과학책 추천(어떻게 물리학을 /하늘과 바람과 별과 인간)

과거 [알쓸신잡], [알쓸인잡] 에서 이과사람과 문과사람이 골고루 등장해서 재미있는 얘기를 나누는 방송이 있었습니다. 
[금요일 금요일 밤에]라는 방송도 과학에 대해 재미나게 접할 수 있는 프로그램이었지요.
EBS다큐프라임에서 했던 여러 과학방송 (열역학, 상대성이론 등)도 재미있었어요.
 
이런 것들을 보다보니 저절로 과학에 관심이 가더라고요. 우리도 아이에게 뭘 가르치거나 어려운 책을 추천하는 대신 재미있는 영상이나 학습만화로 접해보게 하는 것도 괜찮을 것 같다는 생각이 드네요.
(대신 영상과 학습만화는 지식보다는 그저 해당 주제에 관심만 가지게 하는 정도 일 뿐 많은 것을 기대하진 마세요. ^^ 일단 흥미를 갖는 것이 중요합니다. )
 
그래서 그런지 유시민작가님도 최근에 [문과남자의 과학공부]라는 책을 출간하셨더라고요. 이 책을 보려고 했는데, 이미 도서관 희망도서 대출신청자가 너무 많아 신청이 안 되고, 도서관 책은 다 대출중인 상태네요. 
 
그래서 최근에 읽었던 과학 관련 책을 소개해 드립니다. 이미 유투브나 동영상에서 과학적 재미를 느끼신 분들이라면 아래책도 아주 재미있게 후루룩 읽을 수 있을 거라 생각해요.

 

어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까?

-짐 알칼릴리 2020 영국 물리학자
 
뭐랄까 이 책은 전체적으로 착한 선생님이 친절하게 설명해주는 느낌이 들었습니다. 
어릴적에 오빠에게 뭐 물어보면 “바보냐?” 라는 답변을 들었었는데, 책은 이런면에서 참 친절해요 ㅋㅋㅋ
 
"자연이라는 책은 수학이라는 언어로 적혀있다."
그 언어는 발결되기 위해 거기에 존재한다. 
 
p53 보편성 입증 : 뉴턴의 중력, 그것을 더 개선한 아인슈타인의 일반상대성 이론은 상당히 놀라운 보편성을 입증해 보였습니다. (중력장이 시간의 흐름을 늦추고, 중력장이 강할수록 시간이 느리게 흐른다. 지구의 핵은 지각보다 2년 반정도 더 젊다)
 
하지만, 이런 보편성도 딱 거기까지 입니다. 가장 작은 길이와 시간의 척도에서는 일상세계의 물리학(뉴턴의 것이든, 아인슈타인의 것이든)이 붕괴되기 때문에 그것을 양자역학의 예측으로 대체해야 하죠. 
p66 고전적 물리법칙들이(우리가 학교에서 배우는 뉴턴역학, 전자기학, 열역학 등등) 개별 원자의 세계로(양자역학) 내려오면 작동하지 않습니다. 전혀 효력이 없지요.
 
환원주의는 전체가 부분의 합에 불과하다는 뜻입니다. 하지만 산소와 수소를 보고 물의 축축함이라는 속성을 연역할 수 없습니다. 노벨수상자 필립앤더슨은  "많으면 달라진다"라는 논문에서 극단적 환원주의에 반대하였습니다. 
 

일반상대성 이론

-아인슈타인의 중력이론
(뉴턴의 중력은 인력) 물체가 느끼는 중력의 강도는 주변시공간이 휘어져 있는 양입니다. (중력=시공간의 곡률) 물체가 땅으로 떨어지는 이유는 시간의 흐름이 느린곳으로 움직이기 때문입니다. 
"물리적 대상은 공간속에 있는 것이 아니라, 공간적으로 연장되어 있는 것이다.(텅 빈 공간은 없는 개념)"
중력장을 제거한다고 상상해보면 거기에는 공간이 남는게 아니라 절대적 무無만 남습니다.
p93 중력장 없이는 시공간이 존재하지 않습니다. 중력장은 시공간의 '모양'에 불과합니다.
 

