[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (5장 중력) "중력은 수천만 광년의 먼 거리까지 작용하는 원거리 상호작용이다.'"

📕 도서 정보

 

파인만의 여섯가지 물리 이야기

『파인만의 여섯 가지 물리 이야기』 보급판 . 흔히 아인슈타인 이후 최고의 천재로 평가되는 미국의 물리학자 파인만이 물리학의 진수를 일상적인 언어로 풀어냈다. 리처드 파인만은 원래 물리학계에 천재적인 인물로 소문이 났지만, 그의 가장 큰 장점은 무엇보다도 '어려운 내용을 쉽게 풀어내는' 흔치 않은 재능을 타고났다는 것이었다. 더군다나, 물리학의 전문가가 아닌 일반 학부생을 대상으로 하는 강연이었기 때문에, 파인만의 설명은 간결하면서도 조리있고, 유머러스하면서

저자

리처드 파인만

출판

승산

출판일

2003.01.06

 

📚 책과 저자

리처드 파인만(Richard Feynman, 1918-1988)은 20세기 가장 탁월한 이론물리학자 중 한 명으로, 1965년 양자전기역학(QED) 분야의 업적으로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는 뛰어난 과학자일 뿐만 아니라 탁월한 교육자로서도 유명했으며, 복잡한 물리 개념을 명확하고 이해하기 쉽게 설명하는 능력으로 많은 사람들에게 영감을 주었습니다.

'파인만의 여섯가지 물리이야기(Six Easy Pieces)'는 파인만이 캘리포니아 공과대학(Caltech)에서 진행한 유명한 '파인만 물리학 강의(The Feynman Lectures on Physics)' 중에서 일반인도 이해할 수 있는 여섯 개의 기초적인 강의를 모은 책입니다. 이 책은 원자, 물리 법칙의 기본 개념, 에너지 보존, 중력, 양자역학 등의 주제를 다루고 있습니다.

파인만은 이 책에서 복잡한 물리학적 개념을 일상적인 비유와 직관적인 설명을 통해 풀어냅니다. 그의 강의 스타일은 공식적인 수학적 표현보다는 물리적 직관과 개념적 이해에 중점을 두고 있어, 물리학을 처음 접하는 사람들도 쉽게 이해할 수 있습니다.

'파인만의 여섯가지 물리이야기'는 단순히 물리학 지식을 전달하는 것을 넘어 과학적 사고방식과 자연을 바라보는 관점을 제시합니다. 파인만은 자연 현상에 대한 호기심과 질문의 중요성을 강조하며, 과학이란 단순히 사실을 암기하는 것이 아니라 세상을 이해하는 방법이라고 가르칩니다.

이 책은 물리학 입문서로서 전 세계적으로 큰 인기를 얻었으며, 파인만의 가르침이 담긴 다른 책들('Six Not-So-Easy Pieces', 'QED: The Strange Theory of Light and Matter' 등)과 함께 과학 교육의 고전으로 자리 잡았습니다. 파인만의 명쾌한 설명과 독특한 통찰력은 오늘날까지도 많은 과학자와 학생들에게 영감을 주고 있습니다.

 

