사랑하지않을수없는물리학,뭐가매력이라는걸까?
과학자처럼생각하고바라보기의멋짐에대하여
40여년전,십대시절물리학과사랑에빠졌다는저자의고백으로이책은시작된다.대부분의사람들에겐좀처럼다가가기쉽지않은과목인물리학,무엇이과학자짐알칼릴리로하여금평생토록물리학을‘사랑하게’만들었을까?
알칼리리는몇가지이유를꼽는다.우선자신이물리학에다소재능이있다는걸깨닫고나니더좋아지기도했다는솔직한고백을시작으로,퍼즐풀이와상식을재미있게섞어놓은듯하고자연과우주의비밀을풀어나가는물리학이너무나매혹적이었다고말한다.
또한그는실험과이론이완벽하게협력하면서진보를향해나아간다는특징을물리학의특별한지점으로꼽는다.지질학이나생물학같은관찰과학이데이터수집,꼼꼼한실험설계와검증으로이해를넓혀간다면,물리학은그런실험을바탕으로이론적도약을감수해야하는부분이존재한다.기존에확립된이론에부합하는이론을발판으로물리학자는다시연구하고검증하고,새로운이론을세상에내놓는다.알칼리리는이를‘물리학만큼이론과실험이나란히손을잡고끌어주면서서로에게다음발디딜곳을가르쳐주는학문은없다’는말로표현한다.
현대물리학은지금도끝없이변화하고연구를거듭해나가고있는학문이다.뉴턴,디랙,힉스,슈뢰딩거,아인슈타인,스티븐와인버그에이르기까지,이미규명되었다고생각한지점에서또다시생겨나는새로운난제를물리학은꿋꿋이놀라운방식으로풀어왔다.『어떻게물리학을사랑하지않을수있을까?』에서는이렇게복잡한미로속을헤매고때로는부침을겪으면서도마침내진리를향해가는물리학의멋짐을모두와공유하고픈저자의진지하고도다정한에너지가행간마다전해진다.
이론물리학자이자과학커뮤니케이터인저자가알기쉽게설명하는
방대하고고차원적인물리학의흐름과발전
이책의특별한점은비전공자에게는특히멀게느껴지는물리학이라는학문을대중에게명확하고간결한언어로설명하는데성공했다는점이다.‘과알못’은물론이고과학에관심이있는사람이라도현대물리학의정수라고불리는양자역학,상대성이론등을충분히잘이해하기란무척어렵다.시간과공간,넓디넓은우주와작디작은양자세계,이론물리학과생활속물리학까지직관적으로이해할수있게다루는이책의내용은과학적지식뿐아니라방법론과철학적인부분까지망라한다.물리학전반의흐름과현대물리학을이끄는3대이론과가장최신의논의도비전공자가알아두면좋을선에서짚어준다.
이방대한부분을작은책한권에효과적으로펼쳐보일수있었던비결은그자신이양자물리학자이면서과학커뮤니케이터로서BBC과학다큐멘터리를인기리에진행한바있는저자의내공이다.복잡한공식을설명하는교과서같은설명들을떠올렸다면,이책에서저자가어려운수식없이펼치는친근한스토리텔링에놀라게될것이다.저자는실제로과학팟캐스트와다큐멘터리를통해동시대과학자들의최신지식을대중에게잘소화되게전달하는탁월한능력으로,대중과과학의소통을진전시킨공로자에게수여하는스티븐호킹메달을최초수상하기도했다.아무리들어도잘이해할수없었던물리학의개념과흐름에대해감을잡고싶다면이책을펼쳐보자.
“물리학,어디까지와있는가?”
가장최신의물리학을한눈에보기
지금이순간가장최신의물리학이어디까지와있는지쉬운언어로알아보고싶은독자에게도이책은무척유용하다.양자역학,상대성이론이후의물리학이어디까지와있는지에관심있는과학덕후들에게도흥미진진할것이다.
19세기가저물무렵물리학은완성된듯보였다.뉴턴역학,전자기학,열역학을발전시켜모든물체와현상(포탄,시계,폭풍,증기기관,자석,모터,진자,행성…)을성공적으로설명할수있는것같았다.하지만물리학자들이물리학의미시구성성분인원자와분자로관심을돌리자,기존물리학으로는설명할수없는새로운현상들이발견되기시작했다.
이것이현대물리학의시작이자이책이주목하는부분이다.저자는단순히물리학의이론과개념에대해설명하기보다물리학이론이어떻게발전해왔느냐에집중한다.양자역학의개척자에르빈슈뢰딩거의이야기부터시작해끈이론,고리양자중력등양자이론에서시작한물리학계의이야기를펼쳐놓는다.예컨대소립자가사실숨겨진차원에서진동하는작은끈이라고말하는‘끈이론’은시공간안‘물질’의양자역학적속성에서시작한다.고리양자중력은시공간이담은물질보다‘시공간자체’가더근본적개념이라고보는데서시작한이론이다.
