인물과 실험으로 보는 스토리 물리학

(※한국출판문화산업진흥원 2018 우수출판콘텐츠지원사업 선정작)

인물과 실험을 통해 과학적으로 사고하고
생각하는 힘을 키워주는 책!

“과학적 사고를 경험한다.”
이 책은 과학적 사고에 대한 자연스러운 동기부여를 통해 독자가 스스로 사고하는 세계로 들어가도록 유도한다. 고전물리학의 발전 과정과 신기한 실험들을 살펴보면서 지식과 지식을 연결하기 위해 하나하나 따져 가며 논리를 전개하는 과학자들의 사고방식을 따라간다. 이 책을 통해 독자들은 과학을 하는 맛을 알게 되고 과학을 바라보는 눈을 키울 수 있을 것이다.

“그들은 어떻게 과학적 사고를 발전시켰는가?”
지금은 10대 후반이 되면 과학적 지식과 사고 방법에 대해서 누구나 교육받는 시대이고 좋든 싫든 그만큼 과학은 일상적으로 접하는 것이 되었다. 하지만 과학적 사고방식은 인류의 태동 때부터 존재했었던 것이 전혀 아니다. 과학은 인류가 개척하고 발명해낸 하나의 세계이고 오랜 시간에 걸쳐 구축된 계속 다듬어져 가는 체계이다. 우리는 아리스토텔레스, 뉴턴, 맥스웰을 중심으로 고전물리학의 발전 과정을 집중적으로 되짚어보고 과학적 사고의 원형에 접근하고자 한다. 본문에서 다루는 실험을 이해하는 과정 중에 등장하는 여러 가지 배경 이야기들은 이런 과학적 방법의 발전 과정을 좀 더 입체적으로 느낄 수 있게 돕는다.

“파편화된 과학이 연결된 이야기로.”
물이 비커 사이에 걸쳐서 다리를 만들고, 평범하게 굳힌 유리가 총알을 맞고도 깨지지 않고, 마트에서 구한 사탕이 쪼개지면서 빛을 낸다. 이 책에서 다루는 실험들은 대단치 않은 겉모습에 비해서 극적인 효과를 주는 것들이다. 하지만 이 현상들의 핵심을 이해하는데 첨단의 이론이 필요하지는 않다. 단편적으로 알고 있던 이미 배운 과학 지식들을 유기적으로 꿰어낼 수만 있으면 된다. 우리는 각각의 실험에서 이런 개념들의 유기적 연결과 그런 연결을 가능하게 하는 과학적 사고를 만난다. 세심한 독자라면 책 전반에 걸친 과학적 사고의 연결망을 발견할 수도 있을 것이다.

고전 물리학자들과의 대화를 통해 고전물리학의 변천과정을 들여다본다!
이 책은 곳곳에 물리학적 관점의 발전사가 등장하여 물리학의 배경에 대한 독자들의 이해를 돕는다. 특히 1부에서는 아리스토텔레스, 뉴턴, 맥스웰을 차례로 만나면서 자연에 대한 과학적 사고의 변천 과정을 집중적으로 살펴본다. 아리스토텔레스와의 대화에서는 원소설과 우주론을 중심으로 고대 그리스의 자연관을 탐색한다. 자연철학의 원형이라고 할 수 있는 아리스토텔레스 철학의 사고 틀과 세계에 대한 통합된 체계를 만드는 시도의 원조를 우리는 만나게 된다. 뉴턴과의 대화에서는 만유인력과 광학에 대한 뉴턴의 연구를 살펴보고, 아리스토텔레스의 자연관이 뉴턴의 기계론적 역학을 따르는 우주관으로 정립되는 전환을 확인한다. 맥스웰과의 대화에서는 전자기학과 기체 운동에 관한 맥스웰의 연구를 통해 역학적 세계관의 장이론(field theory)적 확장과 확률론적 역학관의 등장을 만난다. 뉴턴과 맥스웰을 통해 고전물리학의 정립과정을 전반적으로 살펴보면서 관찰과 실험으로부터 수집한 정보를 활용하여 과학적 지식을 생산하는 이성의 사용법을 재확인한다.

