이토록 아름다운 물리학이라니

일상에서 매일 접하는 아름다운 예술적 순간들 속에
당신이 몰랐던 경이롭고 환상적인 과학 세계가 숨어 있다!

1,000ft에 달하는 파리의 상징 에펠탑, 샴페인 잔 속에서 공기 방울들이 춤추듯 올라가는 모습, 씨앗이 바람을 타고 퍼져나가는 모습 등 우리 일상은 아름답고 우아한 순간으로 가득 차 있다. 이런 아름다움을 보면 원리나 현상에 관해서 궁금증이 일어날 때가 있다.
파리에서 활발하게 활동 중인 4인의 과학자는 바로 이 부분에 주목했다. 《이토록 아름다운 물리학이라니》는 이처럼 일상의 아름다운 순간 뒤에 숨어 있는 물리학 원리를 과학적인 시각으로 바라보는 책이다. 건축물, 샴페인 거품, 모래나 유리, 거미나 새, 식물, 균열 등 우리 일상에서 흔히 접할 수 있는 아름다움의 원리를 물리학적 지식을 곁들여 재미있게 서술했다. 이에 더해 장마다 대체로 누구나 따라 할 수 있는 35가지 실험을 일러스트로 안내하고 200여 장의 컬러 사진을 실어 독자의 직관적인 이해를 도왔다. 생활 밀착형 과학 지식을 담은 이 책을 통해 보편적인 물리학 원리를 배우고 다양한 관점에서 사물을 바라보는 눈을 기르게 될 것이다.

일상의 아름답고 예술적인 순간에 관해
4인의 프랑스 과학자가 들려주는 35가지 물리학 이야기

건축물이나 건물, 샴페인 거품, 모래나 유리 같은 재료들, 거미나 새, 식물, 균열 등 우리 일상을 구성하는 대부분의 것을 자세히 들여다보면 아름다움이 숨어 있다. 꼭 자세히 관찰하지는 않더라도, 생활 속에서 마주치는 많은 사물 뒷면에 어떤 오묘한 아름다움이 숨어 있으리라는 느낌은 모두 다 느껴봤을 것이다. 이 숨겨진 아름다움은 자연적으로 나타난 것일 수도 있고, 때론 의도적으로 만들어졌을 수도 있다. 또한, 어떤 드러나지 않은 구조나 우리가 아직 파악하지 못한 어떤 기능의 산물일 수도 있다. 그냥 스쳐 지나가거나 무시할 수도 있지만, 이 아름다움 속에 어떤 물리학 원리가 숨어 있는지를 깨닫는다면 이는 과학이나 기술의 발전에 기여할 수 있다.

이 책은 파리 산업 물리 및 화학 고등 전문학교의 연구원들이 팀을 이뤄 써낸 책이다. 그들은 저마다 솔방울의 춤, 비닐이 구불거리며 갈라지는 현상 등 일상 속의 아름다움에 관심을 가지고 이에 관한 물리학 원리를 분석하고 이를 책으로 써냈다. 저자들은 사물 속에 숨겨진 과학을 드러나게 함으로써 우리를 둘러싼 세상을 새롭게 바라볼 것을 제안한다. 우아한 석조 아치, 모래 알갱이, 그리고 활과 현이 만드는 진동 등 이 책이 다루는 35가지 주제는 모두 공통점이 있다. 바로 신비로운 우아함이 그 속에 자리 잡고 있다는 것이다. 그리고 다양한 분야에서 숨겨진 우아함을 밝혀내서 일상을 다르게 비추고자 했다.

이 책을 관통하는 첫 번째 키워드는 바로 우아함(아름다움)이다. 우아함이라는 단어는 흔히 예술적인 측면을 연상하게 한다. 그러나 좀 더 큰 개념에서 본다면, 우리 주변의 많은 것이 우아함의 대상이 될 수 있다. 즉, 어떤 작품을 보고 느끼는 감정뿐만 아니라 운동선수의 기술, 수학적으로 잘 계산된 곡선의 모양 등 우리 일상의 많은 것이 우아함의 대상이 될 수 있다. 대상의 크기 또한 중요하지 않다. 작은 메뚜기가 탄성 에너지를 이용해 점프하는 모습이나 아주 얇은 밀푀유의 층에서부터 거대한 에펠탑의 형태, 흙으로 지어진 큰 건축물들까지, 우아함은 다양한 모습으로 나타나고 있다. 그리고 인공적인 것이든, 자연적인 것이든 대부분의 현상 속에는 우아함이 숨어 있다.

