▼ 집부터 자전거, 스마트폰에 에어컨까지
익숙한 일상에서 물리법칙 찾기

첫 대상은 거대한 건물이다. 저자는 질문한다. 어떻게 엠파이어스테이트 빌딩과 같은 거대한 건물이 튼튼하게 버티는 걸까? 절대 무너지지 않는다고 믿어도 되는 걸까? 물론 건물은 찰나의 걱정도 아까울 만큼 튼튼하다. 엄청난 높이로 위태롭게 서 있는 마천루는 아찔함을 느끼게 하지만 물리학은 우리의 경험과 직관 너머에 있다. 저자는 건물의 밑단이 받는 중력이 우리 발목이 받는 중력과 비슷하다고 비유한다. 우리가 발목이 몸무게를 버티지 못하고 부러질 거로 생각하지 않는 것처럼 튼튼하단 말이다. 건물의 높이만큼 밑단의 넓이가 커지면 늘어나는 무게의 압력은 적절하게 분산된다. 키에 따라 발목이 굵어지면 되는 것이다. 엠파이어스테이트 빌딩의 밑단 넓이는 대략 8,000m2 에 달하고, 빌딩의 전체 무게는 약 33만 톤으로 추정된다. 하지만 광대한 밑단 넓이 덕분에 지면이 받는 중력은 놀랍게도 대기압의 네 배에 불과하다. 건물이 올라갈수록 가늘어지는 구조면 금상첨화다. 마천루의 모습이 거의 비슷한 이유는 이들이 물리법칙을 잘 따르고 있다는 증거다. 참고로 꼭대기는 엄청난 바람 에너지를 흡수하기 위해 살랑살랑 흔들릴 수 있게 설계되었다.
세상을 움직이는 물리법칙을 다루지면 지레도 빼놓을 수 없다. 저자는 동네 철물점의 수백 가지 도구를 지레, 바퀴, 쐐기로 간단히 분류할 수 있다고 말한다. 그중에서도 지레는 그야말로 모든 기계의 아버지다. 지레는 막대의 한 지점을 받치고 그 받침점에 작용하는 회전력을 이용해 물체를 움직이는 도구다. 지레가 길수록 가하는 힘을 더 많이 늘려준다. 아르키메데스는 “충분히 긴 지렛대만 있으면 지구도 들어 올릴 수 있다”라고 말했을 정도다. 저자는 렌치, 수도꼭지, 자전거, 도끼로 나무를 패는 일까지 일상에서 만날 수 있는 다양한 도구의 움직임을 지레 원리에 기반해 설명한다.
빛은 물리법칙의 꽃이자 문명의 근간이다. 우리는 빛 때문에 무언가를 볼 수 있다. 그래서 빛이라고 하면 흔히 태양이나 형광등을 떠올리지만 이는 빛의 정체에 극히 일부분이다. 과학자들에게 빛은 단지 ‘보이는 에너지’가 아니다. 그보다는 ‘정밀하면서도 믿을 수 없이 빠른 속도로 진행하며, 우리 눈이 감지할 수 있는 것은 그중 극히 일부에 불과한, 아주 특수한 종류의 에너지’에 가깝다. 특히 빛의 전기적 특성은 문명을 이루는 핵심 원리가 되었다. 전기를 활용해 도시의 에너지를 만들고 정보를 광속으로 전달한다. 모든 전기는 빛이기 때문이다. 저자는 만약 빛의 속도를 줄이고 빛을 원자 규모로 관찰하는 게 가능하다면, 전기와 자기가 오르락내리락 곡선을 그리며 에너지를 전파하는 물결 모양의 파동을 볼 수 있을지 모른다고 말한다. 이 파동 중에 ‘라디오파’라고도 불리는 전파를 활용해서 우리는 집 안에서 거의 실시간으로 지구 반대편의 모습을 감상할 수 있다.
냉방과 난방에 관한 흥미로운 물리법칙도 소개한다. 집을 데우는 것보다 집을 식히는 것이 물리법칙 상 더 어렵다는 것이다. 집을 식히는 일이 왜 더 힘들까? 이론상으로는 덥히는 것과 식히는 것이 정확히 반대이기 때문에 냉방이 난방보다 어려울 이유가 없다. 10°C의 냉수 한 컵을 끓이려면 일정량의 에너지를 공급해야 하고 반대로 물이 10°C로 식을 때 물에서 동량의 에너지가 회수된다. 에너지 보존 법칙이라고도 부르는 열역학 제1법칙이 양방향으로 작용하기 때문이다. 하지만 히터를 역회전해 방에서 열을 빨아들일 수도, 방에서 열을 퍼내 석탄 덩어리에 다시 욱여넣을 수는 없다. 가열은 물질에 혼돈과 무질서를 야기하는 반면 냉각은 반대로 질서와 안정을 가져다주기 때문이다. 열역학 제2법칙, 엔트로피 법칙에 따르면 우주는 자연적으로 질서에서 혼돈으로 움직인다. 가열은 혼돈을 향하는 우주의 경향에 부합하지만, 냉각은 인공적으로 질서를 강제하는 것이며, 따라서 우주의 경향에 반하는 것이다. 그래서 방을 시원하게 하려면 전기히터에서 열에너지를 퍼져나가게 놔두는 것과는 다른 방법을 써야 한다. 에어컨이나 냉장고는 전기를 활용해 열을 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 역행하게 만든다. 전기에너지가 뜨거운 것을 더 뜨겁게, 차가운 것을 더 차갑게 하는 비정상적 사이클을 가동해서 열역학 제 2법칙에 따라 마땅히 없어져야 할 집 안팎의 온도 차를 억지로 유지하는 것이다.
마지막으로 온종일 바람을 날리는 선풍기 날개에 먼지가 쌓이고 자동차가 더러워지는지는 이유도 물리법칙으로 설명한다. 바람이 아무리 불어도 먼지가 꿈쩍도 하지 않는 이유가 있다. 첫째, 작고 가벼운 물질일수록 정전기의 접착력에 의해 물체 표면에 붙들려 있을 가능성이 높다. 둘째, 풍속은 표면에서 멀어져 특정 거리에 이르기 전까지 점진적으로 증가하기 때문에 지면의 풍속은 0이라는 것이다. 이게 산봉우리의 바람이 매우 거센 이유다. 반대로 지면 바로 위, 즉 선풍기 날개나 자동차 보닛 표면에서 원자 한 개 정도 떨어진 곳에서는 공기의 속도가 전혀 없다. 공기가 전혀 움직이지 않는 곳에 먼지가 있기 때문에 이들이 갈수록 더러워지는 것은 당연하다. 그래서 결론, 먼지는 입으로 부는 것보다 걸레로 닦는 것이 훨씬 낫다.

