과학와 인문학, 절친 되다...

최무영 교수의 물리학 강의 - 해학과 재치가 어루러진 생생한 과학이야기
최무영 지음 / 책갈피 / 2008년 12월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

가끔 읽고 싶은 책인데 절판이라고 읽지 못하는 책이 있단다. 이번에 읽은 <최무영 교수의 물리학 강의>란 책도 그런 책이었어. 먼저 읽은 사람들의 평을 읽어보면, 하나같이 이 책을 계속 기웃하게 만들더구나. 그렇게 평이 좋다 보면 개정판이 나올 만도 한데, 그렇게 기웃거리고, 개정판 출간 알람을 설정한 지도 꽤 지났는데, 소식이 없구나. 그 사이에 이 책이 얼마나 좋길래, 어떤 내용이 들어있을까 하는 호기심만 무럭무럭 자라나게 되었어. 결국 헌책방을 두리번두리번 거였어. 그렇게 헌책방에서 구입을 했단다. 다행히 책 상태도 괜찮더구나. 아빠는 책 상태를 중요하게 생각하잖아.

자, 드디어 만난 책… 책을 휘리릭 펴봤어. 물리학 책이라고 하는데, 수식은 별로 없고, 글씨만 잔뜩 있구나. 사진도 있고… 그런데 사진이 물리학과 관계없는 미술작품의 그림도 있고, 소설가의 사진들도 있고.. 아, 도대체 무슨 내용이길래.. 더욱 궁금해지더구나.

이 책은 최무영 교수가 서울대에서 자연과학을 전고하지 않은 학생들을 대상으로 한 교양물리학 강의에서 가르쳤던 내용을 정리한 내용이었단다. 이 한 권을 읽고 나면 한 학기 교양 물리학 강의를 들은 거나 진배없는 거야. 그것도 소문난 유명한 강의를 말이야. 책의 문체도 강의체로 되어 있어서 실제로 소리 내어 읽으면 마치 강의를 듣는 기분이 들기도 해. 이런 책은 옆에 노트 한 권 놓고 정리하면서 천천히 읽어야 하는데, 아빠의 책읽기 환경은 그렇지 않아서 이 책을 제대로 이해했다고 볼 수는 없어. 그리고 대학 강의였다면, 중간고사, 기말고사, 리포트도 있었을 텐데, 그런 것을 하면서 수업을 들었다면 더욱 깊이가 있었을 것 같아. 그러고 보니, 최무영 교수님이 이 과목을 가르치면서, 중간고사와 기말고사는 어떤 문제를 냈었는지 책에 참고로 실어 주었어도 재미있었을 거라는 생각이 드는구나. 한 한기 수업을 듣다 보면, 가끔씩 자체 휴강을 하게 되기도 하는데 이런 수업이라면 일이 있어도 꼭 들었을 것 같다는 생각이 들었단다. 아빠도 대학교를 졸업한 지 한참이 지나서, 가끔 그 당시를 회상하면서 다시 강의를 듣고 싶을 때도 있다는 생각을 하곤 하는데 이 책은 그런 면에서 그런 바램을 어느 정도 충족시켜 준 것 같구나.

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1.

자, 그런데 이 책의 내용을 너희들에게 어떻게 전달해 주어야 할지 걱정이 앞서는구나. 한 한기 강의 내용을, 그것도 아빠가 제대로 이해하지 못한 내용을… 과학의 생명은 정확성인데 말이야… 섣불리 이론에 대해 설명했다가 잘못된 지식을 전달해줄 수도 있겠다는 생각이 들었어. 그것은 언제가 될지 모르겠지만, 아빠가 이 책을 다시 한번 정독을 한 다음에… 또는 너희들이 직접 이 책을 읽을 수 있는 나이가 되었을 때, 직접 읽음으로써 얻었으면 좋겠구나.. 이 책은 과학책이지만, 다른 과학책과 다른 점이 몇몇 있어. 인문학과 철학, 예술 등에 관한 내용들이 많이 나온다는 점이야. 이 책을 추천한 장대익 교수가 말한 것처럼 이 책은 두 문화를 연결하는 다리 역할을 해주었어. 두 문화는 물리학자들이 내세우고 있는 과학 문화와 문인들을 주축으로 하는 인문 문화가 그것이야. 우리나라 책들 중에 이렇게 과학과 인문을 접목한 책이 있나 싶더구나.

그리고 과학 용어를 순수한 우리말로 적고 있는 것 또한 독특했단다. 아빠가 알고 있는 용어와 다르게 부르게 있어 익숙지 않았지만, 그런 과학 용어들에 대한 순수한 우리말이 있었다는 것이 신기했어. 블랙홀은 검정구멍으로, 중력장은 중력마당으로, 단백질은 흰자질로, 백색왜성은 하양잔별로…. 그 밖에 상당히 많았는데, 이 편지를 쓰다가 생각이 나면 또 이야기를 해줄게.

2.

수업을 시작하기 전에 첫 강의는 오리엔테이션이잖아. 한 학기 공부할 내용을 간단하게 소개하는 시간. 자연과학이란 무엇일까? 자연과학의 범위부터 생각해볼까? 나중에 다시 자세히 이야기하겠지만, 과학이 탐구하는 것은 이 세상을 넘어 우주 전체까지니까 그 범위가 대단하구나. 그뿐이겠니? 아주 작은 세계까지도 탐구를 하니, 과학의 범위는 무한하다고 해도 과언이 아니겠구나. 그리고 이 강의에서는 과학이 우리에게 주는 것은 무엇일까?도 배운단다. 과학적 사고 방식이라는 것이 있고, 과학을 통해 삶의 새로운 의미를 추구하고, 현실세계에서도 적용을 할 수 있는데, 과학지식을 이용하여 풍요로운 삶을 가져올 수 있어. 지금까지 역사를 봐도 그것은 진실이지. 그런데 과학이 그런 풍요로운 삶만 준 것은 아니고, 엄청난 재앙도 함께 주어서 늘 문제였단다. 그리고 과학은 결국 인간활동의 산물이고, 인간 자체도 과학활동의 탐구 대상이 된다. 인간의 존재가 멸망하기 전까지 과학과 인간은 뗄 수 없는 관계인 거야. 지은이는 교양으로써 과학이 필요한 이유를 이렇게 이야기한단다.

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(30)

물론 교양이 없어도 ‘생물학적’ 삶을 살아가는 데는 아무런 지장이 없습니다. 그러나 인간과 사회, 그리고 자연에 대한 적절한 수준의 이해가 없이는 현대인과 현대사회를 이해할 수 없고 주체적 삶을 만들어 갈 수 없습니다. 따라서 교양이란 단순한 치장이 아니라 현대사회를 살아가는 데 매우 중요한 소양이고 능력입니다. 특히 우리가 어디로 가는지에 대한 인식과 더불어 미래를 건설하는 데 매우 중요합니다.

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자, 그러면 과학적 사고라고 하면 어떤 것을 이야기할까? 첫 번째 기존 지식에 대해 의식적으로 반성하는 사고방식이야. 옛날부터 내려오는 지식은 무조건 맞다는 생각을 버리라는 거지. 뛰어난 과학자들은 모두 이런 의심에서 시작하지 않았나 싶구나. 두 번째로는 자신이 가지고 있는 지식을 정량화하여 객관화할 수 있어야 하고, 세 번째로는 지식의 반증 가능성을 고려해야 해. 과학 이론이라는 것이 한번만 예외적인 상황이 나와도 그냥 거짓이 되어버리는 것이니까 말이야. 그리고 네 번째로 단편 지식들을 하나의 합리적 체계로 만들고 있어야 해. 특정 지식들을 모아서 보편적 지식, 즉 이론으로 만들 수 있는 것...  이런 것들을 과학적 사고라고 할 수 있단다. 그렇게 만들어낸 이론들 중에 좋은 이론은 무엇일까? 좋은 이론은 넓은 범위에서 관측 결과가 설명될 수 있는 이론이 좋은 이론이라고 할 수 있단다.

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<과학혁명의 구조>라는 유명한 책을 쓴 쿤이라는 과학자가 있대. 그가 처음으로 패러다임이라는 용어를 썼다고 하는데, 과학의 역사는 그런 패러다임을 바꾸면서 진행되었다고 설명을 한다는구나. 그는 기존의 패러다임이나 규범 안에서 활동을 하는 것은 정상과학이라고 정의했고, 패러다임을 완전히 바꾸는 것을 과학혁명이라고 했어. 예를 들어 뉴턴의 고전역학에서 상대성이론과 양자역학으로 패러다임을 바꾸는 것은 과학혁명이라고 했어. 그런 패러다임의 변화를 기준으로 고전물리학과 현대물리학으로 나눌 수 있는데, 고전물리학은 뉴턴의 고전역학과 맥스웰의 전자기이론이 여기에 해당하고, 현대물리학은 상대성이론과 양자역학이 해당한다고 하는구나. 그리고 20세기 후반에 들어서 혼돈과 질서가 물리학에 적용되었대. 대충 한 학기를 공부하면 이런 내용들을 배우게 된다.

3.

자, 이제 본격적인 강의에 대한 이야기를 해주어야 하는데, 아빠가 앞서도 이야기했지만 아빠가 전달을 잘못할 수도 있는 과학 이론에 대한 내용은 배제하고, 하더라도 아빠가 메모를 해 놓은 것을 중심으로 이야기해볼게.

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물리학이 다루는 범위를 크기로 나타내볼게. 인간이 다루고 있는 최소 크기는 플랑크 길이란 것이 있는데, 그 크기는 10의 -35제곱 미터이라고 하는구나. 그리고 인간이 다루는 최대 크기는 인간이 알고 있는 가장 먼 천체인 퀘이사까지 거리인데, 그 거리는 10의 26제곱 미터라고 하는구나. 그러니까 물리학이 다루는 크기는 10의 -35제곱부터 10의 26제곱 미터까지.. 도대체 0을 얼마나 많이 써야 하는 거야.. 그리고 시간으로 보자면. 인간이 이해하는 가장 짧은 시간은 플랑크 시간으로 부르는 10의 -43제곱 초이고, (감도 안오는구나.) 가장 긴 시간은 우주의 나이인 137억년에 해당하는 10의 20제곱 초라고 하는구나.

