책소개
마찬가지로, 이 책에서도 역사적 배경 지식 안에서 물리에 대해 설명하고 있다. 다만 전작이 지금의 물리학을 있게 한 유명한 인물들을 소개하고 세상 모든 것의 기본 원리를 밝힌 입문서였다면, 이 책은 거기서 한 발 더 나아가 불가능에 도전하고 새로운 미래를 연 창조자들의 이야기를 다루고 있다.
01 창조신화
1. 사물의 이치를 다룬 물리학을 이해하면 사물 또는 자연현상을 보는 눈이 새로워진다.
2. 물리학의 기원은 사물 또는 자연에 대한 호기심으로부터 온다.
3. 물리학은 사물의 이치나 원리(물리)를 탐구하는 과학의 한 분야이다.
4. 고대인들에게는 창조신화가 지금의 과학과 같은 의미를 지닌다.
5. 물리학을 배우면 현대인들의 생각이나 삶의 방식이 달라질 수 있다.
(엄밀히 말하면, 이탈리아의 갈릴레이와 영국의 뉴턴이 활동하던 1600년대를 물리학의 탄생 시기로 봅니다.)
02 2,000년 전의 물리학
1. 우주는 137억 년 전 대폭발(빅뱅)과 함께 탄생했다.
2. ‘문명’이란 인류가 물질, 기술, 사회구조를 발전시켜 삶의 질을 전보다 한 층 높인 시기를 뜻한다.
3. 그리스 사람들은 자연현상의 근본 원인을 알기 위해 과학을 했다.
4. 그리스 문명에서 가장 유명한 과학자를 꼽으라면, 아르키메데스와 아리스토텔레스를 들 수 있다.
5. 아리스토텔레스는 지구가 우주의 중심이고, 태양, 달, 목성 등의 천체가 원을 그리며 지구주위를 돌고 있다고 주장했다.
(물체에 외부 원인이 작용하면, 물체는 본성과는 다른 운동을 합니다.)
03 물리학의 암흑기
1. 기원 후 395년, 서로마제국에 속했던 유럽은 무려 500년간이나 암흑시대라고 불리는 긴 혼란기를 맞는다.
2. 잦은 전쟁과 식량 부족으로 힘든 삶이었지만 생존을 위한 성곽 건축 기술이나 기독교 전파를 위한 성당 건축 기술만큼은 그 어느 때보다 발전하였다.
3. 십자군 운동으로 암흑기 유럽에 새로운 빛을 비추었다.
4. 중세 유럽의 대학들은 본래 신부나 목사로 키워 기독교를 전파할 목적으로 세워졌다가 다른 학문 또한 점차 발전하였다.
5. 결과적으로 예술에서는 르네상스 운동이, 과학에서는 과학혁명이 일어나게 되었다. (종교개혁을 통해 사람들은 기독교로부터 어느 정도 자유로워졌고, 과학과 예술에도 자유의 바람이 퍼져 갔습니다.)
01 격동의 물리학
인류사에서 새롭고 거대한 변화를 겪는 시기를 혁명이라 부른다. 이러한 큰 변화는 인류의 삶을 풍족하게 해주지만, 경제성장으로 인한 빈부격차나 기술발전으로 인한 지식 차이 등이 따른다. 과학혁명이 왔을 때에도 과학자들이 새로운 이론에 빨리 적응하지 못하면 도태되는 상황에 처해졌다. 코페르니쿠스의 지동설 이후 과학혁명이 일어났는데, 물리학은 갈릴레이에 의해 시작되었다 봐도 무방하다. 또한 1700~1800년대는 여러 역학들과 자연법칙들이 많이 발견되었다.
02 흑체복사와 에테르
1700년대에는 거울 또는 렌즈로 현미경과 망원경을 많이 제작했고 1800년대에 들어서는 빛의 간섭이나 회절을 이용하여 태양과 별빛의 스펙트럼을 관찰했다. 또한 1900년대는 빛을 이용해 고온인 물체의 온도를 측정했고 현재는 빛을 이용하여 고속 통신 기술과 빠른 속도로 계산이 가능한 컴퓨터를 개발하려는 노력 중에 있다. 물리학에서 외부로 전자기파를 방출하는것은 복사라 불리는데, 고온의 물체가 빛을 방출하는 현상을 흑체복사라고 한다. 여기서 달구어져서 빛을 내는 물체를 흑체라고 부른다. 뉴턴이 활약한 1700년대 중반에는 아리스토텔레스가 주장한 자연철학이 무너졌었지만 그가 주장한 에테르와 절대라는 개념은 여전히 살아남아 있었다.
