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

📕 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

모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 이들은 영원히 운동을 계속하는 작은 입자로서 거리가 어느 정도 이상 떠어져 있을 때에는 서로 잡아당기고, 외부의 힘에 의해 압축되어 거리가 가까워지면 서로 밀어낸다.

입자들이 '떠는' 현상은 열(heat)의 개념으로 설명될 수 있다. 온도를 높인다는 것은 곧 운동을 증가시킨다는 뜻이다.

모든 사물들은 '시간'이라는 매개체 속에서 모양과 성질이 변해가고 있다. 무대 위에 등장하는 기본 요소들은 원자와 같은 입자(particle)들이다.

원자와 같은 입자들의 첫 번째 특성은 관성으로서 모든 입자들은 외부로부터 힘을 받지 않는 한 동일한 방향으로 계속 움직이려는 성질을 갖는다.

두 번째 특성은 힘이며 여기에는 원자들의 배열 상태를 결정하는 엄청나게 복잡 미묘한 상호작용이 있고, 그 크기가 거리의 제곱에 반비례하면서 아주 먼 곳까지 전달되는 부드럽고 조용한 인력 즉, 중력이다.

기체를 포함한 모든 물질은 정신없이 움직이고 있는 무수히 많은 입자들로 이루어져 있다.

압력은 벽 또는 이와 비슷한 곳에 원자들이 충동함으로써 나타나는 현상이다.

원자의 흐름이 한쪽 방향으로만 진행된다면 그것은 바람이 된다.

한정된 영역 안에서 원자들이 무작위적으로 난동을 치면 열이 발생한다.

중력은 너무나도 약한 힘이기 때문에 도저히 원자들을 한데 붙여놓을 수 없다.

원자들이 서로 가깝게 접근하면 서로 상대방의 내부구조를 '볼 수' 있게 되어 자신의 전하 배치가 달라지고, 그 결과 매우 강한 상호작용을 주고받게 된다. 그러므로 원자들 사이에 작용하는 힘의 근원은 '전기력'이라고 할 수 있다.

모든 원자의 중심에는 매우 무거운 핵(nucleus)이 자리 잡고 있다. 그 주위는 음전하를 띈 일단의 '전자(electron)'들이 에워싸고 있다.

핵의 내부구조를 들여다보면, 양성자(proton)와 중성자(neutron)의 집합으로 이루어져 있는데, 이 두 종류의 입자들은 크기가 거의 비슷하고 양성자는 양전하를 띠고 있으며 중성자는 전기적으로 중성이다.(즉, 전하를 갖고 있지 않다.)

여섯 개의 양성자가 핵 안에 들어있고 그 주변에 여섯 개의 전자가 에워싸고 있다면, 이 집합체는 원자번호 '6'인 탄소(carbon)원자가 된다.

원자마다 고유번호가 붙여져 있는 이유는 원자의 중요한 화학적 성질이 핵의 주변을 에워싸고 있는 전자의 '개수'에 의해 전적으로 좌우되기 때문이다.

전기력 - '양전하의 존재가 공간상에 어떤 상태(condition)를 형성하며, 그 안에 음전하가 들어오면 끌어당겨지는 힘을 느끼게 한다.' (전기장)

전하는 전기장을 만들어 내고, 전기장 속의 전하는 특정 방향으로 힘을 받아 움직이기 시작한다.

대전된 두 물체 사이에 작용하는 힘은 거리의 제곱에 반비례하는데, 물체를 '흔들면' 그 영향은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 먼 곳까지 전달된다.

물 위에 떠 있는 (중략) 코르크 조각을 빠르게 흔들면 새로운 현상이 나타난다. 즉 코르크의 떨림이 물에 전달되면서 '파동(wave)'이 발생하여 멀리 있는 곳까지 던달된다. (중략) 상호작용이라는 개념은 물의 존재를 통해 이해되어야 하며, 전기력의 경우에는 '전자기장'의 개념을 도입할 수 밖에 없다.

전자기파 속에 섞여있는 여러 파동들의 차이점이라고는 오로지 진동수(1초당 진동하는 횟수)뿐이다. (전기적 진동, 라디오파, FM, TV, 레이더, 빛(가시광선), X-선, 핵에서 방출된 감마선, 인공 감마선, 우주선 속의 감마선은 모두 같다. 진동수만 다를 뿐이다.)

전자기장이라는 개념과, 장이 파동을 실어 나른다.

진동수가 높아질수록 파동은 입자의 닮아가는 것이다!

원자의 기본적인 형태를 유지하려면 핵과 전자는 적당한 선에서 타협을 보는 수밖에 없다. 즉, 전자는 '적당한' 크기의 영역 안에서 '적당한' 속도를 유지해야 하는 것이다.

양자역학은 매우 흥미로운 과학 철학적 개념을 낳기도 했다. 아무리 이상적인 상황에서도 앞으로 어떤 일이 일어날지를 '정확하게' 예측하는 것이 불가능하다는 것이다.

'어떤' 원자가 '언제' 빛을 방출할 것인지를 알아내는 방법은 없다.

자연은 '앞으로의 일을 예측할 수 없는' 방식으로 운영되고 있는 것이다.