p118 사라진 반물질 미스터리

우주의 일생에서 훨씬 더 이른 시간, 원자가 형성되기 오래전으로 돌아가봅시다. 우주는 엄청나게 뜨거운 에너지 거품으로 시작해서 1조 분의 1초 만에 쿼크와 글루온 같은 아원자입자가 형성될 수 있을 정도로 냉각됐습니다. 공간이 팽창하면서 이 에너지로부터 입자들이 응결되어 나온 것이죠. 처음에는 이 입자들이 아주 에너지가 높아서 '쿼크-글루온 플라스마'라는 섭씨 수조 도의 뜨거운 수프 속에서 제한 없이 돌아다녔습니다. 그러다 우주의 나이가 겨우 수백만 분의 1초정도가 되었을 때 이 입자들이 덩어리로 뭉쳐 양성자와 중성자, 그와 함께 다른 더 무거운 입자들을 형성하기 시작했습니다. 그후 첫 몇 초 동안에는 물질이 다양한 진화 단계를 거치면서 여러가지 입자들이 형성되고 사라졌습니다. 여기서 물리학 최대의 큰 미해결 문제가 등장합니다. 사라진 반물질 미스터리죠.
 
모든 물질입자(페르미온)는 거울상의 반물질 짝을 갖고 있습니다. 양자세계를 확대해서 볼 수 있다면 입자와 그 반입자가 물질과 에너지 사이를 지속적으로 오가며 계속 나타났다 사라지는 모습이 보일 것입니다. 입자와 반입자가 나타나고 사라지던 아주 초기의 고밀도 우주에서 무슨 이유인지 반물질보다 물질이 우세해졌습니다. 우리가 여기에 존재한다는 사실 자체가 분명 그런 일이 일어났었다는 증거입니다. 이 사라진 반물질에 대체 어떤 일이 있었던 것인지 우리는 아직 알지 못합니다. 그것이 없어진 덕분에 오늘날 우리가 보는 풍성한 물질세계가 존재할 수 있게 됐지만요.
 

양자역학

양자역학의 핵심개념은 파동-입자의 이중성입니다. 양쪽 속성을 동시에 알 수없는 불확정성의 원리를 가지고 있습니다.
하지만 데이비드 봄이 발전시킨 또 다른 양자 해석에 따르면 양자세계는 파동이 이끄는 입자들로 구성되어 있습니다. 이들의 속성은 우리가 볼 수 없게 숨겨져 있지만 (숨은 변수) 표준 코펜하겐 해석에서 보이는 애매모호함 없이 양자세계를 기술합니다. 전자가 파동이자 입자이지만 우리에게는 입자만 감지되는 것이라는 주장입니다. 
 
양자입자가 실제로 즉각적인 원거리 연결이 가능합니다.(1970~1980 실증) 학술용어로'비국소성'이라고 하고 얽힘이라는 개념입니다. 우리 우주는 실제로 비국소적입니다. 
 
측정문제, 미시적인 양자세계와 거시적인 고전적 세계 사이의 경계 설정 문제 같은 골치 아픈 논쟁거리는 1930년대에 에르빈 슈뢰딩거에 의해 처음 유명해졌습니다. 당시 슈뢰딩거는 유명한 사고실험을 고안했죠. 그는 방사성물질과 치명적인 독 병이 든 상자 속에 고양이를 집어넣으면 무슨 일이 일어날지 물었습니다. 그 상자는 방사성물질이 입자를 방출하면 그것을 감지한 장치가 병에 든 독을 흘려보내도록 설계되어 있습니다. 양자역학의 규칙에 따르면 상자 뚜껑이 닫혀 있는 한 아원자입자는 양자세계의 법칙을 따르기 때문에, 방출된 상태와 방출되지 않은 상태가 동시에 양자중첩이 되어 있다고 봐야 합니다. 
슈뢰딩거는 고양이 자체는 엄청나게 많은 원자로 이루어져 있지만, 그 원자 하나하나는 결국 양자적인 실체이기 때문에 고양이 역시 양자중첩 상태로 존재한다고 주장했습니다. 살아 있으면서 동시에 죽어 있는 상태에 있는것이죠. 하지만 상자의 뚜껑을 여는 순간에 우리는 명확한 한 가지 결과만을 보게 됩니다. 고양이는 죽었으면 죽었고 살았으면 산 것이지, 그 중간의 어중간한 상태가 아니라는 것이죠. 
이 문제를 합리적으로 해결하는 방법이 있습니다. 고양이처럼 복잡한 거시적 물체를 고려할 때는 양자중첩이 주변 환경으로 결잃음해서 사라지기 때문에 오래가지 못한다고 가정하는 것입니다. 
양자역학의 다중세계 해석을 따르는 사람들은 이것을 깔끔하고 단순하게 설명할 방법이 있다고 믿습니다. 각각의 선택이 실현된 두 가지의 평행현실이 존재한다고 주장하거든요. 상자를 열 때 발견하는 결과는 우리가 둘 중 어느 쪽 현실에 존재하는지를 반영한다는 것이죠. 
모두 어딘가에 숨어 있는 실재의 이상한 측면들을 내포하고 있죠.
 

