생활과 과학(상): 결정론적 세계관의 종말

아침에 일어나면 제일 먼저 핸드폰을 찾아서 카톡을 들여다본다. 인류가 전자문명 시대에 들어선 것은 사실 얼마 되지 않은 일이다. 1947년 벨연구소에서 트랜지스터를 발명함으로써 우리는 실리콘 기반의 전자 문명의 씨앗을 심었으며, 그 이후 반도체 소자는 소형화, 저전력화, 고도의 직접화를 이루면서 소형 컴퓨터 시대를 열었다. 트랜지스터는 인류가 만들어낸 인공발명품이다. 인간의 위대한 점은 자연법칙을 인위적으로 조작하여 자연의 진화과정에서는 볼 수 없는 새로운 인공장치들을 만들어낼 수 있다는 것이다. 아마존의 밀림 숲속을 아무리 돌아다녀도 트랜지스터와 같은 물건은 진화과정에서 저절로 생겨나지 않는다. 인류는 사회를 형성하여 살아가면서 다양한 문명의 진보를 겪었다. 현재와 같은 과학적 사고의 틀 속에서 자연을 이해하기 시작한 것은 17세기 과학혁명 이후라고 할 수 있다. 17세기 이후 인류는 다양한 분야에서 과학을 발전시켰으며 오늘날과 같은 고도의 물질문명을 발전시켰다.

우리가 생활 속에서 당연하게 여기는 것들도 사실은 인류의 과학기술 발전의 산물이다. 17세기부터 19세기까지 "기계론적 세계관"에 바탕을 둔"결정론적인 과학"이 확립되었다. 이 시기에 형성된 역학, 전자기학, 열역학은 "산업혁명"에 따른 기술, 산업, 통상, 경제의 발전 등과 함께 서로 영향을 주면서 발전하였다. 19세기말과 20세기 초에 "진화론"의 발전, "화학의 발전", "양자물리학"의 발전은 생명현상과 미시세계를 이해하는 새로운 창을 열어주었다. 전기전자소자들은 모두 양자론적인 원리에 바탕을 두고 동작한다. 심지어 생명체의 세포와 생화학적 작용도 전자기학과 양자론에 기반을 두고 설명해야 한다.

우리 주변에서 볼 수 있는 다양한 현상들은 과학적 기반으로 설명할 수 있을 것이다. 심지어 인간이 모여서 만든 사회 속에서 인간의 행동조차도 과학적으로 설명 가능할 것이다. 다만 그 현상을 설명하기 위한 과학적 법칙이나 도구를 우리가 아직 이해하고 있지 못한 경우가 많기 때문에 어떤 현상들은 설명할 수 없는 것처럼 보인다. 이 책은 저자가 인하대학교에서 수년간 강의한 "생활과 과학" 강의록에 바탕을 두고 집필한 것이다. 이 과목은 학년, 학과에 상관없이 누구나 수강할 수 있는 과목이다. 처음 강의 제목은 "생활 속의 과학"이었다. 그 후에 "인체와 과학" 과목이 추가되었다.

현재는 두 과목을 융합하여 "생활과 과학"으로 개편하여 강의하고 있다. "생활과 과학"은 생활 속에서 접하게 되는 다양한 과학적 현상, 장치, 도구 등에 대해서 간단한 원리를 소개하고 그 동작 원리를 설명함으로써 과학에 대한 친밀감을 높이기 위해서 개설하였다. 이러한 목표에도 불구하고 과학 자체의 딱딱함과 저자의 능력 부족으로 생활과 과학에 대한 다양한 평가를 접하게 되었다. 생활과 과학에 대한 다양한 교재들이 있지만 일반인들이 쉽게 이해하기 어려운 경우가 많고 최근의 과학적 내용들이 부족한 경우가 많았다. 이 책은 생활 속의 과학적 현상, 인체와 관련된 현상들을 물리학, 화학, 생물학, 지구과학, 공학등자연과학과공학적원리에기반을두고서설명하려고 노력하였다.

책을 구성할 때 수식을 최대한 줄이려고 노력하였지만 어쩔 수 없이 기본적인 수식을 도입한 경우가 있다. 원리나 현상은 과학의 역사와 그 배경을 설명하려고 노력하였으나 깊이 있게 다루지 못하였다. 많은 과학적 원리들은 지식의 축적 속에서 이루어졌다. 물론 어떤 위대한 과학자가 혁신적인 이론이나 법칙을 발표한 경우도 있지만 그 경우도 그 분야에서 많은 과학적 축적이 있었다는 것을 알 수 있다. 우리는 많은 과학자들의 도움으로 오늘날 수많은 현상들을 설명할 수 있다. 과거에는 신의 뜻이었거나 점쟁이에게 물어봤어야 할 것들도 과학적 원리로 설명 가능하다. 우리는 데카르트, 갈릴레이, 뉴턴, 패러데이, 맥스웰, 다윈, 아보가드로, 볼츠만, 플랑크, 러더퍼드, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등이 발견한 원리들을 이용하여 다양한 과학적 현상들을 설명할 수 있다.

이 책은 가볍게 읽을 것을 권한다. 잘 이해되지 않는 부분이 있으면 검색하거나 웹사이트에서 서핑하면서 내용을 찾아볼 수 있을 것이다. 다만 현재의 웹사이트에서 제공하고 있는 많은 내용들 중 검증되지 않은 것들이 많기 때문에 공신력 있는 웹사이트에서 찾은 내용을 비판적으로 받아들일 것을 권한다. 데카르트가 얘기했듯이 모든 것을 회의하고 위대한 과학자가 얘기한 것이라도 비판적 사고로 비평하기를 권한다.

제1장 우주의 중심은 있는가?

1.1 상대성과 우주의 중심

1.2 과학과 측정

1.3 생활과 길이

1.4 생활과 시간

1.5 생활과 질량

1.6 표준의 재정의



제2장 결정론의 종말

2.1 고전역학

2.2 뉴턴역학

2.3 물체의 운동

2.4 원숭이의 딜레마

2.5 작용과 반작용의 법칙

2.6 충돌과 충격

2.7 마찰력

2.8 행성운동의 근원

2.9 결정론의 종말과 나비효과



제3장 화석연료의 종말

3.1 일과 에너지

3.2 운동 에너지와 일

3.3 위치 에너지와 역학 에너지

3.4 화석연료의 종말

3.5 신에너지와 대체에너지



제4장 돌고 도는 세상

4.1 회전 운동

4.2 원심력

4.3 각속도와 각가속도

4.4 롤러코스터와 겉보기 힘

4.5 돌림힘

4.6 각운동량

4.7 회전 운동 에너지

4.8 자전거는 왜 빨리 달릴수록 안정한가?



제5장 물의 행성 지구

5.1 밀도

5.2 압력

5.3 대기압

5.4 타이타닉호의 비극

5.5 빙산과 지구온난화

5.6 급류와 난류

5.7 인체의 혈액 순환

5.8 내 속에 내가 너무도 많아



제6장 시간의 화살

6.1 화석연료와 산업혁명

6.2 온도

6.3 표준온도

6.4 열, 일 그리고 에너지

6.5 열팽창

6.6 열전달

6.7 인체의 열손실

6.8 열역학 법칙

6.9 비평형과 생명



제7장 진동하는 세상

7.1 단순조화 진동

7.2 진동이 인체에 미치는 영향

7.3 파동

7.4 정상파

7.5 음파

7.6 도플러 효과

7.7 비선형 진동과 혼돈

이재우 인하대학교 물리학과 교수
학위: KAIST, 통계물리학
연구분야: 통계물리학, 복잡계, 경제사회물리학