세상은 왜 다른 모습이 아니라 이런 모습일까?

김범준

서울대학교물리학과에서초전도배열에대한이론연구로박사학위를받았으며현재성균관대학교물리학과교수로재직중이다.물리학자의눈으로본세상사와사람이야기에관한다수의책과칼럼을썼다.한국출판문화상(2015)을받은《세상물정의물리학》외에도《관계의과학》《김범준선생님이들려주는빅데이터와물리학》《내가누구인지뉴턴에게물었다》《복잡한세상을이해하는김범준의과학상자》《보이지않아도존재하고있습니다》등을썼다.《한국스켑틱》등의매체에칼럼을연재하고〈어쩌다어른〉〈책읽어드립니다〉같은방송에출연했으며현재유튜브채널〈범준에물리다〉를운영하며과학의즐거움을알리는커뮤니케이터로서의역할도하고있다.
작디작은티끌같은인간이과학이라는도구로광막한우주를이해할수있다는사실에경외감을느끼는사람이다.특히오늘날우리우주를바로이런모습으로만든물리학의상수들을연구하며보편성과영원에대해사유하게됐다.과학은세상의중심이인간이아니라는교훈을주지만우주어디에서나같은값이존재한다는사실은평범하고외로운인간에게위안이될지도모른다.그런보편적인진리를향한열정을독자의마음에도불러일으키고자한다.

들어가는말
세상을이렇게만든변하지않는수에대하여7
1장빛의속도가내가가는속도와같다면11
2장중력이100배나큰세상에서우리는31
3장길고짧은걸대본다는건사실놀라운일이다53
4장물은언제끓고피는언제뜨거운가75
5장축구공이파동으로날아간다면95
6장왜일어날일은일어나는가109
7장나는저항하지못한다,전압에125
8장우리사이를멀어지게한건전자다141
9장우주보다먼저존재한?157
10장지구가원자보다커서다행173
11장벽을뚫고공중부양하는물리학185
12장혼돈을두려워하지마라201

우주의수가한치라도달랐다면?
존재의이유를찾는흥미진진한사고실험
세상은왜다른모습이아니라바로이런모습일까?왜우리가살기좋게되어있을까?과학은그질문에대한답을신이아니라우주를만든보편적인수,즉상수에서찾는다.상수가어떻게?이를위해김범준은거꾸로시작한다.바로우주를구성하는상수가한치라도달랐다면과연어떤일이벌어졌을까상상하는사고실험을펼치는것.만약빛의속도가내가걷는속도,즉시속5km라면어떤일이벌어질까?중력상수가100배나크다면?플랑크상수가관찰가능한거시적인크기라면?볼츠만상수가10배가된다면?
광속이시속5km라면이것은역시나우주의모든존재가따라야할엄격한제한조건이어서내가시속5km에다가갈수록나의질량은무한대가되고내가걷는방향에서나를향해정면으로도달하는광자(빛알)가늘어나마치서치라이트를비춘것처럼내눈앞이엄청밝아보인다.특수상대성이론을떠올리면더기막힌일이일어난다.부모님이출근하면집에서기다리는아이에게일하는시간8시간은일주일이될것이다.친구와아침8시에만나자고약속하고약속장소에도착하면친구는한참을기다려야올것이다.내시계와친구시계가가리키는시각이달라지기때문이다.그러니까빛의속도가느린세상에서는언제,어디서만나자고정하는것만으로는충분하지않고그곳을향해얼마의속도로가야하는지도약속해야한다.
상수가한치라도달라지면이런기상천외한일이마구벌어진다.중력상수가100배가되면모든생명체는바닥에펼쳐진부침개모양이되고플랑크상수가거시적인값이되면축구공은파동으로날아오고공을잡을수있을지없을지는양자역학의확률로결정된다.초능력자처럼벽을스르륵통과하는일도가능하다.
그렇다.우리가이세상에존재하고존재의이유를찾는놀라운이성을발휘할수있는건상수가더도말고덜도말고딱그값이기때문이다.우주의작은점인이지구에서태어나기쁨과슬픔을느끼고사랑할수있는이유가말이다.정말상수가그값인것이다행일지경이다.“중력상수가100배가되면지구의중력에서벗어나기위한탈출속도는10배가된다.화학적인에너지를주로이용하는로켓을지구밖으로발사하기도어려워진다.인간이만든비행기도지금모습대로면공중을날기어렵다.더커진추진력과더넓은날개를가진모습이어야날수있다.지구의대기조성도바뀐다.현재지구의대기에수소와헬륨같은원소가극히드물게존재하는이유는가벼운원소의열운동으로인한속력이무척커서지구의중력이가벼운원소를대기안에머금고있기어렵기때문이다.중력상수가훨씬큰세상이라면‘중력상수가크면어떤일이벌어질까?’를고민하는우리도이곳에없다.”(53~54쪽)
저자김범준의이런사고실험은그자체로흥미진진한과학적탐구의방법일뿐만아니라인간존재의우연성을우주의필연성과연관짓는철학적사유이다.