열역학(열과 에너지의 변화)

질서있는 낮은 엔트로피(ex.완충 배터리) →
→→ 무질서한 높은 엔트로피(ex.방전 배터리는 평형에 도달)

계가 평형에 도달하면 엔트로피가 극대화 됩니다. 그 안에 들어 있는 에너지는 쓸모가 없죠. 따라서 어떻게 보면 세상을 굴리는 데 필요한 것은 에너지가 아닙니다. 낮은 엔트로피죠. 만약 모든 것이 평형 상태에 놓여 있다면 아무일도 일어나지 않습니다. 
지구위의 생명체는 태양의 저엔트로피 에너지를 먹고 살기 때문에 존재 가능합니다. 
 
평형에서 살짝 벗어난 상자 속 입자는 평형 상태로 재분포되거나 중력의 영향 아래 한데 뭉치게 됩니다. 어느 쪽이든 엔트로피를 증가시키고 열역학 제2법칙을 충족합니다. 
 
전체 우주를 비롯해서 물리적 계는 항상 질서 있는 저엔트로피의 상태에서 무질서한 고엔트로피의 상태로 움직여야 합니다. 이것이 시간의 흐름 자체에 방향성을 부여하죠. 열역학 제2법칙은 우리가 과거와 미래를 구분할 수 있게 해줍니다. 
 
p174 요약하자면, 사실 우주는 아마도 완전히 결정론적일 것이다. 그럼에도 미래가 예측이 불가한 이유는, 양자수준에서 관찰하려들면 필연적으로 우리가 그 계를 교란시켜 관찰결과가 바뀌기 때문입니다. 한 계에 대해 완벽한 지식을 갖는 것은 현실적으로 불가능해서, 그런 불확실한 부분들이 쌓이다 보면 미래가 어떻게 펼쳐질지 절대 확신할 수 없기 때문입니다. 
 

시간이란?

1. 특수상대성이론에 따르면, 시간은 반드시 공간과 결합해서 4차원 시공간을 이룹니다.
일방상대성이론에 따르면, 시공간이 중력장 그 자체라고 말해줍니다. 시간은 우주의 물리적 구조의 일부이며, 중력에 의해 늘어나거나 휘어질 수 있는 차원입니다. 
2. 양자역학에 따르면, 시간은 그저 방정식에 넣는 하나의 값에 불과하며, 시간의 화살이 가역적입니다. (가역적: 변화 후 본래 상태로 돌아가는 것. 한자 그대로 풀이하자면 역반응이 가능하다는것. 시간이 양쪽 방향으로 흐를 수 있음)
3. 열역학에서는 엔트로피가 증가하는 방향, 즉 과거에서 미래로의 흐름을 가리키는 비가역적인 화살이죠.

물리학의 첫 번째와 두 번째 기둥을 하나로 합치는 일, 즉 일반상대성이론과 양자역학을 결합해서 모든 것을 아우르는 하나의 양자중력이론을 만들어내는 데 자기 경력을 모두 바친 사람들도 있었죠. 가장 유망한 이론이 어느 것이냐도 누구와 대화하느냐에 따라 달라집니다. 끈이론, 고리양자중력이론이 있지만 우리는 여전히 알지 못합니다. 
 

하늘과 바람과 별과 인간

-김상욱 2023
 
위에 소개한 책이 물리학에 대한 내용만 있다면, 이 책은 좀 더 다양한 내용을 더 자세히 다룹니다. 재미있으니 추천드려요. 읽어보시라고 일부만 소개해 드릴게요. ^^
앞부분은 원자로 시작합니다.

p324 침팬지는 밀림에 있었지만, 우리 조상들은 초원으로 이동했다. 초원에서는 나무를 타기보다 걸어야 했기에 직립보행이 된듯하다. 밀림에서는 사자를 만나면 나무에 오르면 되지만 초원에서는 그럴수 없었다. 힘없는 자는 뭉쳐야 산다. 무리를 이루게 되자 아른 이의 마음을 읽고 이해하는 능력이 중요해졌다. 많은 학자는 인류의 뇌가 사회성 때문에 빠르게 진화한 것이 아닌가 생각한다 .
 