03 상대성 이론의 초석을 놓다
물리학에서의 간섭은 두 파동이 한 장소에서 마주칠 때, 파동의 높낮이에 의해 밝거나 어두운 무늬가 생기는 현상을 뜻한다. 마이컬슨이 만든 장치를 마이컬슨 간섭계라 칭하는 이유는 한 광원에서 나온 빛살을 이 장치로 인해 밝고 어두운 간섭무늬를 만들어 내기 때문이다. 마이컬슨과 몰리는 17년간 같은 실험을 반복했지만 이러한 노력에도 불구하고 에테르가 존재하지 않는다는 결과를 얻어냈다.
1. 각 장에서 가장 인상적인 내용
01 격동의 물리학: 과학혁명, 새 시대를 열다
”기술자로 출발하여 대학에서 명예 박사학위를 받을 정도로 과학자들의 인정을 받게 된 프라운호퍼는 애석하게도 39살의 젋은 나이에 갑작스런 죽음을 맞이합니다.“
불운한 과거를 가진 한 기술자가 건물이 무너지는 큰 사고에서 살아남았다. 본인에게 일어난 일이었다면 ‘왜 나에게만’, ‘왜 내 팔자는 이렇게 사나운가’ 라고 생각하며 좌절할 수 있었을 것 같다. 하지만 그러한 사고를 겪고도 배움의 기회를 잡아 새로운 장치의 개발자가 되었다. 그리고 그 장치를 통해 발견한 사실은 그 당시에 탄탄한 기반으로 완전하다 생각되었던 학문에 새로운 파문을 일으키고 정부에서 이름을 붙인 협회를 설립할 정도의 업적을 남겼다는 것이 매우 인상적이었다.
02 빛의 수수께끼: 흑체복사와 에테르
”1900년대에 들어서는 빛을 이용해 아주 고온인 물체의 온도를 측정할 수 있게 되었으며, 지금은 빛을 활용하여 고속으로 통신을 하는 기술과 엄청나게 빨리 계산할 수 있는 컴퓨터를 개발하고 있습니다.“
빛은 어두울 때 낮처럼 환히 밝혀주는 것, 낮, 대부분의 사람들에게 빛은 이런 인식일 것이다. 나 역시 빛에 대해 이런 인식을 가지고 살아왔다.
1. 도서 내용의 요약
01 격동의 물리학
1543년 폴란드의 신부이자 천문학자인 코페르니쿠스는 지동설을 주장하는 책을 발간한다. 이것을 과학 혁명이라 부르고, 다른 과학혁명과 구분하기 위해 제1 과학혁명이라 명명하였다.
물리학은 1600년 초에 갈릴레이에 의해 시작되었는데, 과거에는 학문의 구분이 명확하지 않아 자신을 철학자라고 생각하였는데, 물리학자들을 자연철학자라고 불렀다.
1700년대와 1800년대에 고전물리학이 크게 발전하였다. 그러나 1800년 대에 이러한 고전물리학의 발전이 더 이상 불가능 하다는 판단을 하는 물리학자들이 등장하기 시작하였다. 그 중 하나인 프라운 호퍼는 분광기를 발견하고 스펙트럼을 발견하는 과정에서 발견한 프라운 호퍼선은 발견하였는데 이는 그동안의 고전물리학으로는 설명할 수 없었다.
02 빛의 수수께끼
빛의 특이한 성질을 알아내고자 한 많은 물리학자들이 있었다.
높은 온도의 물체가 빛을 내는 현상을 흑체복사라고 부른다. 모든 물체는 달구었을 때 빛을 내는데 이러한 물체를 흑체라고 부른다. 흑체의 정의는 전혀 빛을 반사하지 않고 모든 빛을 흡수하는 이상적인 물체이다. 빈의 연구에 의하면 온도에 따라서 흑체복사 스펙트럼이 달라지고 온도가 높을수록 더 낮은 파장의 빛을 방출한다. 태양의 표면 온도는 약 5800K로 400~700nm의 가시광선 영역의 빛을 방출한다. 흑체복사를 과거의 물리학자들은 고전물리학을 이용하여 설명하려 했지만, 실패하였고 고전물리학 이론에 문제가 있음을 알게 되었다.
