스토리 물리학

김현벽

KAIST물리학과를졸업하고같은대학원에서입자물리학및우주론에관한연구로박사학위를받았다.삼성전자반도체연구소의차세대메모리개발부서에서연구했다.현재KAIST부설한국과학영재학교교사로,과학영재들의재능과열정속에서이론물리학,반도체메모리,수치시뮬레이션,3D프린터,아두이노등물리학과공학에대한지식을나누고같이배워가고있다.

프롤로그

1부_물리학을만나다
1장:아리스토텔레스와의대화
2장:뉴턴과의대화
3장:맥스웰과의대화

2부_실험으로들여다본물리학의세계
1장:T자모양핸들의회전
2장:동극모터(homopolarmotor)
3장:물이만든다리
4장:루퍼트왕자의눈물방울(PrinceRupert’sDrop)
5장:마찰발광(triboluminescence)
6장:생물발광(bioluminescence)
7장:지구형행성탐색(TRAPPIST-1)

참고문헌

“그들은어떻게과학적사고를발전시켰는가?”
지금은10대후반이되면과학적지식과사고방법에대해서누구나교육받는시대이고좋든싫든그만큼과학은일상적으로접하는것이되었다.하지만과학적사고방식은인류의태동때부터존재했었던것이전혀아니다.과학은인류가개척하고발명해낸하나의세계이고오랜시간에걸쳐구축된계속다듬어져가는체계이다.우리는아리스토텔레스,뉴턴,맥스웰을중심으로고전물리학의발전과정을집중적으로되짚어보고과학적사고의원형에접근하고자한다.본문에서다루는실험을이해하는과정중에등장하는여러가지배경이야기들은이런과학적방법의발전과정을좀더입체적으로느낄수있게돕는다.

“파편화된과학이연결된이야기로.”
물이비커사이에걸쳐서다리를만들고,평범하게굳힌유리가총알을맞고도깨지지않고,마트에서구한사탕이쪼개지면서빛을낸다.이책에서다루는실험들은대단치않은겉모습에비해서극적인효과를주는것들이다.하지만이현상들의핵심을이해하는데첨단의이론이필요하지는않다.단편적으로알고있던이미배운과학지식들을유기적으로꿰어낼수만있으면된다.우리는각각의실험에서이런개념들의유기적연결과그런연결을가능하게하는과학적사고를만난다.세심한독자라면책전반에걸친과학적사고의연결망을발견할수도있을것이다.

고전물리학자들과의대화를통해고전물리학의변천과정을들여다본다!
이책은곳곳에물리학적관점의발전사가등장하여물리학의배경에대한독자들의이해를돕는다.특히1부에서는아리스토텔레스,뉴턴,맥스웰을차례로만나면서자연에대한과학적사고의변천과정을집중적으로살펴본다.아리스토텔레스와의대화에서는원소설과우주론을중심으로고대그리스의자연관을탐색한다.자연철학의원형이라고할수있는아리스토텔레스철학의사고틀과세계에대한통합된체계를만드는시도의원조를우리는만나게된다.뉴턴과의대화에서는만유인력과광학에대한뉴턴의연구를살펴보고,아리스토텔레스의자연관이뉴턴의기계론적역학을따르는우주관으로정립되는전환을확인한다.맥스웰과의대화에서는전자기학과기체운동에관한맥스웰의연구를통해역학적세계관의장이론(fieldtheory)적확장과확률론적역학관의등장을만난다.뉴턴과맥스웰을통해고전물리학의정립과정을전반적으로살펴보면서관찰과실험으로부터수집한정보를활용하여과학적지식을생산하는이성의사용법을재확인한다.

신기한실험들을과학적사고로통찰해본다!
2부에서는1부에서드러내고자했던과학적사고과정을현대로옮겨와독자스스로음미해보도록하였다.언뜻이해하기힘들어보이는실험을제시한후과학자들의생각법을이실험들에적용한다.2부에등장하는실험들은물질-빛-에너지를아우를수있는현상들로,종합적이고흥미로운설명을제공할수있는것들로주로선정하였다.이실험들을이해하는과정중에1부에서만났던과학적안목을반복해서만나게된다.과학적사고를통해배경지식들이맞물려서최종적으로현상이이해되는경험을독자들이누리도록안내한다.

