나는 물리로 세상을 읽는다

롯데월드타워 기둥과 내 발목이 받는 압력이 비슷하다고?
냉장고와 에어컨은 엔트로피 법칙을 거스른다?
온종일 돌아가는 선풍기 날개에 먼지가 쌓이는 이유는?

▼ 과학이 처음인 사람들을 위한, 가장 친절한 물리학

“우리는 과학에 대한 생각을 1초도 하지 않고 수십 년을 보낼 수 있다. 하지만 어떤 방식으로든 과학을 이용하지 않고서는 단 1ns(나노초)도 살아남을 수 없다.”

이 책, 《나는 물리로 세상을 읽는다》의 첫머리 말이다. 많은 사람이 고등학교까지 물리와 씨름하다가 사회로 나가는 즉시 물리학의 존재를 전혀 의식하지 않고 살아간다. 책의 말처럼 과학을 1초도 떠올리지 않고도 살아가는 데는 아무런 지장이 없다. 하지만 슬그머니 세상의 법칙이 궁금해지는 순간은 찾아온다. 아무 생각 없이 누워서 스마트폰을 보다가 이 작은 기계에서 어떤 원리로 실시간 영상이 나오는지, 롯데월드타워에 놀러 가서 저 거대한 건물이 어떻게 안전하게 설계되었는지 문득 궁금해지는 것이다. 이처럼 순수한 지적 호기심이 찾아올 때 우리에게 필요한 건 물리학이다. 모든 건 물리법칙 위에 있다.

이 책의 저자, 크리스 우드포드는 과학지식을 쉽고 흥미롭게 전하는 능력이 있다. 어린이부터 성인까지 모두 읽을 수 있는 수준의 과학책을 써왔고, 《도구와 기계의 원리 NOW》와 같은 수많은 베스트셀러 제작에 도움을 주기도 했다. 이 책이 2016년, 미국물리학회(AIP)에서 올해의 과학책으로 선정된 것도 이러한 이유 때문이다. 《나는 물리로 세상을 읽는다》는 편안한 집부터 음식, 자전거, 핸드폰, TV, 에어컨, 집에 쌓이는 먼지에 이르기까지, 우리에게 친숙한 사물을 대상으로 기초적인 물리법칙을 자연스레 설명한다. 물리학의 개념이나 역사 등을 설명하지도, 수학도 등장하지 않는다. 시작부터 우리 일상의 사물에서 물리학이 어떻게 작동하고 있는지 바로 보여준다. 하나의 학문이자 이론으로 물리학에 접근하는 것이 아니라 우리 일상과 떼려야 뗄 수 없는 삶의 도구로 바라보자는 저자의 의도가 담겨있는 것이다.

이 책은 한동안 물리학과는 전혀 접점이 없는 삶을 살다가 문득 물리학이 궁금해진 독자를 위한 책이다. 중력, 빛, 에너지 등 들어는 봤지만 막상 입 밖으로 설명하기는 힘들 때, 이 책이 명쾌하게 기억나게 해줄 것이다. 스마트폰을 뒤적이지 않고도 어린 자녀에게 물리학 기본개념을 설명해주고 싶은 부모에게도, 이제 막 물리학의 세계를 만난 어린이 청소년에게도 길잡이가 될 것이다. 그 누구든 이 책을 읽고 나서는 생각이 좀 바뀔지 모른다. 물리는 우리가 세상을 이해하는 데 꼭 필요한 지식이라고 말이다.

▼ 집부터 자전거, 스마트폰에 에어컨까지
익숙한 일상에서 물리법칙 찾기

첫 대상은 거대한 건물이다. 저자는 질문한다. 어떻게 엠파이어스테이트 빌딩과 같은 거대한 건물이 튼튼하게 버티는 걸까? 절대 무너지지 않는다고 믿어도 되는 걸까? 물론 건물은 찰나의 걱정도 아까울 만큼 튼튼하다. 엄청난 높이로 위태롭게 서 있는 마천루는 아찔함을 느끼게 하지만 물리학은 우리의 경험과 직관 너머에 있다. 저자는 건물의 밑단이 받는 중력이 우리 발목이 받는 중력과 비슷하다고 비유한다. 우리가 발목이 몸무게를 버티지 못하고 부러질 거로 생각하지 않는 것처럼 튼튼하단 말이다. 건물의 높이만큼 밑단의 넓이가 커지면 늘어나는 무게의 압력은 적절하게 분산된다. 키에 따라 발목이 굵어지면 되는 것이다. 엠파이어스테이트 빌딩의 밑단 넓이는 대략 8,000m2 에 달하고, 빌딩의 전체 무게는 약 33만 톤으로 추정된다. 하지만 광대한 밑단 넓이 덕분에 지면이 받는 중력은 놀랍게도 대기압의 네 배에 불과하다. 건물이 올라갈수록 가늘어지는 구조면 금상첨화다. 마천루의 모습이 거의 비슷한 이유는 이들이 물리법칙을 잘 따르고 있다는 증거다. 참고로 꼭대기는 엄청난 바람 에너지를 흡수하기 위해 살랑살랑 흔들릴 수 있게 설계되었다.

