파인만의 여섯가지 물리이야기(독서통신 95)

2024.1.28. 일, 파인만의 여섯가지 물리이야기, 리처드 파인만 강의, 박병철 옮김, 승산

 

 

물리학자 리처드 파인만의 칼택 강의를 정리한 책

 

문과생인 내가 『파인만의 여섯 가지 물리 이야기』를 읽으려고 한 것 자체가 대단한 용기였다.

물리학 근처에도 가기 두려웠던 건 학창시절 물리과목이 너무 어려웠기 때문이다.

그래도 시험이 있는 것도 아니니 한번 읽어보자 싶었다.
이 책은 1965년 노벨 물리학상을 받은 칼텍(캘리포니아 공과대학) 교수 파인만이

1961년부터 1963년까지 1,2학년 학생들을 대상으로 한 기초물리학 강의를

일반인들도 이해할 수 있도록 재미있고 흥미로운 부분을 골라 여섯 편으로 엮은 책이다.

그렇다고 해도 매우 문과적인 일반인인 나는 처음에 어렵고 이해하기 힘들었다.

점차 학창시절 과학시간을 떠올리며 이해하려고 노력하며 천천히 읽다보니 조금은 이해한 듯도 하다.

제1강 움직이는 원자에서는 딱딱한 물질도 원자로 구성되어 있고 그 원자들은 움직인다는 것.

모든 물질은 원자로 이루어져 있고 원자들은 온도와 원자들끼리의 충돌 등으로 불규칙하게 움직이는 것처럼 보이는데

이것이 브라운 운동이다.

살아있는 생명체의 모든 행위는 그 생명체들이 물리법칙을 따르는 원자들로 이루어져 있다는 관점만으로

모두 이해될 수 있다.

제2강은 기초 물리학으로 사물을 이루는 구성요소는 무엇이며,

그 구성요소의 종류는 얼마나 되는가를  연구하는 것이 물리학이라 할 수 있고,

물질을 구성하는 원자는 CO, CO2의 화합물 중 C(탄소), O(산소)를 말하는 것으로

C의 원소는 전자와 핵으로 구성되는데

핵의 내부구조는 양성자(proton)와 중성자(neutron)의 집합으로 이루어져 있다.

예를 들어 여섯개의 양성자가 핵안에 들어있고, 그 주변에 여섯개의 전자가 에워싸고 있다면

이 집합체는 원자번호 6인 탄소(carbon)원자가 된다.

9번은 불소(F)

원자마다 고유번호가 있는 이유는 원자의 중요한 화학적 성질이 핵의 주변을 둘러싸고 있는 전자의 개수에 의해 전적으로 좌우되기 때문이다.

여기에서 전기장, 전하, 전자기장 등이 생겨난다.

 

뉴턴의 관성과 힘의 법칙 이후, 1920년대 이전에는 아인슈타인의 물리학이 권좌를 차지하고 있었으며,

원자 보다 더 작은 입자의 존재를 파악한 양자물리학이 있었고,

입자의 운동을 예측하기 불가능하다는 것을 알게되어 불확정성의 원리를 만들어냈다.

그동안 파동이라고 생각했던 것들이 입자처럼 움직이고,

입자도 파동적인 성질을 갖는다는 것을 알게되어,

양자역학은 장(field)과 파동(wave), 입자(particle)라는 개념들을 통일시켜버렸다.

 

제3강은 물리학과 다른 과학과의 관계로 자석과 전기장의 원리 설명을 통해 전자기학의 기본 원리를 설명한다.

물리학이 자연현상을 설명하는데 필수적으로 요구되는 기초학문으로

화학, 생물학, 천문학, 심리학과도 관련 깊다고 설명한다.

특히, 생물학에서 인간의 DNA와 효소 단백질 등은 인간의 인체를 구성하는 요소이며

활성화 에너지 작용으로 화학분자들이 엮여서 우리 몸을 이루고 있고

효소 단백질이 마치 공장의 기계처럼 분자들을 몸속에서 운반하고 적절하게 배치되도록 돕는다는 사실은

문과생인 나에게는 신비롭기만 하다.

 

제4강은 에너지의 보존으로 학착시절 물리시간에 배웠던 법칙들을 다시 복기시키는 기회를 주었다.

에너지 3대 법칙인 에너지 보존의 법칙, 선 운동량 보존법칙, 각 운동량 보존법칙이고,

더 깊이 들어가면 미시물리학의 기초인 양자역학의 3대 법칙인

전하 보존법칙, 바리온(중입자) 보존법칙, 렙톤(경입자) 보존법칙이 있다.

자연에는 이렇게 여섯가지의 보존법칙이 존재한다고 한다.

하지만 인간생활에 필요한 에너지는 쉽게 보존되지 않는다.

유용한 에너지의 양을 계산하는 법칙이 바로 열역학 법칙인데,

여기에는 비가역적 열역학 과정을 설명하는 엔트로피의 개념이 도입되어 있다.

제5강은 중력이다.

모든 물체는 다른 물체를 끌어당기는 성질이 있는데,

그 힘의 크기는 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.

중력 연구에 지대한 기여를 한 과학자는 케플러인데

스승인 브라헤의 연구를 돕다가 관측자료를 통해 행성의 운동법칙을 발견했다.

첫번째는 행성들의 궤적이 타원형이며, 타원의 내부에 있는 두 개의 초점 중 한 곳에 태양이 위치하고 있다는 것이고,

두번째는 태양 주위를 공전하는 행정의 속도가 일정하지 않다는 것이었다.

즉 행성은 태양과 가까울 때는 빠르게 움직이고, 태양과 멀어졌을 때는 느리게 움직인다는 것이다.

세번째는 임의의 행성의 공전주기와 공전궤도의 크기는 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것이다.

 

제6강은 양자적 행동인데 나에게는제일 어려웠다.

총알 실험을 통해 전자의 움직임에 대한 설명이었는데,

전자의 움직임이 파동인지 입자인지를 확인하는 실험이었는데,

경우에 따라 입자처럼 구멍을 통과하기도 하고,

각각 다른 두개의 구멍을 통과하면서 서로 간섭하여 증폭되거나 더 약해져서 파동처럼 보이기도 함에 따라,

불확정성의 원리를 도출해냈다.

 

정말 문과생인 나에겐 무척 어려운 분야인 물리에 관한 책을 읽으며, 물론 어렵기도 했지만 흥미롭고 재미있기도 했다.

인문학적인 갈증을 해소하기 위해 책을 읽다보니,

소설, 시, 에세이 만으로 해소할 수 없는 존재의 이유를 찾기 위해 과학 책을 찾아 읽기 시작했다.

그렇게 기초 과학 책으로 이 책을 읽게 되었는데,

무척 어렵기도 하지만 반면 흥미롭고 이 세상에 존재하는 물체들의 원리를 어렴풋이 짐작할 수 있어서 좋았다.

그리고 내몸의 원리와 구성을 더 이해할 수 있는 듯한 느낌도 든다.

또한 파인만 이후, 현대의 과학은 더 많이 발달하였는데,

현대의 반도체, 유기화학 등의 분야의 새로운 이론들이 궁금해졌다.

또 다른 과학책을 읽을 것 같은 예감이다.