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양자물리를 전공한 것은 아니지만, 통계물리학을 전공했다고 잘난 척을 했었으니 이번 세미나에서 물리학의 몇 가지 법칙들에 대해서는 좀 부연설명을 하는 것이 좋겠다고 생각했다. 사실 보더니스 책이 쉬운 것이 아니라, 아인슈타인의 특수상대성이론을 이야기 하기 위해 이 이론이 나오기까지 많은 물리법칙들을 발견하고 정리해낸 과학자들의 삶을 같이 이야기 하고 있어서 책장이 좀 쉽게 넘어가는 것 처럼 느껴질 뿐이다. 수식 없이 물리법칙을 설명한다는 것은 대단히 어려운 일이고, 왜곡된 이해로 흐르기 쉽다. 그러나 우리가 이 책을 읽는 목적은 물리법칙을 전문가 수준으로 자세하게 이해하기 보다는 마치 고적 답사를 하거나 그림감상을 하듯이 약간의 배경지식을 가지고 기본 개념을 파악하고, 과학의 이름으로 들여다본  사물의 본질적인 성질을 생각하고 우리의 삶에 적절히 투영하는 데 있을 것이다. 그럼에도 부연설명이 필요하다고 느낀 것은 이 책이 실제 과학이론에 들어가서는 전혀 쉽지 않고, 좀 이상하게(? 사실은 그럴수 밖에 없지만...) 설명하고 있기 때문이기도 하다. (이 고질병 적인 잘난척을 용서하시기 바람^^)

우리는 지난 세미나에서 E=mc²이 탄생하는 과정을 훓어보았다. 이 식은 질량을 가진 물체는 그것의 존재자체 만으로 엄청난 에너지를 내포하고 있다는 의미이다. 여기서도 여전히 에너지 보존법칙이 성립하기 때문에 질량이 변화하면 광속의 제곱만큼의 에너지 변화가 생긴다. 광속 자체가 엄청난 속도이므로 이때 발생하는 에너지는 상상을 초월하는 에너지이다.

그러나 이것을 생물의 생사와 연결 지어 신이 정이나 기로 화하는 것으로 생각 할 수는 없다. 생명을 가진 것이 멸하더라도 질량은 변화가 없기 때문에 그것이 에너지화 되는 것은 아니다.  (만일 내가 죽어서 내 몸을 구성하고 있는 모든 원자들이 핵분열을 통한 잘량변화가 있다면, 지구가 수억만번은 더 터졌을 것이다!) 세상만물은 원자들의 이합집산에 의해 만들어진다. 생사에 의한 형태의 변화는 그것을 구성하고 있는 원자들이 새로운 집합으로 분화된 것이다. 즉 내 몸의 일부는 타서 공기 중에 흩어졌고, 또 일부는 나무가 되고, 흙이 되고, 곰팡이가 되고… E=mc² 에서의 질량이라고 함은 원자 단위의 물리적인 특성이다.  원자단위에서 질량이 바뀌려면 핵분열을 하거나, 핵융합이 일어나는 수 밖에 없다. 또한 원소들 중에는 중성자의 갯수가 한 두개 더 많은 동위원소들도 있다. 이들이 중성자를 잃으면서 질량이 줄어들때도 에너지가 나온다. (이건 책 뒷 부분에 설명되어 있음) 

<부록1> 패러데이가 발견한 유도전기: 패러데이는 자석을 움직이면 전기가 발생된다는 것을 실험으로 알아내었다. 또한 자기장(Magnetic Field)라는 개념을 처음 정리했고 맥스웰은 이를 수식으로 정리함으로서 전기와 자기가 서로 연결되어 있음을 깔끔하게 정리하였다. 패러데이의 발견은 전기를 만드는 것을 가능하게 했다. 자석을 회전시키면 전기가 발생한다. 이때 이 자석을 무슨 힘으로 움직이게 하느냐에 따라, 수력발전, 화력발전, 풍력발전…이 나뉘어 진다.

<부록2> 빛: 책에서는 아인슈타인이 빛에 대해 언제나 움직이는 것으로 새롭게 정의 했다고 되어 있으나, 사실 맥스웰 방정식에 이미 전기와 자기 그리고 빛의 삼각관계가 드러나 있다. 맥스웰 방정식을 여기에 설명할 수는 없으나, 맥스웰은 전기와 자기가 본질적으로 같은 것이며 이들이 만들어내는 장(field)의 출렁임 (보더니스의 책에서는 새끼줄에 비유했다, 장의 출렁임은 연못에 돌을 던졌을 때 생겨나는 파동의 연속적인 번짐으로 이해하면 된다. ), 즉 전자기파가 바로 빛임을 밝혀낸 최초의 과학자이다. 다만 맥스웰은 빛을 파동으로서만 인식했기 때문에 파동을 전달할 매질이 필요했고, 그때까지 철학자들이 개념적으로 생각한 우주를 꽉 채우고 있는 ‘에테르’란 존재를 과학적으로 설명할 수 있게 되었다고 생각했다.  그러나 아인슈타인은 에테르란 존재가 없음을 증명했다. 빛이 파동임에도 텅빈 우주공간에서 변하지 않는 속도로 움직인다는 것을 이론적으로 설명한 것이다. 빛이 관찰자의 위치와 상관없이 ‘변하지 않는 일정한 속도’를 가진다는 것은 그 당시의 뉴튼 물리학으로는 설명할 수 없었다.  무슨 말이냐 하면 우리가 일반적으로 속도를 관찰할 때, 내가 기차에 타고 있으면 기차 밖에서 정지해 있는 사람의 눈에는 내가 기차의 속도로 움직이는 것이나, 기차에 타고 있는 나는 그 속도를 전혀 느끼지 못한다. 즉 내가 느끼는 내 속도는 0이지만 기차 밖의 관찰자에게는 기차속도로 움직이는 상대적인 것이다. 그런데 빛은 태양의 광원에 가장 다가가는 방향으로 움직이는 곳에서 관찰 한 것이나, 멀어지는 속도로 움직이는 곳에서 관찰한 것이나 언제나 동일한 속도로 관찰된 것이다! 이를 이론적으로 설명 한 사람이 아인슈타인이다.  여태까지는 시간과 공간은 언제나 절대적인 것이라 생각했으나 아인슈타인은 속도뿐 아니라 시간과 공간도 움직이는 대상의 따라서 서로 다른 것으로 정의했다. 즉 시간이 서로 다르므로 빛의 속도를 아무리 따라잡으려고 해도 절대로 따라 잡을 수 없는 것 이다. 즉 빛의 시간과 빛을 따라잡으려는 우주선의 시간은 서로 다른 것이다.

사족:  원래 과학을 쉽게 기술하는 것은 어렵습니다. 그래도  뉴튼역학은 우리가 일상생활에서 경험하는 것이므로, 비교적 쉽게 설명이 되지만, 현대 물리학으로 가면 우주 혹은 나노의 나노… 같이 엄청나게 적은 미시세계에 대한 이야기이기 때문에 상상이 잘 안됩니다. 그래서 쉽지 않습니다. 그러니 이 책을 읽고도 아인슈타인의 특수상대성 이론이 뭐라고 설명 못한다고 실망하지는 마시라!  그것이 세미나의 목적도 아니니까!