물리학자가일상생활에서건져올린흥미진진하고기상천외한물리법칙
―‘물리학자의눈’으로바라보면사물과현상,지구와우주의이면에감춰진‘세계’가
모습을드러낸다
선글라스를끼고주위를둘러보면세상은‘검게’보인다.빨간셀로판지를눈에대고보면세상은‘빨갛게’보인다.누구에게나동일하게존재하는사물,동일하게일어나는현상,동일하게펼쳐지는세상이지만어떤‘눈’,어떤‘관점’으로보는가에따라세상은우리에게전혀다른모습으로다가온다.‘물리학자의눈’으로세상을보면지금까지보지못했던어떤사물과현상,우주법칙이눈에들어오기시작할까?‘물리학자의귀’로주위에서세상이만들어내는소리에귀를기울이면어떤오묘하고신비한소리들이들리기시작할까?‘물리학자의머리’로사물과현상을궁리하고사고하면세상을움직이는어떤오묘한원리가깨달아지기시작할까?한번쯤이런생각을해본독자라면이책을일독하기를권한다.
이책은교토대학교대학원교수이자저명한물리학자인저자가지하철역,마트,주방,엘리베이터안,에스컬레이터와보도블록위등일상생활의다양한공간에서발견하고,듣고,궁리하며깨달은놀라운물리법칙과우주의작동원리를담고있다.몇가지예를들자면,‘만두피와만두소어느쪽도애매하게남지않고딱맞게만두를빚는물리학방법은?’,‘마트에서충돌사고를방지하는절묘한물리학보행법’,‘현미밥구멍과게구멍이거의같을수밖에없는물리학적원리는?’,‘다코야키반지름과장수풍뎅이크기에상한이존재하는이유는?’,‘여행가방바퀴소리와기하학의상관관계’,‘한자에좌우대칭글자가많은이유가‘중력’때문이라고?’등이다.이책을읽는당신도사물과현상,지구와우주의이면에감춰진흥미진진한‘세계’를발견하게될것이다.
한자에좌우대칭글자가많은이유가‘중력’때문이라고?
뫼산(山),나무목(木),고기육(肉)…….이한자들의공통점은뭘까?‘좌우대칭’글자라는점이다.이세상과자연의사물들중에는좌우대칭이많다.한데,신기하게도모양을나타내는글자는말할것도없고한자에도좌우대칭인글자가적지않다.왜자연의사물에는좌우대칭인것이많을까?여기에는‘물리법칙’이작용한다.즉,‘중력’의영향인것이다.지구위의모든존재에는중력의힘이작용하는데,중력은위에서아래방향으로작용한다.저자에따르면,그런좌우대칭을이루어‘나무목(木)’이라는좌우대칭의한자를탄생시켰다고한다.
여기서한발더나아가저자는두가지간단한가설을세운다,하나,‘중력의영향으로한자에는좌우대칭인글자가매우많을것이다.’둘,‘중력의존재를가정한다면상하대칭보다좌우대칭인글자가압도적으로많을것이다.’실제조사결과두가지가설모두들어맞았다.저자에따르면,초등학교1학년생이배우는한자80자중절반에해당하는약40자가좌우대칭이었다고한다.그에비해상하대칭인한자는12개에불과했는데,재미있게도그글자들은상하대칭이면서좌우대칭이었다.
이렇듯지구와우주를지배하는물리법칙은인간이만들어낸문자에도오롯이반영돼있다.
다코야키반지름과장수풍뎅이크기에상한이존재하는이유
‘겉바속촉’,즉겉은바삭,속은촉촉한식감을지닌다코야키.저자는일상의음식다코야키에서도절묘한물리법칙을발견한다.먼저그는‘다코야키반지름에는왜상한이존재하는가?’라는질문을던진다.이흔한음식에도물리적원리가존재하지않을까하는의문때문이다.이어그는또하나의질문을자신에게던진다,그것은‘왜이세상에는반지름2센티미터이상의다코야키는존재하지않을까’라는질문이다.이에대한답은다코야키가갖는가장기본적인속성이자정체성인그‘겉바속촉’에있다.즉,한입베어물면입안에서바삭한표면이으깨지며안에든‘촉촉한’반죽이사르르녹아내리는것이바로다코야키인것이다.한데,다코야키의크기가너무크면,좀더구체적으로반지름이2센티미터를넘으면이런‘겉바속촉’이라는다코야키의본질을규정하는속성이사라져버리기때문이다.
저자는여기서한발더나아가다코야키의구조를좀더명확히이해하기위해‘다코야키와곤충크기사이의공통점’을찾는일에골몰했다.그에따르면,장수풍뎅이나딱정벌레처럼앞날개가딱딱한초시류곤충의크기에는상한이있다.장수풍뎅이를기준으로보았을때뿔을제외한몸통부분의단면크기가커봤자반지름2센티미터남짓이라는것이다.신기하게도다코야키의상한과비슷한크기다.