📖 내용 요약

1. 움직이는 원자: 이 강의에서 파인만은 모든 물질의 기본 구성 요소인 원자의 개념을 소개합니다. 원자의 끊임없는 움직임과 상호작용이 우리가 관찰하는 모든 자연 현상의 기초가 됨을 설명하며, 브라운 운동과 같은 일상적 현상을 통해 원자의 존재를 이해하도록 돕습니다.
2. 기초 물리학: 이 강의에서는 물리학의 근본 개념과 과학적 방법론을 다룹니다. 관찰, 가설 설정, 실험적 검증으로 이어지는 과학적 프로세스를 강조하며, 물리 법칙이 어떻게 발견되고 정립되는지 설명합니다.
3. 물리학과 다른 과학과의 관계: 이 강의에서는 물리학이 화학, 생물학, 지질학 등 다른 과학 분야와 어떻게 연결되어 있는지 탐색합니다. 파인만은 모든 자연 현상이 궁극적으로 물리 법칙에 기반하지만, 각 학문 분야가 고유한 접근 방식과 중요성을 가지고 있음을 설명합니다.
4. 에너지의 보존: 이 강의는 자연계에서 에너지가 다양한 형태로 변환되지만 총량은 항상 보존된다는 중요한 물리 원리를 다룹니다. 위치 에너지, 운동 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지 형태와 그 전환 과정을 이해하기 쉽게 설명합니다.
5. 중력: 이 강의에서는 뉴턴의 중력 법칙부터 아인슈타인의 일반 상대성 이론까지, 중력에 대한 우리의 이해가 어떻게 발전해왔는지 탐색합니다. 중력이 작용하는 방식과 그것이 우주의 구조에 미치는 영향을 설명합니다.
6. 양자적 행동: 마지막 강의에서는 미시 세계를 지배하는 양자역학의 기본 원리를 소개합니다. 이중 슬릿 실험과 같은 핵심 실험을 통해 양자역학의 확률적 특성과 불확정성 원리와 같은 직관에 반하는 개념들을 이해하기 쉽게 설명합니다.

 

💫 인상 깊은 구절들

이 우주 안에 존재하는 모든 물체들은 다른 물체를 무조건 끌어당기는 성질이 있는데, 그 힘의 크기는 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.

임의의 물체에 힘이 가해지면 그 물체는 힘의 방향을 따라 자신의 질량에 반비례하는 가속도를 냄으로써 외부의 힘에 반응을 보인다.

케플러가 알아낸 사실 첫 번째 : 행성들의 궤적이 타원형이며, 타원의 내부에 있는 두 개의 초점 중 한 곳에 태양이 위치하고 있다. 

케플러가 알아낸 사실 두 번째 : 태양 주위를 공전하는 행성의 속도가 일정하지 않다.

행성의 공전 속도는 '일정기간 동안 반경벡터가 쓸고 지나간 면적이 항상 동일해지도록' 수시로 변한다. 이렇게 되려면 행성은 태양과 가까울 때 빠르게 움직이고, 태양과 멀어졌을 때에는 느리게 움직여야 한다.

임의의 행성의 공전주기와 공전궤도의 크기는 서로 밀접하게 연관되어 있다. (중략) 행성의 공전주기는 궤도 크기의 3/2승에 비례한다.

어떤 물체가 외부로부터 아무런 영향도 받지 않은 채로 움직이고 있다면, 그 물체는 지금의 빠르기와 진행 방향을 유지하면서 영원히 직선운동을 하게 된다. (왜 그럴까? 우리는 아직도 그 이유를 모르고 있다. 하지만 어쨌거나 모든 물체는 그런 식으로 움직인다.)

물체에 힘을 가아여 발생한 가속도의 크기는 그 물체의 질량에 반비례하며, 이를 달리 표현하면 힘은 물체의 질량과 가속도의 곱에 비례한다고 말할 수 있다.

행성이 원궤도(타원궤도)를 유지하는데 접선방향의 힘은 전혀 필요하지 않다.

태양의 주변을 공전하기 위해서는 원궤도의 방향으로 작용하는 힘이 아니라, 바로 태양 쪽을 '향하여' 작용하는 힘이 필요하다. 이것은 뉴턴의 제 1법칙, 관성의 법칙으로 설명될 수 있다.

행성이 같은 시간동안 동일한 면적을 쓸고 지나간다는 관측 결과를 수학적 논리로 증명하는데 성공했다. 그것은 바로 '행성에 가해지는 모든 힘은 오로지 태양을 향하는 방향으로만 작용한다'는 가설로부터 자연스럽게 유도되는 결과였던 것이다.

임의의 두 물체 사이에는 물체를 잇는 선분 방향을 따라 서로 잡아당기는 힘이 작용하며, 힘의 크기는 두 물체 사이 거리의 제곱에 반비례한다.