이런 우아함을 단순히 감성적으로 느끼는 것을 넘어서, 이러한 현상에 작용하는 과학 원리를 분석하는 것은 현상의 발생 원인과 이용 방법을 찾아낼 수 있는 좋은 방법이다. 이에 파리 산업 물리 및 화학 고등 전문학교의 연구원인 4인의 저자는 이 책을 관통하는 두 번째 키워드로 물리학을 제시한다. 각각의 주제에서 사물의 형태, 그들에게 미치는 힘, 그리고 기능들을 멋지게 설명하는 데 만족하지 않고, 이 속에 감춰진 물리학적 현상과 원리를 분석해 이를 다양한 사례와 이론으로 풀어냈다. 이를 통해 보편적인 물리학 원리가 우리 일상에서 작용하고 있음을 알려주고, 다양한 크기에서 세상을 관찰하는 눈을 기르도록 유도한다. 과학적 탐구의 산물로 가득 찬 현대 사회에서 물리학에 대한 올바른 이해는 중요한 덕목이다.

이 책은 크게 우리 일상의 여러 순간을 포착한 6개의 장으로 구성돼 있다. 첫 번째 장에서는 건축을 다룬다. 얇은 종이 1장이 장력을 견뎌낼 수 있도록 하는 과정에서부터 크기에 따른 압력의 증가, 장력 현상 등을 설명한다. 그리고 파리의 랜드마크인 에펠탑이 왜 그런 형태를 갖추게 되었는지를 설명함으로써, 자연적인 것이든, 인공적인 것이든 모든 건축물이 제각기 보여주는 아름다움이 어떤 원리로 인해 나타나게 되었는지를 설명한다.

힘이 만들어내는 예술은 두 번째 장에서 등장한다. 이 장에서는 샴페인을 따를 때 생기는 거품의 형성에서부터 소멸까지를 다루고, 사슬이 중력에 의해 만들어내는 현수선을 물리학 원리를 통해 풀어본다. 그리고 왜 현수선이 아름다우면서도 건축물에 사용되었을 때는 안정적인지를 자세하게 설명한다. 또한, 조개나 밀푀유에서 보이는 것처럼 얇은 층이 모여서 갖추는 힘을 이야기하고, 이런 현상이 현대의 소프트 화학이나 시멘트 벽돌에 이용되는 예를 분석한다.

물체를 구성하는 구성품들인 끈과 알갱이의 이야기는 세 번째 장과 네 번째 장에서 등장한다. 세 번째 장은 끈을 주제로 해 굳이 전문적인 과학이 아니더라도 이런 원리를 실생활에서 이용하는 기술자들의 이야기를 다룬다. 거미줄이나 새들이 만드는 둥지가 보여주는 아름다움을 이용해 이를 직조 방법에 활용한 예나 인간의 몸의 굴곡에 맞춰 입체적으로 주름을 잡거나 옷을 재단하는 기술자들의 이야기가 이 장에서 다뤄진다. 즉, 끈이라는 키워드를 통해 병합 현상에 관한 이야기와 함께 이를 실생활에서 활용하는 기술적인 예를 중점으로 다루었다. 네 번째 장 역시 기술자들의 이야기를 다루는데, 알갱이를 주제로 해 작은 모래 알갱이가 어떻게 콘크리트라는 산업 기술의 재료가 되고 아름다운 유리를 구성하는 재료가 될 수 있는지를 이야기한다.

다섯 번째 장과 여섯 번째 장은 물질 속에 숨어 있는 에너지를 다룬다. 물체나 식물이 휘어지거나 꺾이는 모습을 통해 에너지의 발생 원리와 전달 형태를 분석하고, 식물들이 이 방법으로 어떻게 씨앗을 뿌리는지 그 원리를 자세하게 설명한다. 그리고 이를 기반으로 만들어지는 바이메탈 기술을 소개한다. 한편으로, 활과 현이 만드는 진동을 통해 음악에 나타나는 물리학을 다루기도 한다. 여섯 번째 장에서는 파열을 중점적으로 다루는데, 선사시대의 우리 선조들이 이런 원리를 이용했다는 것을 알려주고 현대의 다이아몬드 가공법에도 이 원리가 적용되고 있음을 보여준다. 그리고 그림에 나타나는 균열, 루퍼트 왕자의 눈물에서 나타나는 유리의 비밀 등 다양하고 흥미로운 소재들로 내용을 마무리한다.

실험을 통해 직접 경험해보는 물리학 원리
마지막으로 이 책의 특별한 점은 다양한 사례와 실험에서 찾아볼 수 있다. 이 책은 단순히 물리학 원리를 설명하는 것에 그치지 않는다. 일상 속에 숨어 있는 물리학을 다루는 만큼 다양한 사례를 소개하고, 관련 실험을 통해 직접 경험할 수 있도록 유도한다. 종이를 접어본다거나 캐러멜로 만들어보는 루퍼트 왕자의 눈물, 비눗방울 탁구 등 놀이 형태의 여러 실험을 통해 과학에 대한 흥미를 유도하고, 아름다운 현상들을 직접 체험해볼 수 있도록 권장한다. 특히 어려운 설명이나 난해한 이론 위주의 서술보다는 독자의 이해를 돕기 위해 최대한 쉬운 설명과 함께 관심 분야를 자유롭게 선택해서 읽을 수 있도록 내용을 나열식으로 구성했다.