장수풍뎅이의몸통둘레반지름이다코야키와같은2센티미터이내인것이과연우연일까?아니다.장수풍뎅이가속한딱정벌레딱정벌레목곤충은외골격이갑옷처럼단단한껍데기로둘러싸여있어한자로갑충(甲蟲)이라고부른다.몸표면을딱딱한껍데기로감싸전체체중을떠받치는구조다.곤충의몸내부는다양한기관이자유롭게움직일수있는구조를확보해야하는데,모두내장기관을지탱하려면주위의단단한껍데기가필요하다.표면이단단하고안이말랑말랑한,다시말해겉은바삭하고속은촉촉한‘겉바속촉’,즉다코야키와같은구조인것이다.
“당신인생은카오스같네요”라는말을듣고기뻐춤추는까닭
“당신인생은카오스같네요.”이런말을들으면사람들은누구나내심언짢아하거나화를지않을까.그러나이책의저자는누군가가자신에게이렇게말하는소리를들으면뛸듯이기뻐하며덩실덩실어깨춤을출거라고이야기한다.이유가뭘까?그것은그가혼란을즐겨서가아니라‘카오스’라는개념에대한자신의인상이일반사람들과다르기때문이라고말한다.좀더구체적으로그의논리를따라가보자.
물리학이란과거의상태를알고,그것을바탕으로미래를예측하는학문이다.시간이흐르면어떤식으로변할지,그변화를예측하는것이물리학의임무다.한데,미래예측에는난관이있다.물리학에서말하는‘카오스’다.
물리학이다루는대상에는카오스적인대상과카오스적이지않은대상이있다.이중카오스적인대상은두가지성질을지닌다.하나는‘초기조건의민감성’,또다른하나는‘에르고드성(ergodicity)’이다.먼저,‘초기조건의민감성’이란최초의상태를살짝만바꿔도극적으로결과가달라진다는가설이다.예를들어산꼭대기에공을살포시내려놓았다고가정해보자.그공을동쪽과서쪽중어느쪽으로살짝미느냐에따라굴러가는방향이완전히달라진다.우리인생에도‘산꼭대기의공’처럼어떤선택을하느냐에따라이후방향이백팔십도달라지는일이흔히일어난다.‘그때그렇게했더라면……’하며아쉬워할때가한두번이아니다.실제로그순간순간마다뭔가다른선택을했다면인생은전혀다른방향으로흘러갔을가능성이크다.그렇다고는해도물론세월이지난뒤에야그때가인생의결정적순간이었음을깨닫게된다.즉,그순간조차‘카오스적인순간일수있다’는의미다.
저자는“카오스이론을이해하고나면카오스가아닌인생은시시하다”라고말한다.카오스가아닌물리시스템은같은구간을영원히빙글빙글도는시스템이기때문이다.그도그럴것이물리에는시간의끝이없으며,영원히맴돈다.이런연유로‘카오스의초기민감성’이있기에우리인간은인생을즐길수있는것이라고한다.
카오스의두번째성질인에르고드성은‘온갖가능성을실현할수있다’는가설이다.이는위상공간중의한점이에너지가같은면위를구석구석운동하는성질을설명하는물리학용어다.이런맥락에서우리인생은시간이지남에따라어떤가능성이든시험해보고도전해볼수있기에매력적인것이다.
유명한카오스시스템의예로‘이중진자실험’이있다.일반적인진자는정해진구간을왕복운동할뿐이므로카오스가아니다.그러나진자아래에또하나의진자를추가하기만해도카오스운동으로변한다.위의진자를아래진자가빙글빙글돌기도하는등관찰자가질리지않도록다양한운동을보여준다.그리고순간순간의이중진자형태를살펴보면다양한형태를그리며움직인다는것을알수있다.이현상이‘에르고드성’이다.저자는이렇게말한다.
“인간의인생은유한하다.한번뿐인인생이라는말도지겹도록들으며살아간다.그러나인생이카오스적이라면우리는시간이허락되는한온갖가능성을시험하고도전하며살수있다.이얼마나멋진인생인가!”
여기서한가지더.흥미롭게도같은물리시스템이라할지라도카오스를발생시키려면에너지가일정수준이상으로높아져야한다.인생을카오스적으로만들기위해서는일정수준이상의에너지가필요한셈이다.만약인생이카오스라면모험은아주약간의‘외도’로도충분하다.아주작은한걸음이멋훗날의인생을완전히뒤바꿔놓을수있기때문이다.