자유낙하하는 물체는 처음 1초 동안 약 4.9m 정도 떨어진다. 그리고 수평으로 발사된 물체(총알이나 포탄) 역시 처음 1초 동안 수직 방향으로 4.9m 가량 떨어진다. (중략) 총알과 같이 속도가 빠른 물체는 1초 동안 매우 먼 거리를 날아가지만 (약 500 ~ 600m) 수평방향으로 발사된 총알이라면 여전히 처음 1초 사이에 4.9m '떨어질' 것이다.

초속 8km로 발사된 총알은 매 초당 4.9m씩 떨어지면서도 지면과의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 총알뿐 아니라 지구의 표면도 같이 '휘어지기' 때문이다.

지구와 달이 '하나의 공통된 지점'을 중심으로 동시에 공전하고 있다는 뜻이다. 그러므로 지구와 달은 분명히 중력의 영향으로 '떨어지고' 있으며, 그 결과로 지금과 같은 원운동이 유지되고 있는 것이다.

지구는 달을 일방적으로 거느리는 것이 아니라, 둘 다 공평하게 원운동을 함으로써 중력에 의한 추락을 견뎌내고 있다.

지구의 뒤편에 있는 바닷물은 지구의 공전중심보다 달의 인력을 적게 받으므로, 이곳에서는 방금 서술한 평형이 이루어지지 않고 원심력에 의해 바닷물의 수면이 높아진다. 그리고 달에서 보이는 쪽의 바닷물은 달의 인력이 커서 역시 평형을 이루지 못하고 달쪽으로 끌려가기 때문에 수면이 높아진다. 바로 이러한 이유 때문에 조석현상은 하루에 두 번씩 일어나게 되는 것이다.

중력은 모든 것들을 서로 끌어당기게 하고, 당기는 힘은 거리에 따라 변하기 때문에 같은 거리에 있는 동일한 물체들은 중력의 크기가 같다. 즉, 지구 표면은 중심으로부터 거리가 모두 같기 때문에 동일한 중력이 작용하여 지금과 같은 평형 상태를 유지하고 있는 것이다.

중력은 수천만 광년의 먼 거리까지 작용하는 '원거리 상호작용'임이 분명하다. 지금까지 알려진 바에 의하면, 중력은 거리의 제곱에 반비례하면서 무한히 먼 곳까지 작용하는 듯 하다.

중력 자체의 힘은 너무나 약하다.

전기력의 세기가 중력의 4.17 x 10^42배다.

빛이 양성자를 가로지르는 데 걸리는 시간을 생각해보자. 이것은 약 10^-24초이다. 현재 알려진 우주의 나이는 대략 2 x 10^10년인데, 이 값을 10^-24초로 나누면 그 결과 역시 10^-42이다. 0의 개수가 42개로 같다는 사실만으로도, 우주의 나이와 중력상수는 무언가 깊은 관계에 있다는 심증을 가질 만하다.

10억 년은 지구상에 생명체가 존재해온 기간이며, 우주 나이의 1 / 10에 해당되는 시간이다. 앞에서 제시한 추론이 맞다면, 10억 년 전의 중력은 지금보다 10% 정도 컸을 것이다. (중략) 태양은 지금보다 10%정도 더 밝았을 것이다. 지구와 태양 사이의 거리는 지금보다 훨씬 더 가까웠고, 지구의 온도는 지금보다 100 도씨 정도 더 뜨거웠을 것이며, 따라서 모든 물은 바다가 아니라 수증기의 형태로 존재했을 것이므로 생명은 바다에서 시작되지 않았을 것이다.

중력이 질량에 비례한다는 것은 분명한 사실이다. 질량이란 관성의 척도로서, 원운동하고 있는 물체를 계속 붙잡아 두는 데 얼마나 큰 힘이 들어가는지를 나타내는 양이기도 하다.

중력의 크기를 좌우하는 질량과 관성의 크기를 결정하는 질량이 정확하게 같다는 것은 참으로 흥미로운 사실이다.

중력이 전달되는 데에도 분명히 시간이 소요된다.

