과학자처럼 생각하기 3 물리 설명할수없는 것을 설명하기

▣ 출판사서평

‘정답 찾기’가 아니라 ‘문제 해결 과정’에 주목한다!

「과학자처럼 생각하기」 시리즈는 자연에서, 생활에서 만나는 다양한 현상에 호기심을 갖고 문제를 파악하고, 생각하고, 해결하는 과정을 다루고 있다. 기존에 어린이, 청소년을 위한 과학책들이 과학 지식을 쉽게 재밌고 전달하는 데 방점이 있다면, 이 책은 정답 찾기가 아닌, 문제 해결 과정에 주목하는 책이다. 이 책들에 나오는 모든 질문들은 실제 사건이나 사실에 바탕을 두었다. 문제마다 보충자료와 질문이 더해져서 문제를 푸는 단서들을 제공한다. 함께 답을 찾고, 헤매고, 생각하는 과정이 있어서 책을 읽는 내내 마치 과학자가 된 듯 생각하는 재미를 느낄 수 있다.

과학자의 눈으로 호기심과 놀라움이 가득한 세상을 보다!

3권은 일상생활에서 만날 수 있거나, 역사 속에서 일어났던 다양하고 특이한 현상에 대해 다룬다. 비행기가 지나가면 왜 하늘에 긴 자국이 남는지, 물이 묻은 손으로 유리컵 끝을 문지르면 왜 소리가 나는지, 유리컵을 만지면 구름이 생기는지, 이집트에 있는 석상은 왜 해만 뜨면 구슬픈 소리를 내는지, 옛날 이탈리아 제빵사들은 파리를 잡기 위해 밀가루를 어떻게 사용해지 등 다양하고 재미있는 문제들과 만나게 될 것이다.

기상천외한 질문이 듬뿍 담긴 과학책이 왔다!

문어는 단단하게 닫힌 굴 껍데기를 어떻게 열어서 굴을 잡아먹을까? (1권)
덩치가 작은 개미가 어떻게 덩치 크고 끈적끈적한 민달팽이를 잡아먹을까? (1권)
맹독을 가진 독사가 자기 꼬리를 물면 어떤 일이 벌어질까? (1권)
뱀이 다가오면 쥐는 잘 움직이지도 못하는 새끼들을 데리고 어떻게 탈출할까? (2권)
깊은 모래 속에서 새끼 바다거북은 어떻게 밤이 온 것을 알고 해변을 탈출할까? (2권)
귀가 먼 베토벤은 어떻게 피아노 소리를 들을 수 있었을까? (3권)
아주 오래된 도자기 조각에서 어떻게 당시의 소리를 뽑아냈을까? (3권)

동물이나 주변 사물에 호기심 많은 아이들이라면 푹 빠질 만한 책이 나왔다. 「과학자처럼 생각하기」 시리즈가 바로 그것이다. 이 시리즈는 동물들의 세계를 다룬 1, 2권, 일상에서 벌어지는 과학적 사건들을 다룬 3권으로 구성되었다. 1권《잡아먹을 수 없는 것을 잡아먹기》는 포식 동물들의 사냥 전략을 다룬다. 불가능할 것만 같은 상황에서도 기어코 먹잇감을 사냥하는 포식 동물들의 치열한 사냥 전략에 대한 이야기이다. 2권《탈출할 수 없는 곳을 탈출하기》는 포식 동물을 피해 도망치는 동물들의 탈출 전략을 다룬다. 먹잇감이 되지 않기 위해 포식 동물과 목숨을 건 한판 승부를 하는 동물들의 싸움 이야기이다. 3권《설명할 수 없는 것을 설명하기》는 일상에서 벌어지는 과학적 현상을 다룬다. 전기 신호, 유체역학적 현상, 진동 등 다양한 물리 현상에 대한 이야기이다.