교과서에갇힌과학을유기적으로풀어낸책!
교과서에서배우는과학은학습의편의성을위해서파편화되어다루어진다.하지만이렇게실제적인현상과괴리되어배운박제된과학은과학적사고방식을낳지못하고쪼개어진지엽적인지식들로끝나버린다.이책은대중에게잘알려지지않은신기한실험이나현상을소개하여과학에대한흥미를우선다시일깨운다.그후과학적사고에대한거시적인안목을체험할수있도록이현상을풀어간다.가령본문에서다루는‘물이만든다리’실험은처음에는신기하고원리를이해할수없을것처럼보이지만,알고보면고등학교과학시간에배우는개념들로충분히해석해낼수있음을알게된다.나아가부도체,유전체,유전분극,물의극성,표면장력등의따로놀던개념들이전체적으로엮이면서비로소현상이이해되는경험을할수있다.
이책은과학적사고에대한자연스러운동기부여를통해독자가스스로사고하는세계로들어가도록유도한다.지식과지식을연결하기위해하나하나따져가며논리를전개했던과학자들의사고방식을따라가다보면과학을하는맛을알게되고,과학을바라보는눈을키울수있을것이다.

[이책의내용]

1부물리학을만나다?인류가세계와우주를어떻게바라보게되었는지이야기로풀어간다.고전물리학의발전과정에서중요한역할을한굵직굵직한생각들을중심으로개념의역사적발전을만난다.1부에서만나는사고과정은2부에서다룰실험들을이해할때필요한통합적사고를위한발판을제공한다.?
1장아리스토텔레스와의대화:아리스토텔레스와다른인물들의가상의대화를통해4원소설,우주론을중심으로과학적사고의여명기를탐색한다.

2장뉴턴과의대화:만유인력의법칙과광학에대한뉴턴의연구를바탕으로고대에서부터이어져온미신적우주관이자연과학적우주관으로정립되는과정을탐색한다.?
3장맥스웰과의대화:전자기학과기체운동에관한맥스웰의연구를바탕으로역학적세계관의풍부한확장과현대물리학이예비되는과정을탐색한다.2부실험으로들여다본물리학의세계?언뜻이해하기힘들어보이는현상을과학적사고를통해풀어간다.1부에서강조한과학적사고가때로는명시적으로때로는암시적으로반복된다.실험주제는역학과전자기학부분은최소화하고응집물질물리학관련실험을중점으로하였다.실험들은물질-빛-에너지를아우르는것들로종합적이고흥미로운설명을많이제공한다.?

1장T자모양핸들의회전:T자모양핸들을무중력상태에서회전시켰을때,직관적인예상을빗나가는운동을보인다.회전운동의경우3가지방향의회전이얽혀있음을설명한다.
2장동극모터:건전지1개,네오디뮴자석1개,도선조각으로작동하는동극모터를살펴본다.동극모터의구조는교과서에서배우는직류모터와달라서직관적으로어떤운동을할지예상하기어렵다.전류-자기장-도선의운동이얽혀있음을설명한다.
3장물이만든다리:2개의비커에담긴증류수가고전압에서비커를넘어서다리를만드는현상이다.직관적으로이해하기어려워보이는현상이지만유전체,유전분극,표면장력이라는개념을통해서이해할수있음을설명한다.
4장루퍼트왕자의눈물방울:유리로만든눈물방울모양의조각이총알에맞아도깨어지지않는현상이다.깨어지기쉬운물질로알고있는유리가어떻게강화구조를가지는지설명한다.
5장마찰발광:마트에서구할수있는사탕을부술때빛이나는현상이다.물질구조의변화에수반되는발광현상을설명한다.
6장생물발광:패충류가수중에서내뿜은체액이빛을내는현상이다.물질반응에수반되는발광현상을설명한다.
7장지구형행성탐색:지구형행성을찾기위한노력의일환으로행성이항성앞을지나갈때발생하는항성광도의변화를관측한다.지구형행성의물의존재가능성추정법에대해서도설명한다.