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그럼 작은 세계부터 살펴보자꾸나. 물질을 이루고 있는 것에 대한 연구는 언제부터였을까. 학창시절에도 배웠던 고대 데모크리토스의 원자론에 대해 이야기하더구나. 그리고 근대시대에 와서 원자에 대한 생각을 다시 꺼내든 이가 갈릴레이이고, 실제 돌턴이 화학실험을 통해 원자 가설을 주장했다고 하는구나. 볼츠만이 통계역학을 이용하여 엄밀한 의미에서 원자를 정립하였고, 20세기 들어서면 원자보다 작은 알갱이를 있다는 것들을 알게 되었어. 톰슨이 원자에는 음전기를 띤 물체가 있다는 것을 알게 되어 전자를 발견하게 되었고, 전자는 수소원자의 1836분의 1정도 밖에 안 되는 질량을 가지고 있는 것도 밝혔어. 전자가 음전기를 띠고 있지만, 원자 자체는 전기적으로 중성이기 때문에 양전기를 띠는 물질도 있을 거라고 생각했고, 톰슨은 원자를 건포도빵 같을 것이라고 생각했어. 커다란 양전기를 띤 물체와 음전기를 띤 전자가 건포도처럼 박혀있다고 말이야. 그런데 톰슨의 제자 러더퍼드는 알파선 시험을 통해 전자는 골고루 퍼져 있는 것이 아니고, 양전기와 음전기라 따로 떨어져 있다는 것을 발견했고, 양전기를 띠는 물질을 원자핵이라고 불렀어. 그런데 양전기를 띤 원자핵과 음전기를 띤 전자는 왜 안 붙을까 하는 의심을 하게 되었어. 양전기와 음전기는 서로 끌어당기는 성질이 자연스러운 거니까. 그렇게 붙지 않기 위해서는 전자가 원운동을 할거라고 생각했어. 태양과 지구가 중력에 의해 끌어당기지 않는 이유가 지구가 태양을 돌고 있어 원심력과 중력이 같은 원리와 마찬가지로 생각한 것이야. 작은 물질의 발견은 계속 이어졌어. 채드윅이라는 사람은 원자 내에 중성자를 발견했고, 원자핵은 중성자와 양성자로 이루어졌음을 알게 되었어.

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물질은 무엇으로 이루어졌는가에 대해 탐구하는 것만큼 빛의 정체를 알아내려는 사람들도 많았어. 이 부분은 아빠가 예전에 읽은 <빛의 물리학>이라는 내용과 많이 겹치더구나. 호이겐스는 빛의 에돌이(회절) 현상을 발견하고, 영은 빛이 간섭한다는 것을 발견하면서 빛이 파동일 거라는 생각이 지배적이었어. 파동이라면 파동을 전달하는 매질이 있어야 했어. 그리고 빛이 파동이라면 무엇이 진동하는 것일까? 질문은 꼬리에 꼬리를 물게 되었어. 맥스웰은 빛의 실체는 전자기파라는 것을 밝혔대. 그리고 헤르츠라는 사람이 실험으로 증명을 했대. 아! 어떻게 했냐고는 묻지 말아줘… 다시 책을 꺼내 들어야 한단다. 빛이 파길이(파장)에 따라 여러 가지로 나뉜다는 것을 알게 되었고, 그것들을 넘빨강살(적외선), 넘보라살(자외선)이라 불렀다고 하는구나. 아빠가 앞서도 이야기했지만, 익숙한 용어들의 순우리말을 쓴다고 했잖아. 적외선과 자외선을 넘빨강살과 넘보라살이라는 순수한 우리말이 있다는 것이 신기했단다. 학교에서 그렇게 가르쳐도 좋을 것 같다는 생각이 들었어. 20세기에 오면서 빛에 대한 연구는 빛전자(광전)효과로 이어진단다. 빛전자 효과는 빛을 쪼이면 전자가 나온다는 것이야. 그리고 컴프턴 효과란 것도 있는데, 그것은 빛과 전자가 당구공처럼 부딪히는 움직임이 있다는 것을 보여주었어.. 이런 실험 결과는 빛이 파동이 아닌 입자라는 것을 보여주는 것이었지.

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태초에 빛은 어떻게 생겨났을까? 이 세상의 모든 물질들은 대칭성을 이루고 있다고 하더구나. 그런데 원자를 이루고 있는 양성자와 전자 사이에는 대칭성이 없대. 이걸 과학자들은 이상하다고 생각했어. 그래서 전자, 양성자, 중성자 등 모든 물질은 반대입자가 존재한다고 생각 했어. 그리고 입자와 반대입자가 만나게 되면 빛알이 생기게 되고, 그 입자들은 사라진다고 했어. 그렇게 빛이 탄생한 것이고… 그러면 우리들이 반대입자를 만나면 우리 몸이 사라지는 거냐고? 다행히 지구에는 반대입자는 없고, 그냥 입자만 있다는구나. 우주 건너편 어딘가에 반대입자만 있는 지구와 비슷한 떠돌이별이 있지 않을까 상상해보게 되는구나

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4.

입자의 크기를 다시 이야기 보자꾸나. 원자핵에는 양성자들이 모여 있어. 양성자들은 모두 양전기를 띠고 있단다. 과학적 호기심을 가지고 있는 이라면, 여기서 질문을 하나 던져야 해. 양전기를 띠고 양성자들이 원자핵에 모여 있으면 전자기력에 의해 서로 밀쳐야 하는 거 아니냐고 말이야. 그런데 그 힘을 누르고 양성자들이 같이 모여 있게 만든 힘.. 그것을 핵력이라고 한단다. 이건 참고로 알고 있어.

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다시 입자를 분류해 볼게. 입자를 분류할 때 무게에 따라 무거운 입자로 분류되는 바리온이 있는데, 양성자와 중성자가 여기에 속해. 가벼운 입자로 부르는 렙톤에는 전자, 중성미자가 있고, 그 중간에 중간자라는 하는 파이온이라는 것이 있고, 세 종류가 있대. 이 중간자는 일본사람들이 발견하였다고 하는구나. (일본은 기초과학에 많은 투자를 하다 보니, 이런 성과도 내고, 노벨상도 많이 타고.. 부럽구나.) 그리고 빛알(광자)가 있대…

과학자들은 그 외에 많은 기본입자를 계속 발견하게 된대. 자연계를 구성하는 원자의 종류는 지금까지 92개가 발견되었대. 그런데 그런 원자들을 구성하게 되는 기본입자는 수백 개가 발견되었대. 어떻게 원자를 구성하는 기본입자가 원자의 개수보다 많을 수가 있을까? 과학자들은 또 의심을 하게 되었고, 수백 개의 기본입자를 이루고 있는 더 기본적인 요소가 있지 않을까 연구하기 시작했어. 그 가설을 세우고 그 입자들의 이름을 그 유명한 쿼크라고 이름 지었대. 그리고 실제 쿼크의 존재를 발견하는데, 위(u), 아래(d), 매혹(c), 야릇함(s), 꼭대기(t), 바닥(b)라고 이름 지었다고 하는구나. 그리고 이들의 조합으로 기본입자들이 만들어진다고 했어. 그렇게 쿼크의 존재를 발견하긴 했지만, 각각의 쿼크 하나를 본 사람은 없다고 하는구나. 왜냐하면 전기량이 정수가 아닌 분수이기 때문에 혼자 존재할 수 없대.. (이 내용은 불확실함. 나중에 구글에서 한번 찾아보자꾸나.) 쿼크들끼리 상호작용을 다루는 이론이 있는데, 그것을 양자빛깔역학이라고 하고, 영어로는 QCD 라고 한대. 수백 개의 기본입자들이 있다고 했었잖아. 그것을 다시 간단하게 구분을 하게 되면 쿼크 가족 6가지와 렙톤 가족 6가지와 게이지 입지로 구분할 수 있는데, 게이지 입자는 기본입자들의 상호작용을 전해주는 입자로 빛알, 붙임알, 중력알 등이 있다고 하는구나. 이 기본입자들은 기본상호작용을 하는데 4가지가 있단다. 아빠가 학창시절에 4가지 힘으로 배웠던 기억이 있단다.

그 4가지의 상호작용을 크기가 작은 순으로 나열을 해보면, 중력상호작용<약상호작용<전자기상호작용<강상호작용 순이란다. 앞서 아빠가 이야기했던 핵력은 강상호작용이야. 이 4가지 상호작용 중에 약상호작용과 강상호작용은 아주 짧은 거리에서만 작용을 하기 때문에 우리 일상 생활에서는 느낄 수 없는 상호작용이 되겠다. 이 네 가지 상호작용을 하나의 이론으로 정리하려고 하는 노력들을 과학자들이 했어. 앞서도 이야기했듯이 과학자들은 보편성을 찾으려고 하고, 좋은 이론은 아주 범위가 넓은 곳에 다 만족하는 것을 이야기하니까, 좋은 이론을 만들려고 하는 거지. 그렇게 해서 생긴 이론이 초끈이론이라고 하는구나.

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앞서도 한번 이야기했던 물리학의 특징 중에 하나가 대칭성. 자리 옮김 대칭, 거울 대칭(이것은 돌림 또는 방향 대칭이라고도 해.), 시간 지남 대칭. 이런 대칭성이 의미하는 것은 물리 법칙이 자리를 옮겨도 방향을 바꾸어도, 시간이 지나도 변하지 않는다는 의미야. 그래서 아름답다는 거지. 그런데, 조금씩 대칭성이 깨진다는 것을 발견했대. 그 이유는 반대물질의 수가 물질의 수에 비해 적어졌기 때문이래... -솔직히 아빠가 책을 보면서 이런 메모를 적어놓기는 했는데, 그 상관관계를 잘 모르겠구나.

그럼 계속 이야기해볼게. 아주 옛날에 우주가 처음 생길 때 전자와 양성자가 붕괴되면서 쿼크와 반대쿼크가 생겨났고, 대칭성 깨짐으로 붕괴속도가 달라서 그 숫자가 달라지고.. 쿼크와 반대쿼크가 만나 사라져서 빛이 생겨나고, 남은 쿼크들에 의해 우주가 만들어졌다는 하는구나. 그런 우주의 탄생을 이야기하기 위해 지은이는 물리학의 대칭성과 그 대칭성의 깨짐을 발견한 것을 이야기하는 거야.

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5.

앞서 고전역학을 이야기하면서 현대에 와서 패러다임이 바뀌면서 상대성이론과 양자역학이 생겨났다고 했잖아. 현대에 와서 빠르고 큰 세계와 아주 작은 세계의 현상을 설명하다 보니 고전역학이 맞지 않아서 그랬던 거래. 즉, 고전역학은 느리고 큰 세계, 즉 우리 일상에서는 잘 맞아. 그런데 그 밖에 빠르고 큰 세계, 작고 느린 세계, 작고 빠른 세계는 맞지 않았어. 상대론이 접목한 상대론적 고전역학이 빠르고 큰 세계, 느리고 큰 세계를 설명할 수 있고, 양자역학은 느리고 큰 세계, 느리고 작은 세계를 설명할 수 있대. 그리고 느리고 큰 세계, 빠르고 큰 세계, 느리고 작은 세계, 빠르고 작은 세계.. 이 모든 세계에 맞아 들어가는 것은 상대론적 양자역학이라고 하는구나. 그래서 상대성 이론과 양자역학이 중요한 것이구나,,라는 생각이 들었어.

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그럼 고전역학을 좀더 자세히 이야기해볼게. 사실 이 고전역학은 너희들이 중학교나 고등학교에만 들어가도 엄청 괴롭힐 거야... 시험에 자주 나오니까 말이야. 고전역학의 핵심은 a=(1/m)F 라는 단순한 수식이란다. 가속도는 주어진 힘에 비례하고 무게에 반비례한다는 의미를 식으로 써 넣은 거지... 그럼, 에너지는 뭐냐.. 교과서에는 일을 할 수 있는 능력이라고 정의되어 있는데.. 이것은 애매모호한 정의라고 지은이는 이야기하더구나.

역학에너지라는 것은 운동에너지와 잠재에너지(또는 위치에너지)의 함을 이야기한대... 그런데 공이 위에서 떨어져서 공이 지면에 닿는 순간을 보면, 속도도 0이라서 운동에너지 0, 높이도 0이라고 위치에너지 0. 순간적으로 역학에너지가 0이 되어 에너지 보존을 하지 않는 건가? 하는 의심을 과학자들은 한다고 하는구나 뇌테르라는 사람이 이런 의심을 하고, 뇌테르의 정리로 설명하기를, 에너지는 열, 소리 등 다른 에너지로 전환된다고 했어. 결국 에너지는 보존된다는 거야.