신기한 실험들을 과학적 사고로 통찰해본다!
2부에서는 1부에서 드러내고자 했던 과학적 사고 과정을 현대로 옮겨와 독자 스스로 음미해 보도록 하였다. 언뜻 이해하기 힘들어 보이는 실험을 제시한 후 과학자들의 생각법을 이 실험들에 적용한다. 2부에 등장하는 실험들은 물질-빛-에너지를 아우를 수 있는 현상들로, 종합적이고 흥미로운 설명을 제공할 수 있는 것들로 주로 선정하였다. 이 실험들을 이해하는 과정 중에 1부에서 만났던 과학적 안목을 반복해서 만나게 된다. 과학적 사고를 통해 배경 지식들이 맞물려서 최종적으로 현상이 이해되는 경험을 독자들이 누리도록 안내한다.

교과서에 갇힌 과학을 유기적으로 풀어낸 책!
교과서에서 배우는 과학은 학습의 편의성을 위해서 파편화되어 다루어진다. 하지만 이렇게 실제적인 현상과 괴리되어 배운 박제된 과학은 과학적 사고방식을 낳지 못하고 쪼개어진 지엽적인 지식들로 끝나버린다. 이 책은 대중에게 잘 알려지지 않은 신기한 실험이나 현상을 소개하여 과학에 대한 흥미를 우선 다시 일깨운다. 그 후 과학적 사고에 대한 거시적인 안목을 체험할 수 있도록 이 현상을 풀어간다. 가령 본문에서 다루는 ‘물이 만든 다리’ 실험은 처음에는 신기하고 원리를 이해할 수 없을 것처럼 보이지만, 알고 보면 고등학교 과학 시간에 배우는 개념들로 충분히 해석해낼 수 있음을 알게 된다. 나아가 부도체, 유전체, 유전분극, 물의 극성, 표면 장력 등의 따로 놀던 개념들이 전체적으로 엮이면서 비로소 현상이 이해되는 경험을 할 수 있다.
이 책은 과학적 사고에 대한 자연스러운 동기부여를 통해 독자가 스스로 사고하는 세계로 들어가도록 유도한다. 지식과 지식을 연결하기 위해 하나하나 따져 가며 논리를 전개했던 과학자들의 사고방식을 따라가다 보면 과학을 하는 맛을 알게 되고, 과학을 바라보는 눈을 키울 수 있을 것이다.

이 책의 내용

1부 물리학을 만나다
인류가 세계와 우주를 어떻게 바라보게 되었는지 이야기로 풀어간다. 고전물리학의 발전 과정에서 중요한 역할을 한 굵직굵직한 생각들을 중심으로 개념의 역사적 발전을 만난다. 1부에서 만나는 사고 과정은 2부에서 다룰 실험들을 이해할 때 필요한 통합적 사고를 위한 발판을 제공한다.

1장 아리스토텔레스와의 대화 : 아리스토텔레스와 다른 인물들의 가상의 대화를 통해 4원소설, 우주론을 중심으로 과학적 사고의 여명기를 탐색한다.

2장 뉴턴과의 대화 : 만유인력의 법칙과 광학에 대한 뉴턴의 연구를 바탕으로 고대에서부터 이어져온 미신적 우주관이 자연과학적 우주관으로 정립되는 과정을 탐색한다.

3장 맥스웰과의 대화 : 전자기학과 기체 운동에 관한 맥스웰의 연구를 바탕으로 역학적 세계관의 풍부한 확장과 현대물리학이 예비 되는 과정을 탐색한다.