우리는 건물에 매 순간 중력(지구의 막강한 힘)이 작용한다는 걸 안다. 간단히 말해서 뉴턴의 말이 맞는다면 건물은 가루가 돼 지구 내부로 쓸려 들어가서 영원히 또는 지구 핵의 용광로에서 녹아 없어질 때까지 쉬지 않고 움직여야 한다. 그런데 왜 그런 일이 일어나지 않을까? 중력이 건물을 땅속으로 잡아당길 때 땅이 정확히 같은 힘으로 건물을 위로 밀어 올리기 때문이다. 이 두 힘이 서로 상쇄해서 건물은 아무 데도 가지 않는다. 왜 건물이 땅속으로 꺼지지 않느냐고? 땅이 건물을 밀어 올리기 때문이다.
1장. 고층빌딩이 안전한 이유

우리는 에너지를 주로 질적으로 이해한다. 우리가 약한 건 에너지를 양적으로 이해하는 것이다. 그것이 우리가 항상 가스요금 고지서에 분노하는 이유이고, 세계가 끝없이 에너지 위기의 낭떠러지를 걷는 이유이며, 사람들이 사용하는 에너지보다 훨씬 많은 에너지를 먹어대 목숨까지 위태로운 병적 비만 상태가 되는 이유다. 에너지를 측정하는 방법을 아는 것은 에너지가 무엇이고 그것이 어떻게 세상을 움직이는지 이해하기 위한 좋은 방법이다.
2장. 난방은 쉬워도 냉방은 어렵다

우리 골격은 줄만 없을 뿐 꼭두각시나 다름없고 따라서 우리 몸도 단순기계처럼 작동한다. 손가락과 발가락, 손발, 팔다리, 그리고 그 밖의 모든 것. 인체의 뼈와 관절은 거의 다 지레처럼 작동한다. 인체의 움직임과 힘이 지레의 원리 하나로 설명된다. 뇌와 내장을 빼면 인간은 그저 단순기계에 지나지 않는다.
3장. 슈퍼히어로 되는 법

자전거에 가장 들어맞는 비유는 현수교일 것이다. 자전거의 전체 무게가 양쪽 허브를 내리누르듯 현수교 무게의 대부분이 교상(다리 상판)을 내리누른다. 자전거가 바큇살들에 걸려 있듯 교상은 수직 케이블들에 매달려 있다. 자전거 바퀴가 회전하면서 각각의 바큇살에 걸리는 인장력은 매 순간 변하지만(허브 위의 바큇살들이 허브 아래 바큇살들보다 미세하게 더 늘어난다), 전체 바큇살이 받는 인장력은 항상 균일하다.
- 4장. 자전거와 빵 반죽의 공통점