빛의 매질에 대해서도 많은 이론이 있었다. 과거 빛의 매질로 여겨지던 것은 에테르이다. 그러나 빛이 횡파임이 밝혀지면서 고전물리학에서는 에테르라는 존재의 큰 모순을 발견하게 된다.
03 마이컬슨-몰리의 실험
실험 물리학자들이 에테르의 존재에 대한 증명을 하려 하였는데 이 것이 마이컬슨-몰리 실험이다. 마이컬슨은 에테르의 존재에 대한 증명을 위해 정밀한 간섭계를 고안하였다. 망컬슨 간섭계는 조그만 변화에도 간섭 무늬가 변할 정도의 민감한 간섭계였다.
현대물리, 불가능에 마침표를 찍다
아름다운 문학 작품을 통해 감동을 얻는다. 마찬가지로 아름다운 물리의 원리를 통해서도 또 다른 의미의 감동을 얻을 수 있다. 문학 작품은 지극히 인위적인 산물이지만, 자연이라는 문학은 말 그대로 태초부터 인간의 손때가 묻지 않는 날 것 그대로의 모습이다. 그래서 더 신비롭고 알 수 없는 벅찬 감동을 안겨준다.
게다가 재미까지 있다. 문학에서만 서사가 있는 것이 아니다. 새로운 물리학의 개념과 현상의 발견 과정의 이면에 숨겨진 물리학자들의 스토리는, 그 어떤 이야기보다도 스릴 넘치고 긴장감을 주기에 충분하다. 뢴트겐이 x선을 발견했을 때의 경이로움은 굳이 내가 x선 발견자가 아니더라도 충분히 공감이 된다. 눈앞에서 어떤 신비로운 빛이 보이지 않던 내 살 속의 뼈를 보여주는 놀라움을 어떻게 말로 표현할 수 있겠는가!
1) 격동의 물리학 - 과학혁명, 새 시대를 열다.
인류의 역사를 자세히 살펴보면 유독 큰 변화를 겪는 시기가 있으며 우리는 이를 ‘혁명’이라 표현한다.
류가 탄생한 이후 현대에 이르기까지 인류는 다양한 분야에서 혁명을 이루어왔다.
물리학 또한 예외가 아니었다. 물리학이 점진적으로 발전했으리라 생각하는 사람들도 많지만 실제 물리학은 몇 번의 과학혁명을 통해 지금에 이르게 되었다.
과학을 탄생시킨 최초의 나라는 고대 그리스였다. 고대 그리스로부터 철학이 탄생하였으며 수학이 발전하였고 이를 바탕으로 자연철학이 탄생하였다.
인류는 제1 과학혁명을 통해 근대사회로 접어들게 되었다.
1543년 코페르니쿠스가 지동설을 주장하면서 과학은 중세시대와 작별을 고한다. 제1 과학혁명은 루터가 일으킨 종교개혁, 예술 분야의 르네상스 운동과 더불어 서양 중세사회를 근대사회로 이끄는 중요한 역할을 하게 되었다.
물리학은 1600년대 초반 갈릴레이에 의해 시작되었다고 할 수 있다.
당시 물리학을 연구하는 사람들은 자기 스스로를 철학자라 생각하였으며, 철학적 주제 가운데서도 특히 자연에 대해 연구한다고 하여 자연철학자로 불리웠다.
1700년대와 1800년대는 고전물리학이 활짝 꽃을 피우게 되었다. 역학과 전자기학, 통계역학, 광학, 유체역학 등 물리학자들은 다양한 자연법칙을 발견하기 시작하였다.
또한 고전 물리학으로부터 축적된 지식은 산업혁명으로 발현되었다. 고전물리학은 200년 동안 엄청난 발전을 이루어 냈다.
당시 뉴턴은 “이제 물리학은 끝났다. 내가 더 이상 연구할 것이 없으므로, 물리학 연구는 시간 낭비다”라는 말을 했을 정도로 물리학자들은 자신감에 가득 차 있었다.
하지만 나이 든 물리학자들이 물리학 정체론을 펼치는 동안에도 젊은 물리학자들은 실험을 통해 고전물리 이론을 뒤흔들 새로운 사실들을 밝혀내기 시작하였다.
그중 프라운호퍼는 분광기를 통해 빛의 분산 현상을 발견하였으며 회절격자라는 기구를 통해 빛의 파장을 이해할 수 있었다.
프라운호퍼는 실험을 통해 물체마다 선의 위치가 다르다는 사실을 밝혀내게 되었다.