고전역학의 또 하나의 축인 전자기학을 살펴보자꾸나. 전기학의 효시는 쿨롱이고, 전자기이론은 멕스웰 방정식으로 요약할 수 있다고 하는구나. 어려운 미적분 방정식의 향연으로 되어 있는데... 이걸 풀게 되면 자기 마당(자기장)과 전기 마당(전기장)은 서로 변화를 하게 된대. 이 두 가지는 서로 변하고 얽혀 있고, 이때 전자기파가 나오게 된다는 것이 핵심이란다.

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자, 이제 현대물리학에 들어서면... 아인슈타인이라는 걸출한 과학자가 등장하잖아. 아인슈타인은 시간과 공간에 근본적인 오류가 있다고 생각했어. 제대로 파악해야 한다고 했어. 당시 과학자들은 빛이 파동이기 때문에 매질이 있어야 하고, 그 매질을 에테르로 이름 붙이고, 열심히 그 에테르라는 물질을 찾으려고 했대. 그런데 사람들은 에테르는 찾지 못하고, 에테르의 모순만 자꾸 만나게 되었대. 그런데 아인슈타인은 이 에테르를 아예 무시를 했대. 빛이라는 것은 다른 물질들과 다른 성질을 가지고 있다고 생각했어. 가장 대표적인 것이 빛의 속도는 관측자의 속도에 관계없이 속도가 일정하다는 거야. 자세한 것은 아빠가 전에 <빛의 물리학>이라는 책을 읽고 쓴 독서편지를 참고하거나, 그 책을 보거나.... 그래서 특수 상대성 이론을 짧게 정리하면... 움직이는 물체는... 길이는 짧아지고, 시간은 천천히 흐르고, 질량은 무거워지게 된다는 거야. 그리고 질량이 곧 에너지가 되는데 E=mc^2 이라는 유명한 수식도 여기서 나오게 된단다.

상대성 이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론이 있어. 특수상대성이론은 등속도 운동이라는 특수한 상황에서 일어나는 현상에 대한 것이고, 일반상대성이론은 실환경인 속도가 계속 변하는 상황에서 일어나는 현상에 대한 것이야. 일반상대성이론은 고전역학에서 절대적인 것으로 생각했던 시간과 공간이 중력장에 의해 변한다는 것이 바로 핵심이지.. 아빠가 전에 다른 책을 통해서 상대성이론에 대해 읽어서 이 부분은 그래도 이해할만 하더구나. 그리고 너희들에게는 초간단으로 쓰다 보니, 이게 무슨 소린가? 하는 말이 절로 나올 듯 싶구나. 여기서는 간단히 그렇다는 것만 알고 넘어가보자꾸나.,

아빠의 편지가 슬프게도 점점 길어지고 있구나. 일반상대성이론에서 한가지만 더 이야기하고 넘어갈게. 일반상대성이론의 핵심이라고 할 수 있는 것... 중력장에 의해 시간과 공간이 변한다고 했는데, 그로 인해 빛도 휘어진다는 것이야. 페르마의 원리에 따르면 빛은 최단시간으로 이동할 수 있는 경로를 택한다고 하는데, 중력장에 의해 시간과 공간이 휘어져서... 빛이 최단시간으로 가기 위해서는 휘어진 공간에 맞춰 빛도 휘어져야 한다는 것이야. 이걸 아인슈타인은 어려운 수식을 이용해서 주장한 것이란다. 그리고 실제고 에딩턴이 그것을 증명하였다고 하는구나. 그것도 전에 <빛의 물리학>이라는 책이야기를 할 때 해주었으니, 자세한 내용은 패스.

…

자, 이번에는 양자역학.. 아빠가 관심이 많은 양자역학. 하지만 제대로 이해하지 못하는 양자역학. 그래도 관련된 책을 몇 권 읽었더니, -이해는 가지 않지만- 어떤 내용이라는 것은 대충… 앞서도 이야기했지만, 아주 작은 세계, 미시적 세계라고도 부르는, 그곳에서는 고전역학은 맞지 않고, 양자역학에 대해서 설명을 해야 한다고 했잖아. 빛의 이중성 때문에 나타나는 현상.. 입자들이 확률로 존재한다는 것이 양자역학의 핵심인데, 그것이 잘 이해가 가질 않아. 빛이라는 것이 쳐다보고 있으면 입자처럼 움직이고, 안 보고 있으면 파동처럼 움직인다고 하는데…

빛이라는 것은 혹시 우리가 생각하지 못한 또 다른 형태의 생명체가 아닌가? 싶구나. 그러니까 페르마의 원리처럼 최단 시간을 계산해서 이동을 할 수 있고, 우리가 보고 있을 때와 그렇지 않을 때 다르게 움직이지… 양자역학하면 슈뢰딩거의 고양이가 빠질 수 없는데, 이것도 예전에 이야기한 적이 있어서 오늘은 패스. 그리고 아빠가 양자역학에 대한 책을 또 한 권 사두었는데, 그 책을 읽고 나서 이야기해도 될 것 같구나.

6.

20세기 후반에 들어서면 혼돈과 질서가 물리학에 들어오게 되었대.. 고대 그리스에서는 세계가 혼돈의 세계라고 생각했으나, 근대에 와서 우주는 질서가 아주 잘 잡혀 있는 것을 알게 되어, 질서라는 영어 뜻이 코스모스가 우주라는 뜻으로도 쓰이게 되었어. 혼돈이라는 것이 무엇이냐면… 초기 조건이 아주 조금만 바뀌어도 결과가 완전히 달라지는 현상을 이야기한대. 그래서 예측이 불가한 거야. 주사위의 숫자가 무엇이 나올지 예측할 수 없는 것도 혼돈의 예시란다.

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재미있는 이야기 하나 해줄게. 이 책에 나온 이야기인데… 예전에 스웨덴에 오스카 2세라는 왕이 있었는데, 그 왕은 걱정이 많아서, 하늘이 무너지지 않을까 걱정을 했대. 그래서 하늘이 무너지지 않음을 증명하라는 문제에 많은 상금을 걸었대. 푸앵카레라는 과학자가 이걸 증명했다고 하는구나. 그가 증명한 것은 후대에 확인해보니 완벽한 것은 아니었대. 그래도 하늘이 무너지지 않는 것을 증명하다니.. 도대체 어떻게 한 것일까? 그런데, 1960년 콜모고로프와 아놀드 로저라는 사람들이 이 문제를 완벽하게 풀었다고 하는구나. 과학자들은 정말 이 세상의 모든 현상에 대해 호기심을 가지고 있는 것 같구나.

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다시 혼돈에 대해서 이야기해보면.. 우리 일상에서도 볼 수 있는데, 심박수, 뇌파, 주식시세도 다 혼돈이라고 할 수 있고, 따라서 예측하기 어려운 거야. 그런데 그 혼돈을 제어를 할 수 있다고 연구하는 사람들이 있고, 그런 학문을 혼돈공학이라고 이름 붙였대. 질서가 없다고 해서 혼돈이 나쁜 것을 의미하는 것은 아니야. 때론 질서가 좋지 않을 때도 있었대. 우리나라 유신 시대 때 사회는 아주 질서 정연했지만, 그것은 자유를 잃어버린 세상이었다고 지은이는 이야기하고 있어. 아빠는 과학자 중에 이런 진보 좌파 성향의 과학자는 처음 보는 것 같구나. 맘에 들어.

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아직 책의 내용으로는 많이 남았고, 아빠는 글쓰기에 너무 많은 시간을 빼앗겨서 책읽기를 못하고 있고.. 이제 그만 쓰려고 하다가… 그래도 메모에 긁적여 놓은 것은 마저 적어보겠다고 다시 키보드를 두들긴다. 통계역학이란 것이 있어. 그것이 필요한 이유는 거시적 세계, 그러니까 아주 큰 세계를 이해하기 필요하다고 했어.

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엔트로피라고 하면 아빠는 아직도 열역학 제 2법칙이 떠오른단다. 열효율 100%인 열기관을 만들 수 없다는 의미로도 설명되는 것. 그 이유는 엔트로피는 늘어나는 방향으로 모든 자연현상은 일어나기 때문이야. 하지만 우리가 거실이나 방을 청소하면 마치 엔트로피는 줄어든 것처럼 보여… 여기서 이야기하는 엔트로피는 전체 엔트로피를 합치는 것이기 때문에 전체 엔트로피는 늘어났다는 하는구나.. 하지만, 여전히 엔트로피가 줄어드는 경우도 있다고 주장하는 과학자들도 있대.

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과학자는 의심을 해야 한다고 했잖아. 올베르스라는 사람은 밤은 왜 어두운가?에 대한 의심을 가졌대. 수많은 별들이 빛을 쏟아내고 있는데, 왜 밤하늘은 어둡냐는 의심이지. 그 이유는 우주가 점점 불어나고 있기 때문인데, 이런 가설을 처음 생각해 낸 사람이 다름아닌 유명한 소설가 포였다고 하는구나. 이 이야기를 시작으로 우주에 관한 이야기를 해주고 있어. 음… 우주에 관한 이야기는 이 책을 아니더라도 이야기할 기회가 많을 것 같아서, 오늘은 패스할게. 아빠가 게으른 점도 있고, 인내력도 떨어졌고.. 등등… 짧게 쓴다고 했는데, 참 길어졌다. 혹시 읽다가 잠이 든 건 아닌지 모르겠구나.

…

이 책을 읽고 난 느낌… 시간만 넉넉하다면 천천히 공부하면서 읽으면 좋겠다는 생각이 들었어. 그렇다면 정말 3학점 짜리 교양물리학을 들은 기분이 들었을 거야. 아빠가 읽고 싶은 책은 많고, 회사일로 늦게 퇴근하고.. 그리고 너희들과 놀고.. 그리고 책 읽는 속도도 느리고… 그러다 보니 책 읽는 시간이 넉넉지가 않아.. 그래서 이런 책도 그냥 소설책 읽듯이 읽다 보니, 금방 잊혀지는구나. 그렇다고 나중까지 기다리기에는 책 내용이 궁금하고.. 이번에는 초벌구이 식으로 읽었다고 생각하고, 언젠가는 넉넉한 시간이 허락하게 되어 중벌구이 식으로 한번 더 읽을 수 있겠지? 하면서 책을 덮었단다. 아참, 그래도 인상적인 페이지는 엄청 많아서, 발췌한 것을 따로 적어 놓았으니, 이 책의 맛보기를 하고 싶다면 그 글을 먼저 읽어봐도 좋을 것 같구나.

여섯 번째 대멸종, 보고들만 계실 건가요?

멸종 - 생명진화의 끝과 시작 ㅣ EBS 다큐프라임 <생명, 40억년의 비밀> 1
김시준.김현우,박재용 외 지음 / Mid(엠아이디) / 2014년 8월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0. 