이 시리즈에서 다루는 질문들은 하나같이 독특하고 재미있다. 흰 얼음판 위에서 사는 펭귄이 왜 등은 검고, 배는 흰 연미복 같은 눈에 튀는 보호색을 갖게 되었는지, 뱀은 입만 벌렸을 뿐인데 어떻게 개구리가 뱀의 입 속으로 그냥 쏙 들어가는 경우가 있는지, 여우가 너구리의 깔끔한 굴을 어떻게 빼앗아 자기 것으로 만드는지, 밀가루가 어떻게 폭발물이 될 수 있는지, 쓰나미는 왜 해안으로 올수록 높아지는지 등 한 번도 생각하지 못했던, 혹은 한번쯤 생각했지만 무심코 그냥 지나쳤던 질문들이 가득하다.

‘지식’을 가르치는 것보다 더 중요한 것은, ‘지식을 얻는 방법’을 경험하게 하는 것

그러나 이 시리즈는 단순히 ‘과학 지식’을 다루고 있지 않다. 그보다 ‘과학에 호기심을 갖고, 생각하는 방법’을 경험하게 하는 데 초점을 맞추고 있다.

각 권마다 질문 형식으로 된 약 30가지 연구 과제가 나온다. 각 꼭지마다 상황 설명, 제기된 문제, 연관된 질문, 자료, 사진, 힌트 등이 짧게 소개되고 난 뒤에 해답이 나온다. 또 부록에서 몇 가지 독특한 문제를 예로 들어 문제를 체계적으로 해결하기 위한 과정을 소개하는 형식으로 구성되어 있다.

이 책을 기획한 저자들은 “학교에서 얻은 지식과 삶에서 필요한 지식 사이에는 꽤 거리가 있다”고 지적한다. 학교에서는 대부분 교과 과정에 맞춰서 정해진 시간에 정해진 이론을 배우고, 그에 맞는 연습문제를 풀어서 제대로 배웠는지 확인하는 방식이다. 거기에는 조건이 정확하게 잘 짜인 문제, 누군가 이미 고안한 멋진 해결방법, 유일한 정답이 갖춰져 있다. 여기서 정해진 해결 방법에 한 발짝이라도 벗어나면 바로 감점이 된다. 저자들은 이것을 “닫힌 과제의 해결”이라고 부른다. 반대로 삶에서 만나는 과제는 그렇지 않다. 전혀 다른 형태이다. 무엇이 조건인지조차 모르는 경우도 있고, 조건이 늘 이해되는 것도 아니고, 정해진 풀이도 없으며, 해답도 하나가 아닌 경우가 많다. 저자들은 이것이 바로 현실에서 과학자들이 만나는 연구 과제라는 점에 주목했다. 이를 두고 저자들은 “열린 과제의 해결”이라고 했다. 저자들은 닫힌 과제만 풀어서는 창의적인 사고를 발전시킬 수 없다고 말한다. 저자들은 닫힌 과제를 해결하는 것이 좁은 새장 안의 이쪽 가지에서 저쪽 가지로 뜀뛰는 것일 뿐이라고 비유한다. 물론 그런 뜀뛰기도 필요하지만 그것만으로는 하늘을 나는 방법을 알 수는 없다고 말한다. 열린 과제들을 해결할 수 있을 때야 비로소 창의석이 길러지고, 기존에 없던 아이디어를 찾고, 문제의 핵심을 볼 수 있게 된다는 것이다.

그런데 문제는, 열린 과제를 해결하는 것이 교사나 학생 모두에게 쉬운 일이 아니라는 점이다. 제일 처음에 위에서 소개한 질문들을 다시 한 번 보자. 선뜻 답을 하기 쉽지 않다. 도무지 어디서부터 어떻게 시작해야 할지 막막한 경우가 대부분이다. 그것은 익숙하지 않기 때문이며, 경험하지 않았기 때문이다. 그렇다면 이 책에서는 열린 과제를 어떻게 해결했을까?

생각 연습, 그 꼬리에 꼬리를 무는 질문

좋은 공부는 좋은 질문에서부터 시작한다. 열린 과제를 해결하기 위한 시작은 ‘질문’에서부터이다. 꼬리에 꼬리를 무는 질문들과 힌트, 사진으로 나온 단서들을 �아가다 보면 나도 모르게 끊임없이 생각하게 된다. 일종의 생각 연습을 하는 셈이다.