이렇게기존의이론을발판삼아새로운이론으로뻗어나가는과정을통해물리학자의연구는진보한다.실험과이론이함께발맞추어나아가는그과정이저자가사랑하는물리학의핵심이라할수있다.이책의물리학설명이쉽게와닿는다면이렇게과학적진보의흐름에주목하는저자의시선때문일것이다.이론의심연을파고들기보다는이론의전개를따라가면서,물리학이발전하고진보하는원리를알려주는것이다.
과학과지식에대한사랑에서자연스럽게스며나오는
세상에대한개방적자세
물리학자처럼생각하고검증하며세상을바라보는방법을이야기하는이책에서가리키는과학자적태도의핵심은,바로의심을수용하는개방성이다.편견이나고정관념에지배당하지않고,새로운실험이나오면기존이론이폐기될수있음을가정하는개방성의학문이과학이라는것이다.대중은과학자들이실험실에서혼자연구를하거나완벽한공식만을추구하여현실과유리된일을한다고생각하지만,과학,특히물리학은실험과이론이협력해야만진보하는학문이며,기존의이론과실험위에서새로운이론이발전할수밖에없으므로어떤학문보다도공동체적학문의속성을가지고있다고말한다.
과학적방법론의‘동료심사’과정은바로이런공동체로서의내부수정절차다.과학자에게비판적평가는당연한절차다.견고한이론을이뤄내고,정직한이론에다가가기위해꾸준한의심과비판을수용하는과학자의개방성은저자가‘이세계를이해하는데다른대안은없다’고자신있게말하게하는객관적과학적방법론의본질이다.
저자가말하는‘물리학자가세계를바라보는방식’은과학자들만이아니라이세계를살아가는사람모두에게필요한것이기도하다.자신이믿는것이근본적으로언제든바뀔수있음을염두에두는태도,지식을사랑하는동시에다른의견에개방성을가지는자세.그럼으로써세상의진리에다가가는길을찾을수있다는점.이책이말하는물리학을‘사랑하지않을수없는’이유일것이다.
책속으로
이책은물리학에부치는송시입니다.
10대시절,저는물리학과처음사랑에빠졌습니다.솔직히제가물리학에재주가있다는것을깨닫고나니더좋아진면도있죠.물리학은퍼즐풀이와상식을재미있게섞어놓은과
목같았습니다.방정식과대수학기호를만지작거리며수치를집어넣으면자연의비밀이드러나는것이재미있었죠.서문_11쪽
인생의수수께끼에대한답을구하기위해어떤사람은종교에,어떤사람은다른이데올로기에,어떤사람은신념체계에의지합니다.하지만저에게는조심스럽게가설을세우고검증해서자연에대한사실을추론하는방법말고다른대안은없습니다.이것은과학적방법론의전형적인특징이죠.세상을이해하려는여러가지진리탐구방법이모두똑같이유효하다고,
과학특히물리학을통해세상을이해하는것도그중한가지에불과하다고저는결코생각하지않습니다.과학이야말로우리가신뢰할수있는단하나의방법이죠.서문_12쪽
과학에는다른분야와다른중요한차이점이한가지있습니다.널리뿌리내리고있던과학적관점이나오래된이론이단한번의세심한관찰이나실험결과만으로도쓸모없는퇴물이되어새로운세계관에자리를내줄수있다는점입니다.1.이해에서오는경외감_23쪽
세상에대한관점을송두리째바꾸어놓을중요한과학적발견이새로나왔다고해서,모든과학자가즉각적으로그것을받아들이지는않습니다.하지만그것은과학의문제가아니라그당사자들의문제일뿐입니다.과학의진보는멈출수없으며,진보는항상좋은것입니다.무지보다는지식과계몽이언제나나은법입니다.우리는무지의상태에서출발하지만모르는것을기어코알아내려합니다.그과정에서논란이생기기도하지만결국우리가밝혀낸것을무시할수는없죠.세상의실체에대한과학적이해라는문제에서‘모르는게약’이라는주장은쓰레기에불과합니다.더글라스애덤스가이렇게말한적이있죠.“언제라도무지에서오는경외감보다는이해에서오는경외감을택하겠다.”1.이해에서오는경외감_24쪽
과학분야는이론과실험의지속적인상호작용을통해진보하는데물리학은특히나그렇습니다.이론은예측이실험으로입증된동안에만시간의검증에서살아남을수있죠.좋은이론이라면실험으로검증할수있는새로운예측을내놓아야합니다.하지만그실험결과가이론과충돌할경우에는이론을수정하거나아예폐기해야합니다.역으로새로운이론이필요한,설명되지않는현상을실험실에서찾아낼때도있죠.이런협력관계가물리학만큼아름답게이루어지는과학분야는없을겁니다.이론수학의정리는논리,연역,공리적진리로증명됩니다.실제세상에서검증될필요가없죠.반면지질학,행동생물학,행동심리학같은분야는대부분관찰과학이라자연계로부터데이터를공들여수집하거나,꼼꼼하게설계된실험으로검증을해서이해를넓혀갑니다.하지만물리학은이론과실험이나란히손을잡고끌어주면서서로에게다음발디딜곳을가리켜줄때만진보할수있습니다.1.이해에서오는경외감_29~30쪽