언젠가 <녹색평론>에서 지금 우리는 여섯 번째 대멸종 시대에 살고 있다는 글을 본 적이 있단다. 그 전 다섯 번의 대멸종과는 다른 형태의 여섯 번째 대멸종. 인간 스스로가 원인이 되어 수많은 종을 멸종의 길로 빠트리고, 결국 인간도 멸종하게 되는 길… 그 멸종의 시대가 이미 열렸다는 그런 글이었어. 그러다가 우연히 인터넷 서점에서 ‘멸종’이라는 제목의 책을 보게 되었단다. 순간 그 이야기를 하겠구나 싶어 책소개를 보았단다. 몇 년 전 EBS 다큐프라임에서 다루었던 내용을 보충해서 책으로 엮은 것이었어. 아빠가 예상했던 그 멸종에 관한 이야기였고… 재미있게 읽었지만, 심각한 지구의 상태를 다시 한번 확인하는 기회였어. 무서움과 함께… 그리고 과연 잘못된 것을 제대로 돌려놓을 수 있을까. 하는 생각과 함께 말이야…

1. 

학창시절에 학교 과학시간에 아빠는 지질시대의 역사를 배우면서, 선캄브리아대, 고생대, 중생대, 신생대 등으로 시대를 구분하는 것을 배웠어. 그리고 그 시대의 구분은 새로운 동물의 출현이나 멸종으로 구분했다는 것도 배웠어. 그렇게 오랜 역사를 가진 지구는 많은 동물이 출현했다가 또 어떤 이유에서 사라져가곤 한 것이지. 지구상에 있던 종들 중에 70% 이상이 사라지고 최상위 포식자는 반드시 멸종하는 대멸종이 지금까지 다섯 번이 있었대. 그리고 지금 여섯 번째 대멸종이 진행 중이고 그것도 지금까지 다섯 번의 대멸종과는 비교도 할 수 없이 빠른 속도로 진행이라고 하는구나. 그리고 지금 지구 상의 최상위 포식자는 인간이고 말이야. 앞서도 이야기했지만, 지금까지와는 다른 멸종의 원인… 인간 스스로 원인에 의한 멸종. 이 책에서는 미필적 고의라고까지 이야기하고 있단다.

그러면 지금까지 다섯 번의 대멸종은 어떤 원인에 의해서 이루어졌는가. 다양한 원인이 있었다고 하는구나. 먼저 지구 밖 천체에 의한 원인이 있어. 여기에 가장 대표적인 것은 다른 천체와 충돌이 있고, 주변 별의 초신성 폭발도 지구 생태계의 영향을 준다고 하는구나. 공전의 변화도 지구 환경을 변화시킨대. 이 지구 공전의 변화는 아주 서서히 이루어지고 있어서 긴 지구의 역사에 비해 비교적 짧은 역사를 가진 인류 역사에서는 지구 공전의 변화를 느낄 수 없지만, 긴 지구의 역사를 봤을 때 지구 공전에는 변화가 있었다는구나. 그 변화라는 것은 지구의 공전이 약간 타원형 궤도로 돌고 있는데, 타원형 정도가 변화하고 있다는 거야. 원형에 가까운 타원형일 때도 있고, 좀더 퍼진 타원형일 때도 있고 말이야. 이런 것들이 지구 기후에 영향을 주어 종의 멸종을 일으키기도 한대. 그리고 23.5도 기울어져 있는 지구 자전축도 사실은 팽이 돌 듯 돌고 있어서, 아주 오래 전에는 반대편으로 기울어져 있을 때도 있었대. 이것도 기후에 영향을 주어 종의 멸종을 일으키는 것이지.

지구 내부의 원인에서도 멸종의 원인을 찾을 수 있어. 대형 화산으로 부르는 수퍼화산이 심심치 않게 폭발하였단다. 이 수퍼화산은 엄청난 양의 화산재가 발생하고 이 화산재들이 성층권에 올라가서 햇빛을 가리게 돼. 그러면 오랜 시간 지구에 겨울이 찾아오는데 이를 화산겨울 또는 핵겨울이라고 한대. 이 기후 변화로 종의 멸종을 불러오지. 그리고 화산이 폭발할 때 방출하는 수많은 유독가스들은 그 가스 자체로써도 해롭지만 지구 온난화를 빠르게 진행시킨단다. 토양도 산성화 시켜.. 이런 것들이 모두 생물체의 멸종을 불러오게 되는 거야. 그리고 어떤 원인에 의해서 해수면의 변화하게 되는 것도 멸종의 원인이 돼. 화산 폭발에 의하거나 대륙의 이동에 따른 지구냉각화가 이루어질 수 있는데, 이것도 멸종의 원인이 된단다.

2. 

멸종을 이야기하려면 먼저 탄생을 이야기해야겠지. 아주 오래 전 지구에서 생명체가 전혀 없었을 때 생명체 탄생에 있어서 네 가지 단계가 있었다고 하는구나.

일 단계, 생명 그 자체의 탄생. 이 단계, 시아노박테리아의 등장. 이 시아노박테리아의 등장으로 무기물을 유기물로 만드는 존재가 발생한 거래. 삼 단계, 진핵 생물의 출현. 진핵 생물은 미토콘드리아를 갖게 되었어. 생명체들이 체온을 유지하고 활동을 하고 생식을 할 때 필요한 에너지를 ATP 형태로 저장하는데 그 ATP를 만들어내는 것이 바로 미토콘드리아이고, 이 미토콘드리아를 이용해서 고성능 에너지 생산자를 몸 안에 둘 수 있게 되었대. 사 단계는 다세포 생물의 등장으로 본격적인 다양한 생명체들의 출현하게 되는 거야.

새로운 생명체의 출현이나 멸종으로 시대를 구분한다고 했잖아. 화석이 발견되지 않는, 생명흔적을 발견하기 어려운 시기를 은생이언이라고 하고 화석이 풍부한 고생대 이후의 시기를 현생이언이라고 한단다. 고생대 전기는 약 5억 4000만원 전인데, 이때 삼엽충, 완족류, 고배류 등의 다양한 생명체들이 출현해. 5억 년 전이라고 하면 상상하기 힘든 시간이지만, 그때도 이미 지구상에 다양한 생명체들이 출현하기 시작한 거야. 그 당시에는 최상위포식자가 있었는데, 대표적인 포식자는 아모말로카리스와 오파비니아라는 절지동물이란다. 책에 그 모습이 나와 있는데, 그리 귀여운 모습은 아니더구나.

…

그 이후에 두족류인 카메로케라스와 절지동물인 바다전갈이 출현했다고 하는구나. 이 동물들은 각각 11미터와 12미터의 거대한 동물이었대. 고생대를 좀더 세분하게 나눌 수 있는데, 그 중에 4억 5천만년 전에서 4억 4천만년 전…. 오르도비스기에서 실루리아기로 넘어가는 시기.. 이때 첫 번째 대멸종이 찾아왔단다. 이 당시 지구의 대륙인 하나의 대륙으로 이루어져 있었는데, 이 대륙이 이동을 한 게 큰 원인이었어. 대륙의 이동으로 해류의 변화를 불러왔고, 이로 인해 빙상이 늘어났대. 바다에 얼음이 늘어나면 전체적으로 해수면은 내려가게 돼. 그렇게 해수면이 내려가면 대륙 근처 얕은 바다에 사는 수많은 바다생물들이 죽고 만단다. 이때 과의 27% 속의 57%, 종의 82~88%가 멸종했다고 하는구나. 두 번째로 규모가 큰 멸종이었다고 하는구나. 그렇게 대멸종의 시기를 겪고, 다시 새로운 생명체들이 생겨나는 데까지는 또 오랜 시간을 기다려야 한단다.

고생대 실루리아기에 들어서 드디어 육상생물이 나타나기 시작했대. 세균과 이끼, 양치류 등의 식물들… 이때부터 또 오랜 시간이 흘러서 수많은 절지 동물이 생겨났대. 오늘날도 절지 동물이 지구상에 엄청 많다고 하는구나. 현존하는 종 중에 80%를 차지한다고 하는데, 아빠가 제대로 읽은 건가 싶을 정도였어. 원래 절지동물들도 바다에 살았는데, 바다의 거대한 최상위 포식자들한테 밀려서, 절지동물들이 육상으로 올라왔다고 하는구나. 고생대 데본기에는 이빨 어류의 전성기였대. 9 미터에 무게가 3.6톤이나 되는 이빨 어류 둔클리오스테우스가 대표적이 최상위 포식자였고, 양서류로 진화한 것으로 추정되는 틱타알릭이란 동물도 이 때 출현했대. 그러다가 두 번째 대멸종을 맞게 되는데, 이번에도 지구 대륙이 이동 때문이었어. 당시까지만 해도 지구 대륙이 안정되지 못한 시기였었지. 거대한 산맥이 형성되고, 칼레로니아 조산운동이 일어나서 바다가 없어지기도 했어. 그래서 사라진 생명체는 과의 22%, 속의 57%, 종의 77~81%가 이때 멸종했다고 하는구나. 다른 멸종도 긴 시간에 이루어졌지만, 이때 멸종은 2천만년에 걸쳐 천천히 진행되었다는구나. 이때 원인이라면서 대륙의 조산 운동이라고 했는데 그것은 한가지 추측이고, 이때 멸종의 원인은 정확히 모른다고 한대.

…

세 번째 대멸종은 폐름기에 일어나서 폐름기 대멸종이라고도 해. 지구 내부의 원인으로 일어난 것으로 추정하고 있어. 이때 중국 사천성 아미산 화산이 폭발했는데, 이때 화산이 백만 년 동안 계속 되었대. 이로 인해 지구 냉각화 현상이 일어났고, 유독 가스들로 인한 온난화가 시작되었고, 이 온난화로 인해 다시 바다의 온도가 올라가고, 바다 속의 메탄 하이드레이트가 폭발하였대. 이 폭발로 메탄가스가 다량 분출되었고, 다시 지구 온난화로 지구 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 산소결핍현상이 발생했다는구나. 당시 지구 대기의 30%가 산소였는데, 15%까지 줄어들었대. 이런 지구 환경의 대변화로 95%의 종이 사라졌고... 양서류, 파충류 등을 비롯하여 당시 모든 영역의 생물들에게 영향을 주었다고 하는구나.

…

3. 

중생대 전기에 다시 생명체들이 꿈틀거렸어. 지난 대멸종 때 살아남은 소수의 양서류, 단궁류, 파충류들이 살아남았대. 모기, 바퀴벌레 등도 역시 살아남았고… 다시 생태계를 회복하는 데는 오백만 년을 기다려야 했단다. 이 시기에 다양한 종으로 진화가 이루어졌는데, 거북이, 공룡, 악어, 익룡 등이 출현하였대. 중생대 트라이아스기 이후 판게아 대륙이 분리되면서 산맥과 해령이 생기는 등 지구 대륙의 모양에도 변화가 생겼다고 하는구나. 트라이아스기에서 쥐라기로 넘어가면서 또 한번 멸종이 일어났대. 화산, 대륙이동의 영향으로 거대 양서류들이 멸종을 하게 되는데, 이 거대 양서류의 빈 자리를 채우게 된 것이 바로 공룡이란다.