영원하고보편적인것을향한인간의갈망
세상을만든자연법칙과상수찾기
인간이이성적존재인이유는세상의기원과자기존재의이유를찾으려고하기때문이다.우리는영원한우주의생성을이해함으로써생의덧없음을견디고영원에조금이라도가까이가닿으려고한다.그때고대의자연철학자부터오늘날의과학자를사로잡은것은우주가우리가이해할수있는방식으로구성된것만같다는사실이다.그들이발견한법칙과특정한값은규칙적이고보편적이며우주어디에서나동일했다.과학자들은깨달았다.세상이다른모습이아니라바로이런모습이고우리가여기에존재하며우주를이해하려는이성을발휘할수있는것은바로이특별한값,상수때문임을말이다.
어떤측면에서과학의역사는상수를더정확하게결정하는역사라고도볼수있다.17세기의뢰머는목성의위성이오의공전주기가언제측정하는지에따라달라지는현상이빛의속도가유한하기때문이라는합리적인예측을하고그속도를정량적으로측정하는시도를했다.지구의공전궤도반지름과이오의공전주기의차이를이용해뢰머가구한빛의속도는약20만km/s로현재하는값과근접하다.그이후빛의속도를더정확하게구하려는수많은노력이이어졌고과학자들은빛이진공에서299792458m/s로이동한다고합의했다.이빛의속도c는세상을이해하는물리학의여러혁신적인사고의토대가된다.가장대표적인것이바로아인슈타인의상대성이론이다.빛의속도는누구에게나동일하다는가정으로전개되는특수상대성이론은내가어디서보느냐에따라시간은다르게흐른다는결론으로시간에대한인간의통속적관념을근본부터바꿔버렸다.
그렇기에상수를정하는과학적탐구는곧세상을좀더정확하게파악하는일과같다.중력상수,플랑크상수,볼츠만상수,전하량상수,원주율,보어반지름,보어마그네톤,파이겐바움상수등물리학의핵심적인상수들은필멸하는보잘것없는존재인우리가우주를이하게만들었다.“물리학이우주어디에서나같기때문에우리는우주를이해할수있습니다.이세상의이해불가능한이해가능성은물리학이우주어디서나같기때문입니다.”(12쪽)

인간이창조한우주적보편성
상수로만드는단위의세계
정확한상수를찾는것은또한서로다른것을공통의기준으로비교해볼수있게하는단위의보편성을창조하는작업이기도하다.우리에게는이제너무나자연스럽지만사실저자의표현대로“길고짧은것을대본다는것은놀라운일이다”내가생각하는기준과당신이생각하는기준이일치하기가어렵고,서울의롯데월드타워의길이를재려고평양의류경호텔을뽑아올수는없기때문이다.
과학적탐구뿐만아니라우리일상생활의편리에서도결정적인역할을하는단위의통일은상수덕분에가능했다.다시말하면단위의역사도상수의역사처럼좌충우돌이었다.거리를예로들면처음에는원시적으로발의크기를기준으로삼는피트가있었다.그러다가지구의크기를활용하여1m에해당하는,누구에게나동일한금속막대를만들어대보자는제안이나왔다.이금속막대는편리함덕분에국제적표준이되었지만아무리단단한금속이어도물체의길이는미세하게변할수밖에없다.그래서나온것이빛이진공에서정확히1/299792458s동안진행한거리를1m로하자는제안이다.빛의속도는우주어디에서나동일하므로양자역학을아는외계인도이해하는진정한보편성이라할수있다.그런데여기서도문제가있다.1s(초)는또어떻게정할까?이역시외계인에게도설명할수있는양자역학적방식을이용한다.
저자김범준은시간,거리,질량,온도,압력등우리가공기처럼자연스럽다고생각하는보편단위의역사를추적한다.더나아가이단위들이진정으로보편성을획득한것은우주어디서나같은법칙,상수를이용해서였음을보여준다.“과학에서단위의발전사는바로물리학의보편상수를우리가더정확히측정한역사”(12쪽)이다.
단위의보편성은그의미가깊다.인간이라면누구나누릴수있는천부적인권리같은보편인권의추구와보편단위는그궤를같이하기때문이다.또한이세상의일이제대로돌아가고우리인류가후손의복지와지구의지속성을고민하는것이가능한것도비교가능한단위덕분이다.질량과부피를재고기온을측정하는단위없이어떻게정확성과지속가능성을말하겠는가.단위는곧인간삶이다.