 재미있게 전달하는 강사로 정평이 나있다. 음성 콘텐츠 플랫폼인 ‘히말라야FM’의 ‘하드코어 과학쇼’, 교육 콘텐츠 플랫폼 ‘더다오’의 ‘서양 예술학 강의’ 등으로 화제를 모은 그는 시사주간지 신저우칸이 뽑은 ‘최고의 온라인 강사 10인’ 중 한 명이다.

그런 그가 펴낸 책 ‘익스트림 물리학’은 물리학의 전 분야를 망라하며 명쾌하게 해설한다. 흥미로운 사고실험과 핵심을 찌르는 원리 해설을 통해 저자는 난해한 물리학 이론들을 쉽게 풀어낸다. 이 책은 수식이나 공식 없이도 물리학의 기본 개념을 이해할 수 있도록 구성한 것이 특징이다. 물리학은 그 안의 수학적 계산이 어려운 것이지 기본 원리는 오히려 간단하다는 저자의 인식이 담겼다.

총 6부로 구성된 이 책은 극한의 속도, 극한의 크기, 극한의 무게, 극한의 온도 등 인간의 감각을 바탕으로 하는 기본적인 물리량을 극한으로 보냄으로써 모든 물리적 현상을 망라한다. 먼저 1부에서는 특수상대성이론의 기본 토대인 상대성 원리와 광속 불변의 원리를 소개한다. 이 두 가지 원리를 바탕으로 특수상대성이론의 모든 효과를 논리적으로 끌어낸다. 유명한 사다리 역설, 재료의 성질에 대한 강체 역설, 시공간의 휘어짐을 보여주는 에렌페스트 역설 등도 다뤘다.

옌보쥔/홍순도 옮김/그린북/2만9000원

2부에서는 공간의 크기와 시간의 길이를 극한으로 보낸다. 우리가 생각할 수 있는 최대 크기는 우주다. 책은 우선 빅뱅이론에 근거해 우주의 탄생과 발전 과정, 우주의 미래에 대해 알아본다. 그리고 항성, 행성, 위성, 혜성, 중성자별, 백색왜성, 적색왜성, 흑색왜성, 적색거성, 초신성 등 다양한 천체에 대해 정리하고 천체의 진화 방향을 결정하는 질량 등급에 대해 설명한다.

그다음으로 물리학 분야를 통틀어서도 가장 천재적이고 유명한 아인슈타인의 일반상대성이론을 다룬다. 3부는 일반상대성이론을 통해 만유인력 법칙으로 설명할 수 없는 더 큰 차원의 공간과 시간을 이야기한다. 중력파, 위성항법장치(GPS), 블랙홀에 대해서도 탐구해본다. 4부에서는 미시적 세계의 물리법칙을 다뤘다. 물질의 최소 구성단위에 대해서는 현대 물리학에서도 아직 결론이 나지 않은 상태다. 원자물리학 세계와 양자역학의 탄생 과정, 입자물리학도 엿볼 수 있다.

5부와 6부는 극한의 고온과 저온에서의 세계와 현상을 알아본다. 대량의 입자들이 가진 평균 운동에너지값으로 온도의 개념을 정의하고, 물질의 다양한 특성과 온도의 관계를 살펴본다. 이 같은 연구가 발전된 열역학이라는 학문의 이론과 법칙을 살펴보고 통계역학으로 발전하면서 정립된 엔트로피 정의도 다룬다. 비교적 낮은 온도에서 물질이 보편적으로 고체 상태로 존재하는 사실을 바탕으로 고체의 물리적 속성을 파헤쳐 보며 고체물리학의 내용을 정리한다.

이 책은 대중성과 전문성 두 마리 토끼를 잡으려는 시도로 기획됐다. 여섯 가지 극한 세계의 물리학은 73명의 과학자, 47가지 물리학 원리와 정리, 25개의 물리 실험과 사고실험, 그리고 44가지 물리학 이론과 541개의 물리학·수학 개념을 망라했다. 고등학생부터 이공계 대학생, 혹은 물리학에 관심이 있던 일반인들도 이 책을 통해 꼭 필요한 기초물리학 실력을 갖출 수 있을 것이다.

조성민 기자 [e-mail]