…

쥐라기 시대는 공룡으로 인해 너무나 유명한 지질지대가 되었단다. 초창기 공룡 아르코사우루스에서 다양하게 진화한 공룡들은 트라이아스기, 쥐라기, 백악기까지 번성을 하면서 지구의 지배자 역할을 했단다. 중생대 때 수궁류에서 진화한 포유류도 적은 양이지만 출연하게 되었단다. 쥐라기에 이어 백악기 역시 공룡의 전성시대라고 할 수 있어. 이때 특히 덩치 큰 공룡들이 많이 출현했다고 하는구나. 덩치 큰 공룡들이 출현할 수 있었던 이유는 첫째, 대기의 산소 농도가 올라가서 덩치 큰 동물들이 몸 곳곳에 피를 보내기가 쉽고, 둘째, 키 큰 식물들이 전성을 했고, 셋째, 육식동물과 초식동물의 경쟁에서 살아남기 위해서였대. 그밖에 체온 유지를 위해서 몸을 키웠다는 설도 있다는구나. 결국 영원한 것은 없는 것인지…

공룡들은 백악기 대멸종을 맞이하게 된단다. 공룡의 멸종에 대한 것은 여러 가지 설이 있단다. 그 중에 소행성 충돌이 가장 일반적인 것 같구나. 멕시코 유카탄 반도에 칙슬루브 지역에 떨어진 소행성 충돌, 그로 인한 핵겨울의 출현… 하지만, 그 전부터 공룡의 개체수는 줄고 있었대. 그래서 공룡의 멸종은 한가지 원인이 아닌 여러 가지 복합적인 원인으로 보는 게 맞다고 하는구나. 첫 번째가 앞서 이야기했던 칙슬루브 소행성 대충돌. 이 소행성은 TNT 1억 메가톤급 폭발과 맞먹는 엄청난 폭발이었다고 하는구나. 지금도 그 흔적이 있는데, 170Km 지름에, 깊이가 15~20Km라고 하는구나. 정말 크구나. 이 소행성 충돌로 핵겨울이 찾아왔고. 지구 표면온도 0도까지 떨어졌대. 두 번째 공룡 멸종의 원인은 인도 데칸 고원의 용암 분출이라고 하는구나. 이 용암 분출이 어느 정도였냐면, 유럽 면적만큼을 용암이 뒤덮었대. 그리고 세 번째 원인은 해퇴 현상이 있었는데, 이 해퇴 현상은 해양 생물의 멸종을 불러왔단다. 당시 이러한 일들로 인해 육지에서는 새를 제외한 모든 공룡들이 사라졌고, 양치류 등의 생물들, 곤충들도 많이 멸종했다고 하는구나. 공룡과 함께 중생대를 대표하는 연체동물이었던 암모나이트도 이때 멸종했대.

4. 

신생대는 포유류의 전생시대라고 하지만, 공룡이 멸종한 이후 조류가 최고 포식자의 자리를 차지하였단다. 진정한 포유류가 생기기까지는 시간이 필요했어. 포유류의 진화가 본격화되면서, 현존하는 40% 이상의 설치류가 이때 대거 출현하였단다. 식물도 속씨 식물들이 겉씨식물을 밀어내고 주인공이 되었어. 신생대 제3기 초기 드디어 유인원과 인류가 출현하였대. 좀 의아했던 사실 하나, 풀도 이때서야 출현했다고 하는구나. 그 전에는 풀이 없었대… 인류가 출현하고 또 오랜 시간이 흘렀단다. 그리고 또 한번의 대멸종 조짐이 보이고 있다고 여러 과학자들이 주장하고 있단다. 그 전의 다섯 번의 멸종 때 보였던 지구의 변화, 즉, 오존층 파괴, 사막화/온난화 등 지구 기후의 변화, 해수면의 변화 등등. 하지만 징조들이 기존과 다르게 인간들의 의한 인위적이라는 것이야. 이로 인해 지구 생태계 입장에서 보면 억울한 일이라고 지은이들은 이야기하고 있단다.

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(216)

지구 생태계의 입장에서 보면 이는 대단히 억울한 일이다. 다른 멸종처럼 화산이 폭발하고 지진이 일어나고 대륙이 갈라지고 빙하기가 닥치고 산소가 사라지는 등의 원인이야 지구라는 행성에 사는 업보이니 어쩔 수 없다고 쳐도, 인류라는 하나의 종 때문에 전체 생물이 멸종된다는 건 마치 10억 광년 떨어진 초신성의 폭발 때문에 지구 생물이 떼죽음을 당하는 거나, 아니면 전혀 예상도 못했던 소행성이 지구로 끌려와 충돌하는 바람에 하루아침에 떼죽음을 당하는 것보다도 더 억울한 일이지 않겠는가? 적어도 그 경우는 멸종의 이유가 생태계의 나쁜 이웃은 아니니 말이다.

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그런 경고의 소리가 여기저기서 들리고 있단다. 그런데 이 지구 전체를 뜨겁게 만든 인류는 과연 이 위기를 극복할 수 있을까. 아니면 그냥 그대로 여섯 번째 대멸종을 맞이하게 될까. 그 전의 대멸종의 공통점은 최상위 포식자는 모두 멸종했다는 점이고, 현재 최상위 포식자는 인간인데.. 이러한 사실을 알고, 대멸종이 다가오고 있다는 징조를 보고 있음에도, 아무런 대처를 하지 않는다면, 이보다 어리석은 생명체가 있을까? 하는 생각이 드는구나. 이제 때 이른 폭염이 낯선 것이 아니게 된 기후. 이미 돌이킬 수 없는 상황이 된 것은 아닌지 걱정이구나.

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(221)

인류는 어찌 보면 지구 생태계에서 처음으로 나타난 암과 같은 존재일 지도 모른다. 암은 외부에서 들어온 병원균이 아니다. 일정한 시간이 지나면 죽고, 몇 번의 세포분열이 이루어지면 더 이상 세포분열이 이루어지지 않도록 세팅된 다세포 생물의 조직 일부가 그 약속을 깨고 영원한 생명과 무한한 증식으로 나아가면 그것이 바로 암이 된다. 모든 세포와 조직 기관은 하나의 개체 내에서 자신의 역할을 해야 하고 그 이상을 바라면 안 된다. 몸의 일부 조직이 자신의 역할 이상을 바라고 비대해지면 몸 전체의 불균형을 일으키고 마침내 개체 전체의 죽음으로 마감되듯이 생태계도 마찬가지이다. 그런데 인류는 이 생태계에서 자신에게 주어진 역할 이상의 것을 요구하고, 실제로 갈취하고 있다. 당연히 생태계는 인류에 의해서 위험에 처할 수밖에 없고 앞으로 이 인류라는 생태계의 암을 제거하거나, 혹은 더 이상 퍼지지 않도록 제약하지 않으면 죽음으로 다가갈 수밖에 없다.

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(216)
지구 생태계의 입장에서 보면 이는 대단히 억울한 일이다. 다른 멸종처럼 화산이 폭발하고 지진이 일어나고 대륙이 갈라지고 빙하기가 닥치고 산소가 사라지는 등의 원인이야 지구라는 행성에 사는 업보이니 어쩔 수 없다고 쳐도, 인류라는 하나의 종 때문에 전체 생물이 멸종된다는 건 마치 10억 광년 떨어진 초신성의 폭발 때문에 지구 생물이 떼죽음을 당하는 거나, 아니면 전혀 예상도 못했던 소행성이 지구로 끌려와 충돌하는 바람에 하루아침에 떼죽음을 당하는 것보다도 더 억울한 일이지 않겠는가? 적어도 그 경우는 멸종의 이유가 생태계의 나쁜 이웃은 아니니 말이다.

(221)
인류는 어찌 보면 지구 생태계에서 처음으로 나타난 암과 같은 존재일 지도 모른다. 암은 외부에서 들어온 병원균이 아니다. 일정한 시간이 지나면 죽고, 몇 번의 세포분열이 이루어지면 더 이상 세포분열이 이루어지지 않도록 세팅된 다세포 생물의 조직 일부가 그 약속을 깨고 영원한 생명과 무한한 증식으로 나아가면 그것이 바로 암이 된다. 모든 세포와 조직 기관은 하나의 개체 내에서 자신의 역할을 해야 하고 그 이상을 바라면 안 된다. 몸의 일부 조직이 자신의 역할 이상을 바라고 비대해지면 몸 전체의 불균형을 일으키고 마침내 개체 전체의 죽음으로 마감되듯이 생태계도 마찬가지이다. 그런데 인류는 이 생태계에서 자신에게 주어진 역할 이상의 것을 요구하고, 실제로 갈취하고 있다. 당연히 생태계는 인류에 의해서 위험에 처할 수밖에 없고 앞으로 이 인류라는 생태계의 암을 제거하거나, 혹은 더 이상 퍼지지 않도록 제약하지 않으면 죽음으로 다가갈 수밖에 없다.

기생충들이 돌아왔다. 착한 놈, 독특한 놈, 나쁜 놈.

서민의 기생충 콘서트 - 지구의 2인자, 기생충의 독특한 생존기
서민 지음 / 을유문화사 / 2016년 5월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

아빠가 좋아하는 서민 교수. 아빠는 2년 전에 서민 교수가 쓴 <기생충 열전>을 읽고 신선한 충격을 받았었단다. 그 이후 서민 교수가 쓴 다른 책들도 읽었어. 그래도 가장 좋았던 것은 <기생충 열전>이라는 책이야. 이 책을 읽고 주변 사람들한테 추천을 했었어. 읽은 사람들이 있었는지 모르겠지만 말이야. 그런 서민 교수가 작년에 기생충 이야기 시즌 2를 내놓았단다. 이번에는 <기생충 콘서트>란다. 전에 <기생충 열전>을 너무 재미있게 읽고 나서 기생충에 대한 이미지도 좀 좋아진 것은 사실이란다. 이번에는 또 어떤 기생충들 이야기로 배꼽을 잡게 해줄까 하고 읽기 시작했단다.

아참, 아빠가 <기생충 열전>을 읽고 쓴 독서편지에서 서민 교수가 중국의 투요우요우 여사에게 빨리 노벨상을 주어야 한다고 이야기했고, 결국 투요우요우 여사가 노벨상을 탔다는 이야기를 했었잖아. 이번에 읽은 책에서 자신의 책을 보고 노벨상을 준 거 아니냐고 뻐기셨는데, 그런 솔직하면서 유머 있는 글쓰기야말로 서민 교수의 트레이드 마크가 아닌가 싶구나.

1.

이번 책에서는 착한 기생충, 독특한 기생충, 나쁜 기생충으로 구분해서 이야기해주었어. 나쁜 기생충으로 선정된 기생충들이 그 사실을 알았다면 기분이 나쁘겠지만, 자신의 숙주인 사람들을 죽이는 위험한 기생충이니 자업자득이 아니겠니. 착한 기생충들을 읽을 때는 기생충에 대한 이미지가 좋아졌다가도 나쁜 기생충들을 읽었을 때는 무서움 마저 느꼈단다. 해외 여행을 갈 때도 그곳에 유행하는 기생충은 없는지 꼭 알아봐야겠다는 생각도 했어. 아빠는 가뜩이나 걱정쟁이인데, 나쁜 기생충들을 읽으면서 걱정거리가 하나 들어난 것 같구나. 아니지, 나쁜 기생충으로 소개된 기생충들이 여섯 종이니까 걱정거리가 여섯 개 들었다고 해야 할까? 어떤 기생충들이 나쁜 기생충이냐고?