1권 8번째 꼭지에 나오는 과제 ‘덩치가 작은 개미가 어떻게 덩치 크고 끈적끈적한 민달팽이를 잡아먹을까?’를 보자. 아프리카 개미들이 나무 위에 사는 민달팽이를 잡아먹는다. 민달팽이는 피부가 끈적거리고, 덩치도 개미보다 몇 배나 클뿐더러 개미들이 공격하면 나무 아래로 수직 낙하해버리는 버릇이 있다. 개미는 민달팽이를 따라 무작정 떨어지자니 나무가 높고, 무작정 덤벼들기에 민달팽이가 끈적거려 들러붙을 위험이 크다. 이 문제를 어떻게 해결하면 좋을까?

책에 나온 사고의 흐름을 따라가 보자. 사진을 보면, 민달팽이는 덩치가 크지만 개미들은 덩치가 무척 작다. 그러나 숫자는 월등히 많다. 개미들은 그냥 바닥에 떨어지면 충격은 없을까? 충격을 계산해볼까? 나무를 타고 내려가기에는 시간이 부족하다. 모두 같이 안전하게 내려가는 방법은 없을까? 개미들은 무리지어 사냥하는 걸까? 다른 예를 찾아볼까? 책에서는 개미들이 딱딱한 참게를 사냥할 때도 무리지어 공격한다고 알려준다. 하지만 이번에는 딱딱한 키틴질로 된 껍데기를 물어뜯어야 한다. 그러면 참게의 약점은 뭘까? 힌트에서는 ‘약점’을 찾고, ‘건축 기술’을 이용해보라고 한다. 그렇다면 끈적끈적한 점액질은 어떻게 하면 좋을까? 관련이 있는 듯, 없는 듯 질문은 끝없이 이어진다.

서문에서도 밝히듯 이 과제들을 해결하기 위해서 다른 책들과 인터넷을 이용하거나 친구들과 토론해 보는 것도 좋은 방법이다. 생각지도 못한 기발한 방법들이 나올 것이다. 해답에서 밝히는 개미들의 사냥법은 이렇다. 개미들은 모두 실뭉치처럼 서로 몸을 합해서 떨어지는 방법을 택했다. 그래야 충격이 분산되기 때문이다. 끈끈한 점액질을 없애기 위해서는 마른 풀잎과 흙덩어리를 이용한다. 이것을 민달팽이 몸에 붙이면 점액질이 서서히 사라진다. 껍데기가 딱딱한 참게를 공격할 때도 마찬가지로 개미들의 협동심이 발휘된다. 개미들은 다리에서 가장 약한 관절 부분을 갉아먹어 참게가 움직이지 못하게 한다.

이 책에 나오는 자료나 사진들이 다소 엉뚱하기도 하고, 해답과 동떨어져 있는 느낌이 들더라도 편하게 상상해보는 기회가 될 것이다.

해결하기 막막한 과제들을 체계 있게 접근하다

책마다 부록에는 ‘과제 해결 방법’을 소개한다. 좀 더 깊이 있게 과제를 해결하려는 학생들에게 좋은 자료이다. 첫 번째 단계는 구해야 할 목표와 주어진 조건을 정리하는 과정이다. 두 번째 단계는 체계적으로 접근하는 단계이다. 이 단계는 마치 주인공과 주변 인물의 성격을 파악하고 두 관계를 알아보는 것과 비슷한 과정을 거친다. 예를 들어, 3권 143~146쪽에 소개된 ‘지볼드의 큰 잔’을 읽어보자.

“흑해 연안에 있는 건조한 지역 가운데 페오도시야라는 자그마한 도시가 있다. 20세기 초, 이 도시의 주변에 있던 산의 경사면에는 커다란 돌무더기와 함께 점토로 만든 오래된 관이 발견되었다. 공학자였던 지볼드는 여러 가지 실험을 통해 이 돌무더기가 오래전에 식수를 공급하는 시설이었다는 것을 밝혀냈다. 페오도시야에 쌓인 돌무더기는 어떤 원리로 물을 담을 수 있었던 것일까?”