어떤 일이 일어날지 정확하게 예견할 수 없다 해도, 어떤 일이 일어난 '확률'은 알 수 있지 않은가!

세상의 모든 만물은 파동성과 입자성을 모두 갖고 있다.

양자역학은 장(field)과 파동(wave), 그리고 입자(particle)라는 개념들을 하나의 실체로 통일시켜버렸다.

모든 입자들이 자신의 파트너에 해당하는 '반입자(antiparticle)'를 갖고 있다고 말할 수 있는데, 이것은 놀랍게도 사실임이 입증되었다.

양성자와 중성자를 한데 묶어 놓는 힘의 정체는 과연 무엇인가?

핵력을 완전하게 이해하려면 양성자와 중성자 이외에 파이온을 추가해야 한다.

질량이 0이라 함은, 입자가 아무런 운동도 하고 있지 않은 상태, 즉 '정지질량(rest mass)'이 0이라는 뜻이다. 따라서 정지질량이 0인 입자들은 단 한순간도 멈춰 있을 수가 없다. 광자는 우주가 탄생한 이루로 지금까지 한시도 쉬지 않고 초당 300,000km의 속도로 달리고 있다.

자연계에 존재하는 상호작용은 핵력, 전자기력, 그리고 중력뿐이다. (힘의 크기 순)

핵의 내부에는 양자역학이 적용된다.

우리는 우주 탄생의 비밀을 알 수 없고, 우리가 갖고 있는 시공간의 개념을 극미의 영역에서 검증해본 적도 없다. 어떤 특정 규모 이상에서만 우리의 아이디어가 통한다는 것을 알고 있을 뿐이다.

DALL-E, 파인만

💭 나의 사색

세상의 모든 만물은 원자라는 입자로 이루어져 있다. 그런데 원자도 그보다 더 작은 양성자, 중성자, 전자라는 입자로 이루어져 있다. 그리고 이런 입자들이 상호작용하는 힘에는 세 가지가 있다. 양성자와 중성자가 똘똘 뭉쳐 핵을 이루게 하는 힘인 핵력. 그 핵과 전자가 일정 거리를 유지하게 하는 전기력. 그보다 더 큰 세상에서 서로를 끌어당기는 인력인 중력이다.

그리고 그런 입자의 성질에는 관성이 있다. 외부의 어떤 힘이 가해지지 않는 이상 현재의 상태를 유지하려는 특성이다. 와..! 이래서 습관을 만들기도 습관을 바꾸기도 힘든 것이었구나!! 습관을 만들거나 바꾸려면 외부의 어떤 힘이 가해져야 한다! 이런!! 그런데 우리는 뇌를 통해 행동한다! 그래서 우리는 뇌를 바꿔야 하는데, 뇌의 뉴런이 새로운 길을 형성하게 하려면 최소 20번은 반복해야 한다고 한다! 이런!!

또 신기한 것은 전기와 빛과 감마선이 모두 동일하다는 것이다! 1초에 진동하는 횟수만 다를 뿐이었다니! 너무 신기하다! 라디오선도, 빛도 모두 같다는 것이다! WOW!

 그리고 빛을 이루고 있는 광자는 정지질량이 0인데 이는 '정지한 상태로 존재할 수 없다'는 뜻이다! 그래서 광자는 우주가 생긴 이래로 단 한번도 달리기를 멈춘 적이 없다! 성경에서 하나님은 쉬지 않고 일한다고 하는 표현이 있는데, 어쩌면 하나님은 광자를 통해 일을 하고 있는건 아닐까!?

그리고 양자역학은 우리가 어떤 일을 정확히 예측할 수 없다는 것을 증명해버리고 말았다! 자연은 앞으로도 '예측할 수 없는' 방식으로 운영될 것이다! 그렇지만 우리는 어떤 일이 일어날 확률은 알 수 있다고 한다! 나의 미래가 어떨지 예측하는 것은 무의미하다. 왜냐하면 정확하게 알 수 없기 때문이다. 다만, 어떤 일들이 일어날 지 확률적으로 생각해 볼 수는 있을 것 같다.

그럼 나는 미래에 일어날 수 있는 위험에는 대비를 하고, 행운에는 준비를 해야겠다. 물론 그 대비와 준비는 '오늘' 해야한다. 예를 들어, 면접을 보는 것은 행운을 준비하는 기회다. 운동을 하는 것은 위험에 대비하는 기회다. 기회는 오늘 잡아야 한다.

어쨌든 나를 구성하고 있는 입자들의 특성을 보면 참 흥미롭다. 여러 가지 힘이 복합적으로 상호작용 하면서 나를 이루고 있기 때문이다. 핵력, 전기력, 중력이 나의 몸의 형태를 유지하고 있는 것 같다. 내가 어마어마 한 에너지 덩어리라는 사실이 믿기지 않는다. 

 

✍️ 마무리 생각

나를 알기 위한 여정에 과학이라는 동료가 꼭 필요한 것 같다. 앞으로 나를 찾아 떠나는 항해에 필수 선원으로 과학을 꼭 영입해야겠다.

 

📚 다른 챕터로 넘어가기

(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