빛을 우리의 편의를 위해 우주와 세계의 어둠을 밝혀주는 거대 우주 손전등의 출력물 정도로 생각하는 것은 인간의 무식과 안이함의 소치다. 빛은 그보다 훨씬 더 근본적인 이유로 존재하며, 동물의 시각이란 진화 과정에서 거기 편승해 우연히 얻은 능력일 뿐이다.
5장. 볼 수 있는 전부이자 결코 볼 수 없는 것

빛은 왜 그렇게 빠를까? 아무 의미 없는 질문이다. 은하수 속 수많은 ‘자갈’ 중 하나에 바글바글 올라앉아 있는 인간 크기의 생물에게는 빛이 엄청나게 빨라 보이지만, 우주 반대편에서 이메일이 도착하기를 1,000억 년 동안 기다리는 입장이라면 빛이 그리 빨라 보이지 않는다. 열심히 생각하다 보면 이 문제는 이내 물리학에서 철학으로 바뀐다. ‘빛은 왜 그렇게 빠른가?’에서 ‘빛은 왜 존재하는가?’ 또는 ‘빛은 무엇인가?’로. 그리고 우리 중 누구도 그 미스터리에 대한 답을 내지 못할 것 같다.
- 6장. 봉화에서 스마트폰까지

한겨울에 난방을 완전히 하지 않고 두어 주 집을 비웠다가 돌아왔다 치자. 집을 다시 덥히는 데 족히 2~3일이 걸린다. 왜 그럴까? 집이 평소보다 더 냉각됐기 때문만은 아니다. 그보다는 집에 있는 모든 물체의 모든 원자와 분자가 (이론적으로) 운동에너지를 일부 잃었기 때문이다. 집을 평소의 아늑한 상태로 되돌리기 위해서는 그 안에 있는 모든 원자를 데워야 한다. 의자, 탁자, 책, 베개, 펜, 연필, 액자 등 모든 것의 모든 원자. 절대적으로 모든 것. 이것이 집을 다시 덥히는 데 오래 걸리는 이유다.
7장. 난방은 쉬워도 냉방은 어렵다

우리는 영양을 건강의 관점에서, 즉 생물학적 견지에서 생각하는 경향이 있다. 하지만 소화처럼 영양도 물리학의 영역이다. 우리가 입과 배에 넣는 것이 우리가 앞으로 몇 시간, 며칠, 몇 주 동안 할 수 있거나 할 수 없는 것을 정의한다. 다만 겉보기에는 명백하지 않을 수 있다. 우리 중 가장 마른 사람도 때때로 발생하는 공급 부족에 대비해 체지방을 비교적 넉넉히 보유하고 있기 때문이다. 살이 쪘다? 엄밀히 말해서 그건 너무 많이 먹어서라기보다(얼마만큼 먹는 게 너무 많이 먹는 걸까?) 몸이 먹은 만큼 에너지를 쓰지 못했기 때문이다. 이 경우 물리법칙을 만족시키려면 잉여분에 대해 뭔가 행해져야 한다.
- 8장. 다이어트의 과학

차나 커피를 저을 때 우리가 정말로 하는 거라고는 유체를 수평으로 빙빙 돌리는 것뿐이다. 그보다는 사납게 마구 젓는 게 목적 달성에 훨씬 효과적이다. 예를 들어 한 방향으로 젓다가 갑자기 반대 방향으로 젓기를 반복하는 거다. 나로 말하자면 난폭하게 젓는 게 생활화돼서 음료의 반은 늘 밖으로 쏟아진다.
9장. 달리는 페라리에 왜 먼지가 쌓일까?

들어가는 글

1. 고층빌딩이 안전한 이유 - #중력 #운동법칙
2. 살이 찔수록 왜 계단이 싫어질까? - #에너지 #전력
3. 슈퍼히어로 되는 법 - #지레 #빗면
4. 자전거와 빵 반죽의 공통점 - #바퀴 #마찰
5. 볼 수 있는 전부이자 결코 볼 수 없는 것 - #빛 #전자
6. 봉화에서 스마트폰까지 - #전자기파 #광속
7. 난방은 쉬워도 냉방은 어렵다 - #열역학 #엔트로피
8. 다이어트의 과학 - #칼로리 #연소
9. 달리는 페라리에 왜 먼지가 쌓일까? - #기류 #유체역학

미주
찾아보기