사람의 몸에 들어오면 머릿속으로 들어가 뇌를 먹는 아메바인 파룰러아쥬아메바. 아메바가 단순히 번식력 강한 단세포 생물인지 알았는데, 기생충이었구나. 그 중에 사람의 뇌를 먹고, 그 사람을 죽음에 이르게 하는 아메바가 있다니… 새삼 아메바를 다시 보게 되는구나. 그리고 흙장난으로 옮길 수 있고, 우리 몸에 들어오면 간경화를 일으켜 죽음에 이르게 한다고 하는 간모세선충. 우리 몸에 들어와 샤가스씨병이라는 낯선 병을 일으켜, 자신도 모르게 심장마비에 걸려 죽게 만드는 크루스파동편모충. 뇌막염, 뇌염증을 일으키는 광동주혈선충. 이것은 달팽이만 먹지 않으면 된다고 하니, 지금까지 그랬지만 앞으로도 달팽이는 입에 대지도 말아야겠구나. 이질을 일으키는, 또 아메바네.. 이질 아메바. 잘못하면 사람을 죽게 만들기까지 한다고 하는구나. 아메바. 이제 좋은 아메바가 있을지 모르겠지만, 아메바는 그냥 무조건 멀리해야겠구나. 마지막으로 흑열병을 일으켜, 내장과 골수까지 파괴하여 사람을 죽음을 이르게 하는 도노반리슈만편모충… 이렇게 여섯 개의 기생충들이 아빠의 걱정거리를 늘리게 한 녀석들이란다. 외출하고 돌아오면 더욱 잘 씻고, 뭐 먹을 때는 잘 익혀 먹고, 잘 닦아 먹고 그래야겠구나.

2.

그 밖에 기생충들은 그리 위험한 기생충들이 아니었단다. 그래서 간단히 이름만 소개해줄게. 착한 기생충으로 소개된 기생충들은 원포자충, 시모토아 엑시구아, 요코가와흡충 구충, 분선충, ,람블편모충, 왜소조충이 소개되었고, 독특한 기생충으로 소개된 기생충들은 싱가무스, 고래회충, 이전고환극구흡충, 동양안충, 머릿니, 유극악구충, 질편모충, 포충이 소개되었단다.

….

서민 교수 덕분에 기생충 책도 읽어 보는구나. 아빠가 몇 달 전에 외국사람이 쓴 기생충 관련 책을 하나 사 둔 게 있는데, 조만 간에 그 책도 한 번 읽어봐야겠구나.

기억력 향상, 나이탓 할 필요없다!!!

EBS 다큐프라임 기억력의 비밀 - 내 안에 잠든 슈퍼 기억력을 깨워라
EBS 기억력의 비밀 제작진 지음, 신민섭.김붕년 감수 / 북폴리오 / 2011년 3월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

EBS에서는 괜찮은 다큐멘터리를 많이 방영한단다. 그 중에 다큐프라임은 최고가 아닐까 생각한단다. 비록 많이 보지는 못하지만, 다루고 있는 주제들을 보면 호기심을 많이 가는 주제를 재미있게 이야기를 풀어간단다. 그리고 본방을 사수하지 못한 사람들을 위해서 책으로도 출간하여 아쉬움을 달래주기도 해. 아빠도 TV를 볼 시간이 없어서, 가끔 관심 있는 주제를 책으로 접하곤 하는데, 이 책도 그렇게 해서 구입하게 된 것이란다. 보통 기억력이라고 하면... 사람들은 빠른 시간 안에 많이 기억하고 싶어한단다. 아무래도 그것이 살아가는 데 도움이 될 테니 말이야. 아빠도 그 생각에 동의해. 하지만, 그것은 적당해야지, 지나치게 되면 병이 된단다. 실제로 십년 전의 일을 바로 어제의 일처럼 기억하는 사람도 있대. 그리고 모든 것을 기억하는 과잉기억증후군을 가진 사람도 있고 말이야. 물론 행복하고 좋은 기억만 기억하면 좋겠지만, 슬프고 잊고 싶은 기억들도 계속 가지고 있으면 어떨까? 그것 뿐만 아니라 기억하지 않아도 될 아주 사소한 것들도 계속 기억 속에 남아 있다면... 머릿속이 정말 어지러울 것이라는 생각이 드는구나. 예전에 본 영화 <레인맨>에 보면 자폐증 환자가 나오는데, 그 사람의 기억력은 천재적이라고 할 수 있어. 그걸 서번트 증후군이라고 하는데, 아빠는 그 영화를 볼 당시에는 저런 사람이 실제로 있다는 것은 말도 안 된다고 생각했는데, 그 영화의 실제 모델이 있다고 하는구나. 이렇듯 모든 기억을 하는 사람들은 살아가기가 쉽지 않을 것 같구나.

그런데 그 반대의 경우도 있어. 기억력이 너무 짧거나 특정한 것에 대한 기억을 하지 못하는 경우도 있대. 어떤 사람은 교통사고를 당한 이후에 얼굴을 못하는 병에 걸렸다고 하는구나. 그리고 기억상실증은 다른 예에 비하면 너무 흔한 것이고 말이야. 이런 것을 보면 기억력이야말로 적당한 게 좋은 것 같구나. 하지만, 그래도 좀더 좋은 기억력을 가지고 있으면 더 좋겠다는 생각은 계속 드는구나.

1.

아빠가 얼마 전에 무슨 시험을 하나 준비한다고 거의 벼락치기 수준으로 암기를 한 적이 있었어. 그런데 정말 외우기 어렵더구나. 젊었을 적에는 그래도 나름 외우는 것을 잘 한다고 생각했는데, 요즘에는 아주 짧은 문장이나 숫자 몇 개도 잘 안 외워져. 그리고 읽은 책도 며칠이 지나면 책의 내용이 불분명해진단다. 그래서 메모를 해두지 않으면 너희들에게 독서편지 쓰기도 어려워. 사실 이 책도 읽은 지 열흘이 더 지났고, 메모도 별로 하지 않아서 책의 내용에 대한 이야기는 별로 해줄 것이 없구나. 이렇듯 나이를 먹으면 기억력은 쇠퇴하는 것이 자연의 법칙이라고만 생각했어. 이것은 아빠만 그런 게 아니라 대부분의 사람들이 그렇게 생각하지 않을까 생각한단다.

그런데 이 책에서는 반기를 드는구나. 그렇지 않다고.. 세계 기억력 챔피언인 사람의 나이가 40대 후반이라는 거야. 그렇다고 그 사람이 서번트 증후군이나 자폐증 등 환자도 아니야. 그냥 평범한 사람인데, 기억력 훈련을 통해서 기억력 대회에서 우승을 한 거라고 하더구나. 그리고 어떤 학자는 서른 살부터 마흔다섯 살 때까지 최고의 기억력을 가지고 있다고 하는데, 글을 읽어보고, 아빠의 처지를 생각하면 공감이 전혀 가지 않는구나. 아빠도 나름 책을 읽으면서, 기억해보려고 노력을 하지만, 잘 안되고 좌절하게 되거든 말이야.

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어떤 학자는 나이가 들면 오히려 기억력이 향상된다는 주장을 하기도 한다. 단기기억이 장기기억으로 뿌리를 내리려면 기억의 기술이 필요한데, 나이가 들수록 이 기술이 발달하기 때문이라는 것이다. 그런데 이 기술은 30~45세가 최고치라고 말한다. 관계없이 보이는 사물을 연결하고, 경험을 토대로 풍부하게 연상하고, 새로운 단어나 사물을 나열하듯 기억하는 능력에는 ‘나이’가 오히려 장점이 된다는 것이다. 평범한 뇌를 가진 사람이라면 누구나 자신이 만족할 만한 기억력을 충분히 가질 수 있다. 자신의 뇌를 깨울 수 있다는 믿음과 몇 가지 기억력 훈련 방법만 익히면 된다. 단, 전체가 되어야 할 것은 ‘기억하려는 의지’이다. ‘의지’가 없다면 타고난 기억 능력도, 기억에 도움이 되는 풍부한 지식과 경험도, 효과가 탁월한 기억 훈련도 그저 엮이지 않은 목걸이 구슬에 불과하다. 로니 화이트나 도미니크 오브라이언, 군터 카르스텐과 같은 이들이 평범한 두뇌를 가지고도 슈퍼 기억력자가 될 수 있었던 것은 ‘기억력을 향상시키겠다’, ‘주어진 과제를 반드시 기억하겠다’라는 강력한 의지가 있었기 때문이다.

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2.

너무 많은 기억을 하는 것도 좋은 것은 아니라고 하지만, 그래도 사람들은 기억력 향상에 대해 관심이 많은 것은 사실이란다. 사실 아빠도 이 책을 보면서, 도움이 될 만한 내용이 있으면 잘 기억하고 있다가 나중에 너희들에게 이야기 해주어야겠다고 생각했단다. 그런데 아빠가 '잘 기억하고 있다가' 이 부분을 제대로 하지 못해서, 너희들에게는 나중에 좀 더 크면 이 책을 한번 읽어보라고 밖에 못하겠구나. 그래도 몇 개 메모한 것을 위주로 이야기해볼께. 기억력을 높이는 훈련이 있단다.

첫번째는 "연상하라." 자신이 익숙한 공간에 사물이나 장소에 번호를 붙여서 늘 머릿속에 기억하고 있다가 무엇인가 기억할 것이 있다면 그 사물과 장소에 기억해야 할 것을 배치하는 것이래. 우리 집에 현관을 1번, 작은 방은 2번, 거실을 3번 등등 집의 공간에 번호를 정하고... 외워야 할 것이 사과, 배, 복숭아 등등의 의미 없는 과일의 나열이라고 할 때, 머릿속에서는 현관에 사과가 있고, 작은방에 배가 있고, 거실에 복숭아가 있는 모습을 연상하라는 거지. 책에서 나온대로 아빠도 해보니 이건 정말 효과가 있는 것 같더구나.

두번째 훈련은 "나누어 묶어라." 외워야 할 것이 많으면 적당한 규칙에 따라 덩어리로 나누어 외우라는 것이야. 세번째는 "이야기를 만들어라" 이것도 쉽게 이해가 되겠지? 아무래도.. 소설이 인문학보다 기억이 오래 남는 것도 같은 이유가 아닐까 생각되는구나. 네번째는 "그림으로 상상하라"야. 이것도 글씨보다 그림으로 기억하는 것이 더 도움이 되지 않을까 생각되는구나.

…

그런데 늘 이런 기억력을 높이는 훈련을 할 수 있는 것은 아니잖아. 그럴 때는 기억력에 도움이 되는 생활습관을 가지면 좋을 것 같구나. 이 책에서 제시하고 하는 것들이 있는데, 읽어보면 우리 건강에 좋은 습관들이라고 할 수도 있겠더구나. 즉, 건강해야 기억력도 좋아진다가 되는 거지. 그 생활습관들은 아래와 같단다.

피곤하면 쉬어라

확인할 때 20초를 할애하라

시각은 기본, 다른 감각도 이용해라

새로운 정보, 즐겨 부르는 노래에 담아라

디지털 기기에 지나치게 의존하지 마라

충동을 누르고 자제력을 길러라

더 많이 걸어라, 기억력이 좋아진다

꼭꼭 씹어 먹어라

정리정돈에 신경 써라

설단 현상을 막으려면 사람과의 대화를 즐겨라

사소한 일에도 기억 목표를 세워라

그리고 또 하나 메모를 잘 해라...