그만큼 이 책은 어려운 물리학 이론이나 제반 지식을 요하지 않는다. 저자들의 목표는 일상에서 매일 접하는 아름다운 예술적 순간들 속에 당신이 몰랐던 경이롭고 환상적인 과학 세계가 숨어 있다는 것을 알려주고, 이를 통해 다양한 크기에서 세상을 관찰하는 눈을 선사하는 것이다. 결국 숨어 있는 아름다움의 발견을 통해 우리를 둘러싼 세상을 다른 시선으로 보게 하는 것이 이 책의 목표다. 일상 속에 숨어 있는 경이로움을 깨닫는 과정에 함께해보자.  

지은이 : 에티엔 귀용
에티엔 귀용은 대학교수다. 그는 지식을 공유하고 싶은 열망으로 파리 과학 박물관(Palais de la Déouverte), 고등사범대학(Éole normale supéieure) 및 과학 대중화 협회인 프티 데브뤼야르(Petits Dérouillards, 꼬마 해결사)에서 연구와 교육을 지도하고 있다.

지은이 : 호세 비코
물방울과 주름에 관심이 많다. 그는 ESPCI(Ecole superieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris)의 교원이자 연구원이며 노벨상 수상자인 피에르질 드젠을 기념하는 과학관 ESPGG(Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes)에서 실험 강의를 이끌고 있다.

지은이 : 에티엔 레이샷
에티엔 레이삿은 물방울의 움직임(비가 오면 닫히고 화창해지면 열리는)과 솔방울의 춤을 관찰하는 것을 좋아하는 프랑스 국립 과학 연구원 CNRS의 연구원이다. 그는 만나는 모든 사람에게 이 이야기를 들려주고 싶어 한다.

지은이 : 브누아 로만
브누아 로만은 프랑스 국립 과학 연구원 CNRS의 연구원이다. 그는 비눗방울을 좋아하고 구겨지고 찢어지는 것이라면 모두 다 큰 관심을 보인다. ‘나선형으로 점점 크게’ 찢어지는 포장법을 발명해 특허를 냈다. 사람들이 뜯기 어려운 포장지를 가지고 더 이상 고생하지 않기를 바라고 있다.

옮긴이 : 박인규
프랑스 파리 11대학에서 입자물리실험으로 박사학위를 받았다. 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서 수행한 여러 실험에 참여했으며, 스위스 제네바와 스페인 바르셀로나에서 생활했다. 미국 예일대학교와 로체스터대학교의 연구원 생활을 마치고, 현재는 서울시립대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 한국물리학회 초대 대중화특별위원회 위원장을 역임했고, 여전히 대중과 소통하기 위해 노력하고 있다.

옮긴이 : 박마래마리아
프랑스와 한국을 오가며 초중고등학교를 다녔다. 프랑스 페르네-볼테르(Ferney-Voltaire) 국제학교에서 공부하고 이화외고 불문학과를 졸업한 뒤, 현재 이화여대 불문학과 E4 장학생으로 수학 중이다. DALF C2 디플롬을 취득하고, 한불수교 130주년 홍보잡지 《비쥬/얼》, ‘프랑스 요리를 부탁해’, ‘환상의 한상차림(Tout en m?me temps)!’ 등 다수의 기고 및 미디어를 제작해왔다. 수학과 과학을 사랑하고 한국과 유럽 간 새로운 형식의 과학 문화교류를 모색하고 있다.

머리말

건축의 대가들
 작은 것은 아름답다
 아제르리도 성의 다락
 파리의 상징 에펠탑
 내적 균형의 미
 장력이 만드는 곡면

힘이 만드는 예술
 비눗방울이 터질 때까지
 거품의 최후
 사슬이 만드는 아름다운 현수선
 우아한 석조 아치
 조개와 밀푀유

끈으로 이뤄진 세계
8개의 다리를 가진 건축가
 물에 젖은 머리카락의 병합 현상
 날아다니는 건축가, 새
 지푸라기로 만든 다리
 주름잡기와 가위질을 하는 입체의 마술사들
 직조, 날실과 씨실의 조화
 종이로 만든 공은 특이하다

알갱이에서 유리까지
 모래 알갱이로 본 세상
 모래성의 비밀
 흙으로 지어진 건축물들
 액체 상태의 돌, 콘크리트
 알갱이를 붙이는 소결 이야기
 유리의 변신

움직임에 대하여
 휘어지거나 혹은 꺾이거나
 공중으로 날아오르기
 솔방울의 춤
 씨앗들의 비행
 활과 현이 만드는 진동
 모래 더미의 물리학

파열이 만든 모습들
 선사시대의 보석
 뾰족하게 찢어지는 이유
 샐러드의 기하학
 지문과도 같은 균열
 계란 위를 걷기
 루퍼트 왕자의 눈물

 용어 사전
 참고문헌
 감사의 말