세상을 움직이는 물리법칙을 다루지면 지레도 빼놓을 수 없다. 저자는 동네 철물점의 수백 가지 도구를 지레, 바퀴, 쐐기로 간단히 분류할 수 있다고 말한다. 그중에서도 지레는 그야말로 모든 기계의 아버지다. 지레는 막대의 한 지점을 받치고 그 받침점에 작용하는 회전력을 이용해 물체를 움직이는 도구다. 지레가 길수록 가하는 힘을 더 많이 늘려준다. 아르키메데스는 “충분히 긴 지렛대만 있으면 지구도 들어 올릴 수 있다”라고 말했을 정도다. 저자는 렌치, 수도꼭지, 자전거, 도끼로 나무를 패는 일까지 일상에서 만날 수 있는 다양한 도구의 움직임을 지레 원리에 기반해 설명한다.

빛은 물리법칙의 꽃이자 문명의 근간이다. 우리는 빛 때문에 무언가를 볼 수 있다. 그래서 빛이라고 하면 흔히 태양이나 형광등을 떠올리지만 이는 빛의 정체에 극히 일부분이다. 과학자들에게 빛은 단지 ‘보이는 에너지’가 아니다. 그보다는 ‘정밀하면서도 믿을 수 없이 빠른 속도로 진행하며, 우리 눈이 감지할 수 있는 것은 그중 극히 일부에 불과한, 아주 특수한 종류의 에너지’에 가깝다. 특히 빛의 전기적 특성은 문명을 이루는 핵심 원리가 되었다. 전기를 활용해 도시의 에너지를 만들고 정보를 광속으로 전달한다. 모든 전기는 빛이기 때문이다. 저자는 만약 빛의 속도를 줄이고 빛을 원자 규모로 관찰하는 게 가능하다면, 전기와 자기가 오르락내리락 곡선을 그리며 에너지를 전파하는 물결 모양의 파동을 볼 수 있을지 모른다고 말한다. 이 파동 중에 ‘라디오파’라고도 불리는 전파를 활용해서 우리는 집 안에서 거의 실시간으로 지구 반대편의 모습을 감상할 수 있다.

냉방과 난방에 관한 흥미로운 물리법칙도 소개한다. 집을 데우는 것보다 집을 식히는 것이 물리법칙 상 더 어렵다는 것이다. 집을 식히는 일이 왜 더 힘들까? 이론상으로는 덥히는 것과 식히는 것이 정확히 반대이기 때문에 냉방이 난방보다 어려울 이유가 없다. 10°C의 냉수 한 컵을 끓이려면 일정량의 에너지를 공급해야 하고 반대로 물이 10°C로 식을 때 물에서 동량의 에너지가 회수된다. 에너지 보존 법칙이라고도 부르는 열역학 제1법칙이 양방향으로 작용하기 때문이다. 하지만 히터를 역회전해 방에서 열을 빨아들일 수도, 방에서 열을 퍼내 석탄 덩어리에 다시 욱여넣을 수는 없다. 가열은 물질에 혼돈과 무질서를 야기하는 반면 냉각은 반대로 질서와 안정을 가져다주기 때문이다. 열역학 제2법칙, 엔트로피 법칙에 따르면 우주는 자연적으로 질서에서 혼돈으로 움직인다. 가열은 혼돈을 향하는 우주의 경향에 부합하지만, 냉각은 인공적으로 질서를 강제하는 것이며, 따라서 우주의 경향에 반하는 것이다. 그래서 방을 시원하게 하려면 전기히터에서 열에너지를 퍼져나가게 놔두는 것과는 다른 방법을 써야 한다. 에어컨이나 냉장고는 전기를 활용해 열을 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 역행하게 만든다. 전기에너지가 뜨거운 것을 더 뜨겁게, 차가운 것을 더 차갑게 하는 비정상적 사이클을 가동해서 열역학 제 2법칙에 따라 마땅히 없어져야 할 집 안팎의 온도 차를 억지로 유지하는 것이다.

마지막으로 온종일 바람을 날리는 선풍기 날개에 먼지가 쌓이고 자동차가 더러워지는지는 이유도 물리법칙으로 설명한다. 바람이 아무리 불어도 먼지가 꿈쩍도 하지 않는 이유가 있다. 첫째, 작고 가벼운 물질일수록 정전기의 접착력에 의해 물체 표면에 붙들려 있을 가능성이 높다. 둘째, 풍속은 표면에서 멀어져 특정 거리에 이르기 전까지 점진적으로 증가하기 때문에 지면의 풍속은 0이라는 것이다. 이게 산봉우리의 바람이 매우 거센 이유다. 반대로 지면 바로 위, 즉 선풍기 날개나 자동차 보닛 표면에서 원자 한 개 정도 떨어진 곳에서는 공기의 속도가 전혀 없다. 공기가 전혀 움직이지 않는 곳에 먼지가 있기 때문에 이들이 갈수록 더러워지는 것은 당연하다. 그래서 결론, 먼지는 입으로 부는 것보다 걸레로 닦는 것이 훨씬 낫다.