철학,논리학,이론수학등과달리물리학은실증과학이자정량적과학(quantitativescience)입니다.물리학은재현가능한관찰,측정,실험으로개념을검증하는방식으로진행되죠.물리학자들이때로는색다르고기이한수학적이론을제안할수도있지만,그이론의효율성과진정한힘을평가하려면그것이검증가능한실세계의현상을기술하는지여부를따져야합니다.스티븐호킹이1970년대중반에블랙홀이에너지를방출하는현상인호킹복사(Hawkingradiation)에대해연구하고도노벨상을수상하지못한것도이때문이죠.노벨상은실험적으로확인된이론이나발견에만돌아가거든요.2.척도_43쪽
물리학의세계는17세기에들어서야어엿한학문으로자리잡게됐습니다.모든과학분야를통틀어가장중요한두가지장비가발명된덕이컸죠.바로망원경과현미경입니다.우리가맨눈으로볼수있는세상만이해할수있었다면물리학은그리발전하지못했을겁니다.2.척도_44쪽
19세기가저물무렵에는물리학이완성된듯보였습니다.물리학은뉴턴역학,전자기학,열역학을만들어냈고,이세가지영역이면포탄의궤적부터시계,폭풍,증기기관,자석,모터,진자,행성까지크기에상관없이모든물체의운동과행동,주변에서접하는거의모든현상을성공적으로설명할수있음을보여줬죠.이모든것을연구하는학문을통틀어‘고전물리학’이라고합니다.아직도우리가학교에서배우는내용은주로고전물리학이죠.고전물리학이꽤뛰어난것은사실이었지만모든것을설명하지는못했습니다.물리학자들이물리학의미시구성성분인원자와분자로관심을돌리자,기존물리학으로는설명할수없는새로운현상들이발견됩니다.지금껏사용해왔던법칙과방정식이그곳에서는더이상효력이없어보였죠.5.양자세계127쪽
미시적인양자세계와거시적인고전적세계사이의경계설정문제같은골치아픈논쟁거리는1930년대에에르빈슈뢰딩거에의해처음으로유명해졌습니다.당시슈뢰딩거는유명한사고실험을고안했죠.슈뢰딩거는양자역학분야의개척자이자창시자중한명이었음에도,양자역학의의미에대해스스로의혹을제시했습니다.그는방사성물질과치명적인독병이든상자속에고양이를집어넣으면무슨일이일어날지물었습니다.그상자는방사성물질이입자를방출하면그것을감지한장치가병에든독을흘려보내도록설계되어있습니다.5.양자세계_147쪽
과학의진정한가치는확실성에서나오는것이아니라,불확실성에대한개방성으로부터나옵니다.과학은현재의지식에의문을품고,더나은것이등장하면언제든더깊은지식으로대체할준비가되어있죠.다른분야에서는이런태도가변덕스러움으로여겨질지도모르겠습니다.하지만과학에서는그렇지않습니다.과학자가양질의정직과의심에흔들림없이전념할때비로소과학은발전합니다.10.물리학자처럼생각하기_273~274쪽
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물리학의눈으로바라보는세계는몇가지법칙으로깔끔하게설명되는명쾌함과우리의상식으로는도저히이해되지않는미지의신비가공존하는세계다.복잡한미로를헤매고때로는부침을겪어도마침내다같이진리를향해나아가는세계다.누구나물리학을사랑하기는쉽지않겠지만,누구나물리학이보여주는세계에,또과학자들이모여서한발한발나아가는모습에감탄하게될것이다.그리고감탄은사랑의첫번째단계다.어쩌면이책이당신의첫번째단계가될수있을지도모른다.김겨울_작가이자유튜버
물리의세계는정말기이함과놀라움으로가득하다.하지만짐알칼릴리가보여주듯,결코이해불가한영역은아니다.물리학의핵심원리에대한그의단순하고,심오하고,정확한설명이함께한다면일반독자도생각을넓히는물리지식에접근할수있다.
프랭크윌첵,2004년노벨물리학상수상자,『뷰티풀퀘스천』저자
알칼릴리는과학의대중화에앞장서온대단히재능있는과학자다.그가물리학적입장에서우주에대해,그관점을뒷받침하는증거에대해이야기한다.결과는대성공이다!
이언스튜어트,『신도주사위놀이를한다』저자
새로운주제들과익숙한주제들을하나로엮어현대물리학에대해포괄적으로설명하는책이다.알칼릴리는자기만의경쾌한화법으로이를아주훌륭하게해낸다.
페드루G.페레이라,『완벽한이론』저자
이작은책에얼마나거대한과학이담겨있는지!짐알칼릴리는서두르지않고방대한현대물리학을이해하기쉽게전체적으로조망한다.현대물리학자들이우주에서가장어려운문제들에대해어떻게생각하는지궁금한독자라면누구든이책을즐겁게읽을수있을것이다.
숀캐럴,『다세계』저자
이책은스스로과학에문외한이라생각하는독자라도쉽게읽을수있을정도로명료하고읽기편하게쓰였다.많은사람이읽어야할필독서다.
조슬린벨버넬,옥스퍼드대학교천체물리학과초빙교수