이 과제에서 주어진 조건은 ‘해안가의 건조한 지역, 산의 경사면에 있는 돌무더기’이다. 구해야 할 목표는 ‘어떻게 돌무더기로 물이 모였을까?’이다. 주어진 문제에서 가장 중요한 주인공은 ‘돌무더기’이며, 돌무더기의 특징은 커다란 돌로 쌓여있다는 점이다. 비가 오면 빗물이 돌무더기 바위에서부터 흘러 밑까지 내려온다. 주변 인물은 ‘산비탈’이며 그곳은 점토로 만든 관, 흙, 태양, 공기, 바다로 이루어져 있다.

이런 방식으로 문제의 상황을 하나하나 분석하는 단계가 끝나면, 그다음으로 가설을 설정하는 단계이다. ‘어떻게 돌무더기 쪽으로 물이 모일까’는 질문에 생각나는 대로 가설을 세워보는 단계이다. 저자들은 이것이 기계적, 음향학적, 열역학적, 전기적, 자기적, 전자기적, 광학적, 화학적, 심리적 현상인지 꼼꼼히 따져보자고 말한다. 지볼드의 큰 잔 문제의 경우는 흙에 있던 물이 모세관 현상에 의해 돌무더기에 모였을 것이다, 경사면을 타고 물이 돌무더기로 들어왔을 것이다, 산비탈을 따라 빗물이 흘러내리다가 돌무더기가 빗물의 진로를 막았을 것이다, 바다 주변에 있던 습한 공기가 수증기가 되어 돌 표면에 맺혔을 것이다 등등 가설이 나올 수 있다. 가설이 세워지면, 가장 높은 순서대로 정리하고, 확인하는 단계가 남았다. 이 단계에서 실험과 계산이 동원되기도 하고, 토론이 이루어지기도 한다.

이 책을 만든 사람들, 그리고 프리즈 이론

저자들은 이 문제 해결 과정을 프리즈 이론(PRIZ, ‘연구 과제 해결 과정’의 러시아어 약자로서 영어로는 ‘Procedure of Research Task Decision’이다)이라고 이름을 붙였다. 이 이론의 뿌리는 트리즈 이론(TRIZ)에서 시작한다. 트리즈 이론은 60여 년 전 구 소련에서 한 러시아 학자가 200만 건이 넘는 특허를 분석하여 ‘문제를 창의적으로 해결하기 위해 필요한 공통 원리’를 개발, 체계화한 이론으로 현재 인텔, 포드, BMW, 필립스, 파나소닉, 삼성, HP, 코닥 등의 많은 기업들이 채택하여 자사의 기술 개발에 적용하고 있다. 대학에서도 공학인증교과목에 창의공학설계를 필수로 포함하여 트리즈 방법론을 다루고 있다. 1999년부터 창의적 문제를 해결하는 방법을 연구하는 국제 연합 트리즈가 결성되어 정식으로 활동하고 있다. 2007년에는 러시아, 미국, 한국, 일본, 프랑스 등 600여명의 전문가들이 허가를 받아 활동하고 있다. 이 책의 저자들은 트리즈 협회의 핵심 연구원들로, 공학이나 경영에서 적용하던 트리즈 이론을 교육에 접목시켜 청소년을 위한 ‘프리즈 이론’을 만들었다. 그리고 학생들과 수년 동안 함께 연구 과제를 해결하는 세미나를 진행해왔고, 그 결과물로 이번 시리즈가 나오게 되었다.

▣ 작가 소개

글 : 아나톨리 긴
1983년 우크라이나 고멜대학 물리학과를 수석 졸업하고, 초등학교 교사로 일하며 교육 방법에 대한 연구를 해왔다. 1987년에 트리즈 이론(TRIZ, 발명 과제 해결 이론)을 처음으로 교육에 적용해서 프리즈 이론(PRIZ, 발명 과제 해결 방법)을 만들었다. 이 방법으로 매년 올림피아드 우승자를 배출했고, 2000년 “새로운 세대를 위한 교육 연구소”이라는 국제적 협회를 조직했다. 이 연구소는 창의력을 발전시키기 위한 방법을 연구, 개발하는 것이 주된 목적이다. 현재 미국, 프랑스, 일본, 오스트리아, 에스토니아, 폴란드, 우크라이나 등에서 많은 연구원들이 참여하고 있다. 2008년부터 트리즈 국제 협회 부회장으로 재직하며 러시아, 프랑스, 폴란드, 중국 등에서 학생, 학부모, 교사, 공학자 들을 대상으로 세미나를 개최했다.