메모는 단순히 기억의 보조 수단이 아니고, 메모를 잘 하면 기억도 잘 하게 된다는 것이야. 메모의 중요성을 알려주는 이들은 그렇게 많은데, 습관 들이기가 정말 어렵구나.

자, 오늘은 여기까지만 할께.

양자 역학의 법칙 증명 체험하기

양자역학의 법칙 - 수학으로 배우는 ㅣ 법칙 시리즈 2
Transnational College of LEX 지음, 강현정 옮김, 곽영직 감수 / Gbrain(지브레인) / 2011년 11월

[참고] 기억력에 의한 내용상 오류 있을 수 있음.

[히포 패밀리와 트래캘리]

또 양자역학에 대한 책을 집어 들었다. 작년부터 양자역학을 이해해 보겠다는 생각으로 양자역학에 대한 책들을 읽어보고 있다. 이번에는 읽기 전부터 기대를 많이 했다. 왜냐하면 이 책은 일본의 히포 패밀리 내에 Transnational College of Lex라는 교육기관에서 그들 스스로 공부하고 이해한 후에 낸 책이기 때문이다. Transnational College of Lex에서 펴낸 책 중에 몇 달 전에 읽은 "수학으로 배우는 파동의 법칙"란 너무 좋게 봤었다. 이 책을 통해서 푸리에 급수를 이해할 수 있었고, 그 설명들도 어렵지 않게 되어 있어서 너무 좋았다. 그래서 <수학으로 배우는 양자역학의 법칙>도 쉽게 썼을 거라고 생각했다. 이번에 읽은 <수학으로 배우는 양자역학의 법칙>에는 히포 패밀리에 관한 설명도 더 있었다. 히포 패밀리는 다른 나라의 언어들을 자연 습득으로 배우는 그런 모임이라고 한다. 자연 습득이란 것이 무엇이냐 하면 아이가 언어를 배울 때 따로 그 언어에 대해 공부하는 것이 아니고, 자신이 아는 단어들을 조금씩 조금씩 익혀서 배워 나가는 그런 것을 말하는 것이라고 한다. 그러니까 그들도 낯선 언어에 대한 노출을 많이 해서, 처음에는 아무 뜻도 없이 발음만 비슷하게 하면서 나중에 언어를 배운다는 것이다. 그러게 그들은 7개국의 말들을 하게 되었다고 한다. 그런 히포 패밀리에 일종의 스터디 모임 같은 것이 있는데 그것이 Transnational College of Lex이고, 그들은 줄여서 '트래칼리'라고 부른다. 그들이 처음 만나서 공부한 것이 바로 푸리에 급수였고, 그 공부를 마치고, 두번째로 공부하기로 결정한 것이 바로 양자역학이다. 그들은 수식이라는 것도 일종의 언어와 마찬가지로 생각하고, 언어를 습득하는 방식으로 수식을 이해하고 그 수식을 통해 양자역학이 무엇이란 것을 알게 된다고 생각하였다고 한다. 그들은 10주 동안 양자역학에 대한 공부를 계획했고, 그 전에 양자역학 하면 빼놓을 수 없는 하이젠베르크가 쓴 <부분과 전체>라는 책을 먼저 읽었다고 한다.

쉽지는 않았다. 책의 첫부분은 그런대로 이해할 수 있었다. 유치한 듯한 그림까지 섞어가며 쉽게 쓰여 있었고, 상식으로 알고 있던 내용들이 나와서 이해하는데 어렵지 않았다. 그러나, 책의 중간부분을 넘어가면서, 온통 알 수 없는 수식들로 어지러웠다. 아래 수식과 같은 페이지가 연속으로 나왔다. 휴, 한숨이 절로 나왔다.

…

이 책은 양자역학을 이해시켜주는 책이라기보다 증명하는 책에 가깝다고 할 수 있다. 양자역학을 연구한  과학자들이 양자역학을 설명한 수식들이 있는데, 그들이 계산한 수식을 하나하나 따라가 보는 것이다. 이 책을 제대로 소화하기 위해서는 연필을 들고 이 책에 나와 있는 수식을 하나하나 따라 써 내려가보는 것이다. 그렇다면 좀 더 깊게 이해할 수 있을지 모르겠다. 나처럼 눈으로 읽어 내려간다면, 그 수식들을 이해하기는 쉽지 않다. 전에 읽은 <파동의 법칙>의 경우는 고등학교 때운 수학에서 볼 수 있는 수식들이 많았지만, 이번에 읽은 <양자역학의 법칙>에는 수식 자체가 어려웠다. 그래도 이 책은 양자역학이 왜 생겨났으며, 양자역학을 연구하는 과학자들이 어떤 식으로 연구했다는 내용을 알 수 있어서 좋았다. 복잡한 수식은 건성건성 건너뛰고, 글만 읽어도 나쁘지 않았다. 이번 리뷰에서는 그런 양자역학에 대한 흐름만 정리해보았다.

이 책의 좋은 특징 중 하나는 반복을 자주 한다는 것이다. 한 챕터를 시작하기 전에 그때까지 이야기들을 다시 한번 정리해 준다. 그러면 복잡한 수식으로 잃어버렸던 맥을 다시 찾아서 다시 한번 자신감을 심어주었다. 이내 다시 출현한 복잡한 수식 때문에 한숨을 내쉬지만 말이다. 좀 아쉬운 점은... 수식을 대충대충 봤는데도, 수식에서 명백한 오류가 있었다는 점이다. 본 것만 두어 군데인데, 꼼꼼히 수식을 검토해 보았다면 그보다 더 많은 오류가 있지 않았을까 하는 생각이 들었다. 혹시 이 책을 읽을 계획이 있는 분들이 있다면, 수식에 오류가 있을 수 있다는 것을 명심하고 읽길 바란다.

[빛이란]

양자역학이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 바로 빛이다. 먼저 과학자들이 빛에 관심을 갖게 된 계기부터 살펴보자. 물질을 이루는 최소 단위는 무엇일까? 고대 돌턴이라는 사람은 그것을 원자라고 이야기했다. 물론 그 시절에 원자를 볼 수는 없었다. 근대에 들어서서 돌턴이 이야기한 것이 맞다는 것을 알게 되었고, 수많은 원자들이 발견되어 주기율표를 이루게 되었다. 하지만 현대물리학에서는 원자도 나눌 수 있다는 것을 알게 되었다. 전자, 광자 등 원자보다 더 작은 물질을 이루는 최소 단위가 있을 것을 알게 되었고, 그런 입자들을 양자(量子)라고 했다. 그런 양자들은 너무 작아서 보이질 않았다. 보이지는 않아도 그 양자들이 어떻게 움직이는지 알 수는 있지 않을까? 하는 생각을 하게 되었다. 그런 것을 탐구하는 학문이 바로 바로 양자역학이다. 양자들이 자연에서 어떻게 움직이는 수식으로 표현하는 것. 그것이 바로 양자역학이다.

그런데 빛의 정체는 무엇일까? 빛은 19세기까지만 해도 파동이라고 생각했다. 영이라는 사람이 실험을 통해 빛이 간섭한다는 것을 밝혔다. 간섭이라는 것은 파동의 성질이기 때문에 영의 실험을 통해 빛은 파동이라고 사람들은 믿었다. 그런데, 파동으로 설명할 수 없는 것들이 있었다. 그 중에 하나가 흑체 복사다. 태양의 빛이 지구에 닿으면 지구는 따뜻해진다. 그것은 빛이 열을 전달한다는 의미인데, 이것은 파동으로 설명할 수 없다고 한다. 전달 물질이 있어야 열을 전달한다는 것이다. 그렇게 빛이 열을 복사하는 것을 흑체 복사라고 한다. 고등학교 때 과학교과서에 들어본 적이 있는 플랑크라는 과학자가 그래서 실험을 했다. 진공의 쇠상자에 온도를 높이면 빛이 나오는데, 온도에 따라 빛이 다르다는 것을 발견했다. 다양한 온도는 다양한 파동의 빛이 나온다는 것을 밝혀냈다. 그리고 그렇게 나온 온도와 빛의 파동과의 관계를 그린 그래프를 플랑크 곡선이라고 했다. 그런데, 이 곡선을 수식으로 표현하려고 했는데, 고전역학으로는 도저히 설명이 불가능하다는 것을 알게 되었다. 그리고 빛의 에너지가 불연속으로 나온다는 것이다. 파동이라면 에너지가 불연속일 수가 없다... 여기서 고전역학이라고 하면 뉴턴의 역학과 거기에서 파생된 역학들을 이야기하는 것이다. 당시까지만 해도 자연의 모든 현상은 고전역학으로 설명이 가능하다고 생각했다. 플랑크는 그 곡선의 식을 구해서 플랑크 곡선이라고 이름을 지었고, 논문에 발표하면서도 뉴턴 역학으로 설명할 수 있기를 바란다는 문구를 추가하였다고 한다. 그만큼 당시의 고전역학은 절대진리와도 같았다.

그런데 그런 고정관념을 깨는 천재가 등장하였으니, 바로 아인슈타인. 아인슈타인은 플랑크의 논문을 보았다. 그리고 그것을 설명하기 위해서는 빛은 파동이 아니라 입자라고 생각했다. 혁신적인 생각이란다. 선입견을 깨는 그런 생각. 그렇게 빛이 입자라는 가설을 내세웠는데 바로 광양자 가설이다. 이것이 1905년이었다. 참고로 아인슈타인은 1905년 한 해에 광양자 가설뿐만 아니라 특수상대성이론, 브라운 운동 등 3개의 위대한 논문을 발표했다고 한다. 그는 외계인이거나 천재임에 틀림없다. 빛이 입자라고 근거가 되는 대표적인 것은 바로 광전효과와 콤프턴 효과란 것이 있다. 광전효과는 금속에 진동수가 큰 빛을 쬐면 전자가 튕겨나가는 현상이다. 이 현상은 파동으로 설명이 불가능하고, 입자여야만 설명이 가능한 것이다. 그리고 콤프턴 효과는 빛 입자가 서로 충돌한다는 것이다. x선은 충돌 후 산란되어 진동수가 작아진다... 진동수가 작아진다는 것은 에너지가 줄어든다는 이야기인데, 파동이라면 설명할 수 없는 현상이라고 한다. 그래서 그 현상을 운동량으로 증명해야 하는데, 운동량은 속도와 질량의 곱으로 구할 수 있다. 그런데 빛의 질량이 있나? 없다... 빛의 질량은 0이다. 하지만 질량이 없어도 에너지와 속도를 알면 운동량을 구할 수 있는데, 그렇게 아인슈타인은 빛의 운동량을 구했다고 한다.

빛이 입자를 증명하는 실험 중에 안개상자 실험이라는 것도 있다. 콤프턴 실험에서는 전자의 움직임을 관찰할 수 없다고 한다. 하지만, 작은 물방울을 모아 놓은 안개상자에 전자를 쏘게 되면 전가가 지나가는 모습이 물방울의 흔적으로 보인다고 한다. 그러니 빛은 입자라는 것이다. 정말 빛은 신기한 것이다. 과학자들이 지금까지 밝혀낸 빛의 성질들은 정말 확실한 것인가? 라는 생각이 들었다. 그리고 우리가 미처 알아내지 못한 빛의 성질이 또 있을까? 라는 생각도 들었다.

