세상을 움직이는 물리

▣ 출판사서평

과학이 들려주는 인류의 역사와 미래

과학이 세상을 법칙으로 표현하다

인간은 오랜 옛날부터 변화하는 자연현상에 일정한 질서가 숨어 있다고 믿었다. 그러나 인간이 가진 지식으로는 자연현상을 정확히 파악하기 어려웠으므로, 알 수 없는 현상에 대한 인간의 두려움을 토대로 다양한 종교가 발달했다. 따라서 고대의 문명은 대부분 무력과 종교적인 권위를 바탕으로 생성되고 유지되었다. 그러나 차츰 세대를 거치며 지식이 축적되자 ‘과학’이 생겨났다. 과학은 자연현상을 연구하면서 그 속에 숨어 있는 질서와 규칙을 조직하고 체계화함으로써 지식과 문명을 발달시키는 중요한 수단이 되었다.

우리가 알고 있는 과학은 주로 갈릴레오와 뉴턴 이후의 지식들인데, 중세까지 사람들을 지배하던 신을 중심으로 하는 결정론적 사고관은 관성과 중력이라는 개념이 널리 퍼지면서 흔들리게 된다. 비로소 세상을 법칙으로 표현하게 된 것이다. 과학적인 실험 방법이 도입되면서, 이전까지 철학과 신학에 의해 좌우되던 인간들에게 ‘과학’은 세상을 보는 새로운 창을 열어 주었다.

현대문명의 기반이 된 열역학 법칙과 전자기력

과학에는 숱하게 많은 법칙과 원리들이 있지만, 그중에서도 열역학 법칙은 인간과 사회, 더 나아가 우주에 이르기까지 모든 물질을 지배하는 가장 근본적인 법칙이다. 오늘날 서구 문명을 떠받치고 있는 과학기술의 근저에는 에너지의 생산 및 이용이라는 측면이 자리 잡고 있다. 열역학 법칙이 알려지기 전까지 수천 년 동안 일을 할 수 있는 원동력은 사람과 짐승, 그리고 물과 불, 바람뿐이었다. 오랫동안 유지되어 온 계급 구조 속에서 노동력을 제공하는 사람과 짐승은 사고 팔리는 상품에 지나지 않았다. 그런데 열을 일로 바꿀 수 있게 됨에 따라 인력은 기계로 대체되었다. 즉 18세기 중엽, 열을 기계적인 에너지인 일로 전환시키는 증기기관을 통해 산업혁명이 시작되었으며 이로 인해 새로운 사회 질서와 경제 구조가 탄생하게 된 것이다. 그 후 19세기 중반 철도가 등장하며 사람들의 삶을 시간과 공간의 제약에서 벗어나게 했다.

인류가 전자기력을 활용하게 되자 전자기파를 이용한 전보와 전화가 발명되어 세상은 더욱 빠르게 변화하기 시작한다. 멀리 떨어진 도시의 사무실끼리도 쉽게 연결되면서 새로운 형태의 기업이 등장했다. 각 도시는 위치가 다르기 때문에 각자의 시간 체계를 갖고 있었다. 그러나 전자기파를 이용하자 모든 정보를 실시간으로 공유할 수 있게 되었다. 이것은 세계화의 초기 형태였다. 정보의 독점이 깨어지자 보다 많은 사람들이 정확한 정보를 기반으로 정치에 참여할 수 있게 되었으며, 두 차례의 세계대전을 겪은 이후에는 민주주의가 빠른 속도로 전 세계로 퍼져나갔다.

우리는 물리법칙으로 이루어진 세계 위에 살고 있다

만일 어느 순간 갑자기 정전이 되어 시간이 지나도 복구되지 않는다면 어떤 일이 벌어질까? 인터넷과 이메일은 곧바로 무용지물이 되고, 다음에는 전화선이 먹통이 되어 누구한테 도와달라고 하소연할 길도 없을 것이다. 텔레비전과 라디오가 꺼질 테니 바깥 상황을 알 도리도 없다. 신용카드를 사용해 장을 보는 것마저 어려워진다. 슈퍼마켓의 단말기나 현금인출기가 전기로 작동되는 컴퓨터에 의존하고 있기 때문이다. 냉장고에 보관된 식품들이 가장 먼저 썩기 시작할 테고, 전기로 펌프를 돌리지 못하니 가정에 공급되는 식수도 오래지 않아 중단될 것이다. 잠시 동안은 비축된 식량과 물로 버틸 수 있겠지만 아마 일주일도 안 돼 도시는 완전히 붕괴할 것이다. 농촌이나 어촌처럼 식량과 물을 어느 정도 근처에서 자급할 수 있는 지역은 상대적으로 상황이 나을 것이다. 하지만 도시를 벗어나기 위해 자동차를 타도 기름이 떨어지면 기름을 넣을 방법이 없다. 요즘은 지하 저장고를 사용하기 때문에 전기 펌프를 가동하지 않으면 연료를 끌어 올릴 수 없기 때문이다. 정전 사태가 일어난 뒤 몇 주만 지나면 대부분의 도시와 교외는 사람이 살 수 없는 곳이 될 것이다. 음식과 연료를 둘러싼 절박한 싸움이 벌어지고 60억이 넘는 인구 가운데 살아남는 사람은 얼마 되지 않을 것이다.