에너지와 질량은 동일한 실체로서 에너지가 있는 곳에 반드시 질량이 존재한다(여기서 질량이란, 중력에 의해 끌리는 질량을 의미한다). 심지어 빛조차도 질량을 갖는다. 빛은 에너지를 실어 나르기 때문이다. 그래서 빛이 태양 근처를 스쳐 지나갈 때에는 태양의 중력에 '끌려서' 빛의경로가 휘어지는데, 이 현상은 실험을 통해 사실임이 확인되었다.   

DALL-E, 다이어그램 파인만

💭 나의 사색

행성의 공전 궤도가 타원이라는 말은 여러 번 들었다. 그런데 타원의 성질에 대해서는 들어본 적이 없었다. 원은 하나의 초점이 있고 타원에는 두 개의 초점이 있다는 사실은 처음 들었다. 그리고 행성의 궤도의 두 초점 중 하나가 태양이라는 것도 처음 들었다. 그리고 행성이 태양에 가까운 곳에서는 공전 속도가 빨라진다는 것도 처음 들었다!

신기한 것은 행성이 공전하면서 쓸고지나가는 타원의 면적이 언제가 동일하다는 것도 놀라웠다. 그래서 태양의 주변에서 공전 속도가 빨라지는 것이었다! 

처음 듣는 것 투성이다. 행성이 공전 궤도를 쓸고 지나갈 때 접선 방향으로는 힘이 필요하지 않다는 사실과 태양 방향으로만 힘이 작용하고 있다는 사실도 신기했다. 결국 직선운동을 하는데에는 관성의 법칙이 적용되어 추가적인 힘이 필요하지 않는다는 것이다. 그런데 궤도를 유지하려면 태양 방향으로 작용하는 힘이 필요하다. 그것이 중력인 것이다! 놀랍다!

그리고 지구가 달은 거느리고 있는 줄 알았는데, 사실은 지구와 달은 서로를 끌어당기는 상호작용을 하고 있는 것이었다. 사실 서로가 서로를 향해 '떨어지고' 있는 중이었던 것이다. 그런데 서로를 향해 떨어지는 작용이 현 상태를 유지하게 하는 힘이라고 한다! 내 머리로는 이해가 어렵긴 하지만 신기할 따름이다! 서로를 향해 떨어지고 있는 중이었다니! 물론 바닥에 떨어지지는 않지만... ㅎㅎ

이런 중력은 수천만 광년 거리까지 작용하는 힘이라고 한다. 전기력에 비해 터무니 없이 작은 힘이지만, 우주 저 끝에서 저 끝까지 영향을 미치고 있는 것이다. 마치 저주파가 고주파보다 더 멀리갈 수 있는 것과 같은 느낌인 것일까!   

 

✍️ 마무리 생각

중력이 가장 강력한 힘인 줄 알았다. 행성을 운행하는 힘이기 때문이다! 하지만 전기력에 비해 거의 없다고 할 수 있는 정도의 힘이었다는 사실이 놀랍다! 그리고 그렇게 작은 힘임에도 불구하고 수천만 광년까지 떨어진 곳에 그 영향을 미친다는 것도 정말 놀랍다! 만물은 서로를 끌어당기는 힘을 가지고 있다고 한다. 나도 그런 힘을 키워가야겠다. 왜냐하면, 끌어당기는 힘은 수천만 광년이 떨어진 곳에도 미치니깐, 나의 끌어당기는 힘도 지구 저 멀리 어딘가에 있는 소중한 존재에게 닿을 수 있지 않을까 하는 생각이 들었기 때문이다.

 

📚 다른 챕터로 넘어가기

(1~2장 : 움직이는 원자 / 기초물리학)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리퍼드 파인만 (1~2장) "미래를 정확히 예측하는 것은 불가능하

(3장 : 물리학과 다른 과학과의 관계)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (3장) "우리는 각자 명백하게 고유하다."

(4장 : 에너지의 보존)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (4장 에너지의 보존) "에너지 보존 법칙은 사실

(5장 : 중력)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (5장 중력) "중력은 수천만 광년의 먼 거리까지

(6장 : 양자역학)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (6장 양자역학) "우리가 알 수 있는 것은 오로지