2부 실험으로 들여다본 물리학의 세계
언뜻 이해하기 힘들어 보이는 현상을 과학적 사고를 통해 풀어간다. 1부에서 강조한 과학적 사고가 때로는 명시적으로 때로는 암시적으로 반복된다. 실험주제는 역학과 전자기학 부분은 최소화하고 응집물질물리학 관련 실험을 중점으로 하였다. 실험들은 물질-빛-에너지를 아우르는 것들로 종합적이고 흥미로운 설명을 많이 제공한다.

1장 T자 모양 핸들의 회전 : T자 모양 핸들을 무중력 상태에서 회전 시켰을 때, 직관적인 예상을 빗나가는 운동을 보인다. 회전운동의 경우 3가지 방향의 회전이 얽혀 있음을 설명한다.

2장 동극 모터 : 건전지 1개, 네오디뮴 자석 1개, 도선 조각으로 작동하는 동극 모터를 살펴본다. 동극 모터의 구조는 교과서에서 배우는 직류 모터와 달라서 직관적으로 어떤 운동을 할지 예상하기 어렵다. 전류-자기장-도선의 운동이 얽혀 있음을 설명한다.

3장 물이 만든 다리 : 2개의 비커에 담긴 증류수가 고전압에서 비커를 넘어서 다리를 만드는 현상이다. 직관적으로 이해하기 어려워 보이는 현상이지만 유전체, 유전분극, 표면장력이라는 개념을 통해서 이해할 수 있음을 설명한다.

4장 루퍼트 왕자의 눈물방울 : 유리로 만든 눈물방울 모양의 조각이 총알에 맞아도 깨어지지 않는 현상이다. 깨어지기 쉬운 물질로 알고 있는 유리가 어떻게 강화 구조를 가지는지 설명한다.

5장 마찰 발광 : 마트에서 구할 수 있는 사탕을 부술 때 빛이 나는 현상이다. 물질 구조의 변화에 수반되는 발광 현상을 설명한다.

6장 생물 발광 : 패충류가 수중에서 내뿜은 체액이 빛을 내는 현상이다. 물질 반응에 수반되는 발광 현상을 설명한다.

7장 지구형 행성 탐색 : 지구형 행성을 찾기 위한 노력의 일환으로 행성이 항성 앞을 지나갈 때 발생하는 항성 광도의 변화를 관측한다. 지구형 행성의 물의 존재 가능성 추정법에 대해서도 설명한다.

지은이 : 김현벽 
KAIST 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서 입자물리학 및 우주론에 관한 연구로 박사학위를 받았어요. 삼성전자 반도체연구소에서 책임 연구원으로 차세대 메모리 개발을 위한 리쏘그래피 공정에서 일했어요. 지금은 KAIST 부설 한국과학영재학교 교사로 일하고 있어요. 과학 영재들의 재능과 열정 속에서 이론 물리학, 반도체 메모리, 수치 시뮬레이션, 3D 프린터, 아두이노 등에 대한 지식을 나누고 같이 배워가며 지내고 있답니다.

지은이 : 강다현 
부산대학교 물리교육과를 졸업하고 서울대학교 물리교육과에서 석사학위를 받았다. 10년간 일선 중고등학교에서 물리를 가르쳤으나 입시 교육에 회의를 느껴 지금은 학생들과 함께 과학 고전을 읽으며 생각하는 힘을 키우고 있다.

프롤로그

1부_물리학을 만나다
1장 : 아리스토텔레스와의 대화
2장 : 뉴턴과의 대화
3장 : 맥스웰과의 대화

2부_실험으로 들여다본 물리학의 세계
1장 : T자 모양 핸들의 회전
2장 : 동극 모터(homopolar motor)
3장 : 물이 만든 다리
4장 : 루퍼트 왕자의 눈물방울(Prince Rupert’s Drop)
5장 : 마찰 발광(triboluminescence)
6장 : 생물 발광(bioluminescence)
7장 : 지구형 행성 탐색(TRAPPIST-1)

참고 문헌