글 : 알렉산드르 카흐트레프
물리와 수학 박사이며 발명가다. 1991년 학교에서 아이들을 가르치기 시작했고, 컴퓨터를 이용한 물리 교수법을 개발하였으며, 모스크바 상페테르부르그 및 기타 도시의 교사들을 위한 교사 연수를 30회 이상 진행하였다. 2000년부터 학생들의 창의력 발전을 위한 트리즈 교수법을 개발하고 있다. 7-11학년(중고생)을 대상으로 열린 과제 해결 방법의 교육과 사고력 발전을 위한 세미나를 주기적으로 열고 있다

역자 : 한진희
러시아에서 태어나 유치원, 초등학교를 모스크바에서 다녔다. 전국외국어경시대회에서 장려상을 수상하고, 2011년 러시아어 및 경제 부문 네이버 지식인으로 선정되었다. 2012년 핵안보정상회담과 서울포럼에서 러시아어 자원 봉사를 했다. 현재 미국주립대학에 재학 중이고, 옮긴 책으로는 『17살의 판타지 경제학』,『피노키오에게도 인권이 있을까』등이 있다.

▣ 주요 목차

머리말_설명할 수 없는 것을 설명할 수 있을까?

01 날아가던 비행기는 왜 멈췄을까? - 하늘에 있는 비행기 정류장
02 비행기는 왜 흰 자국을 남길까? - 비행기 꼬리의 흔적
03 뭉게구름은 어떻게 만들어질까? - 하늘의 천사, 뭉게구름
04 귀먹은 베토벤은 어떻게 소리를 들었을까? - 베토벤의 귀가 된 막대기
05 무중력 상태에서 양초에 불을 켤 수 있을까? - 우주 비행선 안 양초의 비밀!
06 사라진 항구도시 포트로열은 어디로 갔을까? - 모래 위에 세운 도시
07 겨울에는 흰색 옷이 좋을까, 검은색 옷이 좋을까? - 흰색과 검은색에 대한 선입견
08 에트루리아 인들의 금 세공 기술의 비밀은? - 금으로 못 만들 것은 없지!
09 이집트 조각상은 왜 소리를 내는 걸까? - 말하는 조각상
10 잠수부의 목소리는 깊은 바다에서 왜 변할까? - 잠수부들의 특별한 대화법
11 시끄러운 계곡에서 개구리들은 어떻게 대화를 할까? - 개굴개굴 개구리 노래를 한다
12 호박은 화강암보다 강할까? - 부드러움이 강함을 이긴다
13 꽉 막은 유리병 속에 어떻게 물이 들어갔을까? - 유리병을 바닷속으로!
14 200년 전 모스크바의 수도관들은 왜 자주 터진 것일까? - 밤이면 밤마다 터지는 수도관
15 장거리포는 왜 목표물을 정확히 맞추지 못했을까? - 빗나간 포탄
16 도자기에서 소리를 뽑아낼 수 있을까? - 도자기 위에 새긴 노래
17 유리컵은 어떻게 소리를 내는 것일까? - 유리컵으로 만든 악기
18 청동 대야에서는 왜 물방울이 튈까? - 물방울이 튀는 신기한 대야
19 청동 거울은 어떻게 벽에 상을 만드는 걸까? - 요술 거울의 비밀
20 밀가루는 왜 폭발한 걸까? - 파리를 잡기 위한 밀가루
21 아귀가 사냥감을 삼킬 때 시간은 얼마나 걸릴까? - 아귀가 입이 큰 이유는?
22 전선 내부에 왜 구멍이 났을까? - 합선의 이유
23 오로라와 구름은 어떤 관계일까? - 오로라가 나타나면 구름도 뒤따른다
24 쓰나미는 왜 해안으로 올수록 높아질까? - 갑자기 닥친 위기, 쓰나미!
25 왜 에어컨은 건강에 안 좋을까? - 에어컨을 켜면 두통이 시작되다

부록_ 미래의 과학자들에게