이처럼 우리는 고도의 과학기술을 기반으로 하는 현대사회를 살아가고 있지만, 손쉽게 접하는 도구들을 가능하게 한 물리법칙에 대해서는 거의 의식하지 못하고 지낸다. 앞서 예로 든 전동기와 발전기 또한 전기와 자기의 두 가지 현상을 우리 생활에 성공적으로 응용한 대표적인 경우이다. 전동기는 전기를 자기로 바꿔서 모터를 회전시키는 장치인 반면, 발전기는 모터를 회전시킬 때 발생하는 자기를 이용하여 전기를 만드는 장치이다. 20세기에 들어서면서 전 세계적으로 여성과 노동자의 권리가 꾸준히 향상된 데에는 전동기를 이용한 세탁기와 냉장고, 전기 재봉틀 등 다양한 가전제품이 큰 역할을 담당했다. 자질구레한 노동이 없어짐에 여성들도 남성들과 똑같이 교육을 받고 경제활동에 참여할 수 있게 되었으며 전통적인 남녀 관계가 무너지기 시작했다. 자급자족을 기반으로 하는 농경사회가 도시를 중심으로 한 산업사회로 변화하자 인구의 다수를 차지하게 된 노동계급은 투표권을 요구하고 자신들의 권익을 향상시키기 위한 노력을 기울였다.

또한 발전기는 전 세계 도시의 밤을 밝히면서 현대인의 삶을 근본적으로 변화시켰다. 오늘날 우리가 사용하는 모든 불빛은 물론 컴퓨터와 인터넷, 그리고 휴대폰에 이르기까지 현대 문명의 대부분을 창조한 것은 전기라고 할 수 있다. 20세기 들어 전기를 이용한 기계가 폭넓게 활용되면서 인류의 과학기술을 이전의 어느 시기보다 빠르게 발전했다. 고성능의 기계 장비들이 없었다면 상대성 이론과 빅뱅 이론 또한 나오지 않았을 것이다.

아직 미래는 결정되지 않았다

이제 인간은 지구를 넘어 우주와 생명의 기원에까지 탐구 영역을 넓히고 있다. 이전까지 몰랐던 거시 세계와 미시 세계에 관한 새로운 지식들이 늘어날수록 인류의 사고방식과 세계관 또한 보다 넓은 틀에서 만물을 바라보게 되었다. 그리고 앞으로 미래사회의 기반이 될 초전도 기술 및 나노과학, 아직 발견되지 않은 새로운 에너지원 등은 인간이 환경을 파괴하는 행위를 멈추고 다양한 생명들과 공존할 수 있는 방향을 제시해 줄 것이다.

『세상을 움직이는 물리』는 기존의 전쟁 또는 경제나 문화의 관점에서 역사를 이야기하는 것에서 한 걸음 더 나아가, 과학의 입장에서 세계사를 살펴보려는 시도이다. 세상을 움직이는 힘이 무엇인가에 대한 오랜 탐구는 이전까지 수많은 과학자들이 그랬듯이, 앞으로도 인류 문명의 나아갈 방향을 제시할 나침반이 될 것이다.

▣ 작가 소개

저 : 정갑수
연세대학교에서 핵물리학을 전공하여 박사학위를 받았으며, 대덕연구단지의 한국원자력연구소에서 다목적 연구용 원자로를 설계했다. 미국, 캐나다, 일본에서 입자가속기를 이용하여 핵자 및 소립자에 대한 국제공동연구에 참여했다.
연세대학교 의과대학 방사선종양학과에서 의학물리를 전공하고 방사선 진단 및 치료 장치와 핵의학 영상 장치들을 이용해 암환자들에 대한 3차원 입체조형치료를 시뮬레이션하는 연구를 했으며, 서울보건대학 방사선과 교수를 지냈다.
현재 과학 콘텐츠를 개발하고 연구하는 한국과학정보연구소장으로 일반인들을 위해 과학을 쉽고 재미있게 설명해주는 과학저술가로 활동하고 있다. 저서로는 『물리법칙으로 이루어진 세상』외 다수가 있으며, 다양한 잡지에 과학칼럼을 연재하고 있다.

▣ 주요 목차

머리말_물리는 세상을 어떻게 바꿨나? 6

1. 힘과 운동 : 세상을 법칙으로 표현하다
힘의 발견
운동의 표현
에너지의 활용

2. 열과 복잡계 : 기계가 인간을 대체하다
열역학법칙
엔트로피
카오스

3. 빛과 파동 : 생명을 유지하는 힘은 무엇인가
빛
전자파
레이저

4. 원자와 소립자 : 인간은 끊임없이 순환하는 원자이다
방사능
핵분열과 핵융합
양자역학

5. 별과 은하 : 인류가 시간과 공간을 뛰어넘다
상대성 이론
빅뱅 이론
암흑에너지와 암흑물질

6. 현재와 미래 : 미래는 아직 결정되지 않았다
초전도
플라즈마
나노과학

맺음말_물리로 이루어진 세상
참고문헌
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