[양자역학의 탄생]

원자에 열을 쪼이면 빛이 난다. 그것을 프리즘으로 보게 되면 불연속선으로 보인다. 그 모양의 형태는 원자마다 다르다. 이것은 예전에 학창시절 배웠던 것이 기억이 난다. 그런데, 왜 선들이 불연속적으로 나타날 것인가? 그 선들은 무엇을 의미하는 것일까? 발머라는 수학교사가 취미로 그 선들의 관계식을 구했다고 한다. 그냥 불연속적인 선들로 보였는데, 특정 수식으로 그 선들과의 관계를 나타냈다는 것이다. 그 선들 사이에는 관계가 있다는 것이다. 톰슨이라는 과학자도 이 금속에서 나타나는 불연속 선 스펙트럼에 대해 연구를 했다. 그래서 전자의 존재를 알아냈다. 전자의 질량은 원자의 1/2000 이고, (-)전하를 가지고 있다는 것을 밝혀냈다고 한다. 그럼 전자는 어떻게 생겼지? 톰슨은 전자가 수박씨처럼 위치했을 거라고 생각했다. 원자가 수박이면 수박씨는 전자가 되는 것이다. 톰슨의 제자 러더퍼드는 α산란실험으로 톰슨모델을 증명하려고 했다. 하지만, α파가 2만개 중에 1개꼴로 금속을 통과하지 못하고 튀어나오는 것을 발견했다고 한다. 톰슨모델이 잘못되었다는 것을 알았고, 전자는 원자핵 주변에 있다고 생각을 했다. 원자는 전기적으로 중성인데, 전자는 (-)전하를 띠고 있으니, 원자핵은 (+)전하를 띠어야 했다. 그러면 또 하나의 의문이 생긴다. (-)전하와 (+)전하는 전자기력에 의해 서로 끌어당긴다. 그런 원자핵 주변의 전자는 이내 원자핵과 붙어야 한다. 그런데 실상은 그렇지 않고 일정한 간격을 유지하고 있다. 그래서 생각해낸 것인 전자가 원자핵을 주변을 돈다고 생각했다. 그러면 원심력과 전자기력이 같기 때문에 일정궤도를 유지할 수 있다고 생각했다. 하지만 또 모순이 있었다. 원운동은 가속도운동이고, 고전역학 중에 맥스웰의 파동역학에 의하면 가속도 운동을 하는 것은 에너지가 나온다고 했다. 그러면 시간이 흐르면 원자력이 전자기력보다 작아져야 하고, 그로 인해 다시 전자와 원자핵이 서로 붙어야 한다고 했다. 그 밖에 전자의 움직임을 고전 역학으로 설명하려고 하면 들어맞지 않는 경우가 있다고 한다. 빛도 그렇고, 전자도 그렇고... 이런 작은 입자들의 미시적 세계의 현상들은 고전 역학으로 설명할 수 없었다. 그런 작은 입자들의 현상을 설명할 새로운 역학이 필요한 것이다. 그래서 생겨난 것이 바로 양자역학이다.

[전자 궤도를 버려라]

닐스 보어란 과학자가 있었다. 원자 모형을 플랑크와 아인슈타인의 이론, 즉 입자로 설명하려고 했다. 고전 역학은 아예 적용하려고 하지 않았다. 양자역학의 규칙을 하나씩 하나씩 만들려고 했던 것이다. 먼저 원자의 선 스펙트럼이 불연속적인 에너지면을 가지고 있는 것은 전자가 몇 개의 에너지 준위를 가지고 있는 궤도를 돈다고 생각했다. 그리고 그렇게 전자가 자신의 궤도를 돌고 있는 것은 정상상태라고 하고 이때는 빛이 발생하지 않는다고 했다. 전자의 에너지 준위가 달라질 때, 즉 에너지가 변할 때 빛이 나온다고 했다. 그렇게 되자 선 스펙트럼의 원자 구조를 모두 설명할 수 있게 되었다. 좀더 보충해서 설명하면, 궤도가 높은 곳의 전자들은 궤도간 간격이 아주 좁게 되어 불연속이 아니라 연속처럼 동작한다고 했다. 그렇게 궤도가 높은 곳의 전자들의 움직임은 전자기력과 원심력이 같다고 하는 고전역학으로 설명도 할 수 있었다고 한다. 그래서 높은 궤도의 전자의 경우 고전역학을 이용하여 전자의 진동수도 구할 수 있었다. 하지만 전자의 궤도는 알 수 없었다. 그래서 닐스 보어는 원자의 궤도 구하는 것은 뒤로 하고, 선 스펙트럼의 빛의 세기나 구하기로 했다. 하지만 그것도 실패했다. 보어가 구한 것은 진동수 구하는 방법까지였다.

닐스 보어의 제자 중에 하이젠베르크라는 과학자가 있었다. 하이젠베르크는 전초열이라는 병에 걸려서 헬골란트 섬으로 휴가를 가게 되었다고 한다. 그는 이곳에서 쉬면서 연구를 했다고 한다. 하이젠베르크는 고전역학을 궤도가 높은 전자뿐만 아니라 낮은 전자도 고전역학을 이용해서 설명하려고 했다. 누구도 생각하지 못했던 변칙이었다. 그런 변칙을 써서 그는 보어가 하지 못한 선 스펙트럼의 에너지 크기를 구했다. 하지만 그도 전자의 궤도는 밝혀내지 못했다. 그래서 그는 "궤도를 버려라"고 했다. 그러면서 그는 전자가 방출하는 빛으로 진동수와 진폭을 구할 수 있다면서, 굳이 궤도를 밝혀내지 않아도 된다고 했다. 하지만, 아인슈타인은 물질이 어떻게 움직이는지 머릿속에서 떠올릴 수 있어야 물리학이라고 하면서, 하이젠베르크의 물리를 부인했다. 아인슈타인은 관측이 가능한 것만이 물리학이라고 했다.

[전자의 정체는…]

루이 드브로이란 사람이 있었다. 아마추어 과학자로 독학으로 아인슈타인과 닐스 보어를 공부했다고 한다. 그러면서 그는 전자가 입자가 아닌 파동일 수도 있겠다고 생각했다. 마치 아인슈타인이 빛이 파동이 아닌 입자라고 생각한 것처럼 말이다. 그렇게 전자를 파동으로 생각해서 계산했더니 양자조건을 만족하는 것을 밝혀냈다. 그래서 그는 전자는 파동이라고 논문을 발표했다. 아인슈타인도 이 논문에 흥미를 느끼고, 그 논문을 슈뢰딩거에게 전달해 주었다고 한다. 그리고 슈뢰딩거는 열심히 공부를 했다고 한다. 슈뢰딩거는 전자의 파동방정식을 이끌어냈다. 전자가 파동임을 수식으로 증명한 것이다. 이 전자의 파동방정식을 유도해내는 식이 책이 쭉 나와 있지만, 눈으로만 읽어서는 도저히 이해할 수 없는 수식이다. 그렇다고 손으로 천천히 따라 적는다고 이해할 자신이 있는 것도 아니다. 어려운 수식의 연속이었다. 한숨이 절로 나오게 하는 페이지가 지나면 결국 슈뢰딩거가 이룬 것은 전자를 파동방정식으로 나타낼 수 있다는 것이었다. 즉, 전자가 어떻게 움직이는지 머릿속으로 그릴 수 있다는 것이다. 아인슈타인이 바라던 그것. 이미지를 만들 수 있어야 한다는 것.

하지만 여전히 슈뢰딩거의 전자는 약점들이 있었다. 그가 구한 파동방정식은 전자가 한 개인 경우를 구한 것이었다. 내가 내용을 정확하게 파악하지 못했지만, 전자 2개를 슈뢰딩거 방정식으로 설명하려면 6차원이어야 한다고 했다. 그리고 전자 3개면 9차원, 더 많은 전자를 구하기 위해서는 무한차원이 필요하게 된다고 했다. 이것은 설명하기 어려웠다. 다시 전자의 이미지가 사라졌다고 사람들은 생각했다. 이때 나타난 사람이 막스 보른이라는 사람이다. 슈뢰딩거 방정식으로 확률로 해석했다. 슈뢰딩거의 파동방정식을 파동이 아닌 입자들의 개수로 바꿔서 설명하려고 했다. 예를 들어 이중슬릿 실험. 그것은 파동을 설명하는 실험이었다. 그런데 전자의 입자로 바꿔서 생각하고 이중슬립을 통과한 전자의 개수들을 세어보았다고 한다. 그러니까 파동으로 나타난 간섭의 세기에 비례하여 전자의 개수가 나타났다고 한다. 그래서 이렇게 확률로 생각하니 다시 이미지가 돌아왔다고 했다. 슈뢰딩거 방정식은 한 개의 전자만 설명이 가능했는데, 보른의 확률해석은 전자가 많아도 3차원의 공간에서 설명이 되었다. 그런데 전자를 한개만 쏘면 어떻게 될까? 이중슬릿에 전자를 한 개만 쏘면 전자는 둘 중에 하나로 들어오게 된다. 각각 확률은 반반씩이다. 그리고 이 경우는 간섭 현상도 나타나지 않는다. 그렇다가 우리가 관측을 하게 되면 전자는 영 딴 놈이 된다. 이를 확률파동이 수축한다고 하는데, 몇 번을 읽어봐도 이해가 쉽지 않았다.

그리고… 결국 양자역학에 관한 책을 보다 보면 가장 끝에서 출현하는 불확정성 원리를 다시 만나게 되었다. 전자의 불확정성이란, 위치를 정확하게 보려고 하면 운동량을 알 수 없고, 운동량을 정확하게 알려고 하면, 전자의 위치를 알 수 없다는 것을 말한다. 전자는 눈으로 봤을 때만 존재한다는 것이다. 이런 불확정성 원리를 하이젠베르크와 보어가 주장했다. 그러면서 이런 결론을 내렸다. "전자는 관측하지 않을 때는 파동처럼, 관측될 때는 입자처럼 움직인다" 라고... 그리고 이때 파동은 실제 물질의 파동이 아니라 불확정성 원리에 의해 정확한 위치와 운동량은 알 수 없다고 했다. 아인슈타인은 이 주장에 절대 동의할 수 없다고 했다. 물리학이라는 것은 명백해야 한다는 것이 그의 생각이니까 말이다. 양자역학에 대한 불확정성 원리를 1927년에 주장하였는데, 그 이후에 이것을 뒤집는 이론은 발견되지 않았다. 그래서 하이젠베르크의 양자역학은 옳은 것으로 인정받고 있고, 양자역학은 현대 과학에서 아주 중요한 분야라고 한다. 그러니까 누군가 전자의 정체가 무엇인지 물어보면 아직까지는 “전자는 관측하지 않을 때는 파동처럼, 관측될 때는 입자처럼 움직인다”라고 대답하며 된다. 이것이 양자역학의 핵심이다.

아쉽게도 이 책을 읽고 나서도 아직 양자역학에 대해 제대로 이해하지 모했다. 전에 다른 책에서 양자역학을 가장 쉽게 설명한 사람이 리처드 파인만이라고 한 것을 본 적이 있다. 이제 파인만이 설명한 양자역학을 찾아봐야 하나.

※ 이 리뷰는 <사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지>를 수정하여 작성함.