p329 인지혁명은 뇌의 물리적 변화에서 왔을 가능성이 크다. 예를 들어 우리는 태어날 때부터 중력, 관성, 운동같은 물리적 개념을 이미 직관적으로 안다. 이는 운동에 대한 복잡한 정보를 하나의 모듈로 파악하기 때문에 가능하다. 뇌 어딘가에 운동 인지 모듈이 있다는 뜻이다. 인지모듈의 뇌 내부의 신경세포들 사이의 타고난 연결에 의해 형성될 것이며, 그 내용은 우리 유전자 어딘가에 저장되어 있을 것이다. 
 
신경세포에서 이동하하는 신호는 전류이다. 신경세포는 0과 1을 사용하여 모든 일을 하는 디지털기계다. 인간과 기계 모두 쓸수있는 공통의 언어는 이진법 수다. 우리도 입력을 출력으로 바꾸는 일종의 기계에 불과하다고 볼수있다. 
p358 클로드 섀넌 " 정보는 오로지 사용빈도로만(0과 1의 빈도) 그 가치가 정해진다. 즉 확률이 정보다."
(정보량=엔트로피. 확률로만 표현된 수식)
 
p369 신경과학자 안토니오 다마지오 " 인간의 문화적 활동이 '느낌'에서 왔다." 느낌은 기분과 감정을 일으키는 핵심적인 심리반응이다. 
 
p396 "모든 것을 하나의 관점으로 설명하는 일이 불가능 하다는 점을 말하고 싶었다. 그 이유는 층위가 바뀔때마다 새로운 특발성들이 창발(느닷없이 튀어나옴)하기 때문이다."
 
 

마무리

 
가끔 아이가 말합니다.
"무한개 만큼~ 무한개 만큼~"
 
그럼 제가 아이의 말을 전혀 공감하지 않은 상태로 "무한은 숫자가 아니라 과정이야" (김상욱 교수님 책에 나옴)라고 말해봅니다.
아이의 그 후 반응은 다들 아시겠지요? ^^

재미난 책으로 과학영역에 한발짝 내딛어 보는 보는 계기가 되길 바랍니다.
 
과학책이지만 철학책같은 느낌이 드는 부분도 종종 있었습니다. 서로간의 경계를 넘어서야 발전이 있겠지요.  과학, 문학, 철학, 수학, 예술 등의 경계를 넘어서는 토론 프로그램이 있으면 재미있을 것 같아요.

지구에게 인간은, 물 속의 외래종 배스같다는 생각이 들기도 합니다. 배스는 우리가 알고있는 생태계 포식자 괴물이죠. 번식력도 아주 강하고 포획해도 그물망을 똑똑하게 빠져나가기도 한다네요. 그래서 작살로 죽인다고…아주 똑똑한 게 인간과 닮은 듯 합니다.

책을보며 과거 은하철도999라는 만화도 생각났어요.
기계인간이 상류층이 되어 인간위에 군림하는 세상에서 철이도 기계인간이 되고싶어했어요.
그런데 기계인간에게 철이 어머니가 살해되고, 기계인간에게 복수하다 위험에 처한 철이를 메텔이 구해주었지요.
메텔과 철이는 그렇게 은하철도999를타고 행성여행을 했고 마침내 종착지인 기계화행성에 도착했어요.
거긴 기계인간을 부려먹는 여왕이 살았는데, 메텔이 그녀의 딸이었지요. 메텔과 철이가 손잡고 그 행성을 파괴하고 각자 헤어지는 줄거리 입니다.

책을 읽으며 인간과 기계에 대해 많은 생각이 들었습니다.
인간과 기계의 경계가 점점 모호해지는 현 시점에서 AI의 발전에 확실한 제동장치를 만들지 않으면, 은하철도999처럼 기계가 정복한 세상이 나올지도 모르겠어요. 제프리 힌턴과 박태웅 의장님이 걱정하시는 것처럼요.


과학을 보다보면 철학이 생각나지요. 아래 책도 참고해 보세요^^

이어령의 마지막 수업 - https://naturalmedicine.tistory.com/m/200

이어령의 마지막 수업

 

문과남자의 과학공부 - https://naturalmedicine.tistory.com/m/202

문과남자의 과학공부