[다산북스/책 증정] 『모든 계절의 물리학』을 저자 & 편집자와 함께 읽어요!

“ 과좀알 모임지기님 한 주 동안 잘 지내셨나요? 아련히 떠오르는 지난 가을 하늘은 맑고 청명한 하늘 빛이 되었던 것 같아요. p167 전자예너지에 갇히다. 이른 새벽부터 부산하게 달리러 갈 준비를 했다.9월에 아인슈타인의 고향인 독일 울름에서 ' 아인슈타인마라톤' 이 열리는데 직장 동료와 함께 참가하기로 약속했기 때문이다. 그래서 마라톤을 완주하기 위해 매일 아침 연습을 같이하기로 했다. Q독일 울름은 어떤 도시인가요? - 독일의 울름은 남부에 위치한 도시 , 독일 남부, 바텐뷔르템베르크 주에 속함 - 바로 옆에는 바이에른 주의 도시 뉴울름이 있음 - 두 도시는 도나우강을 사이에 두고 마주보고 있음 - 조용하고 깨끗한 전동 + 학문 중심도시 - 세계적으로 유명한 과학자 알베르트 아인슈타인의 출생지 - 아인슈타인 마라톤은 " 울름 중심(대성당) 에서 시작해 도나우강과 뉴울림까지 달리는 , 평탄하고 아름다운 코스의 국제 마라톤" ”

“ 이론상으로는 야구 선수의 팔이 두 배로 길어지면 절반의 힘으로도 같은 속도의 공을 던질 수 있다. 같은 힘이라면 팔다리가 긴 선수가 유리한 것이다. 그래서 그런지 강속구를 던지는 투수들을 보면 대부분 180센티미터 후반대나 190센티미터의 장신인 경우가 많다. 미국 메이저리그에서 활약했던 류현진 선수의 키도 190센티미터가 넘고, 세계 최고의 투수 오타니 쇼헤이 선수의 키도 193센티미터다. ”

“ 세상이 주기율표에 있는 원자들로 이루어져 있는 만큼 자연의 기본 단위는 원자 안의 전자들이 갖는 에너지다. 광자가 넓은 우주를 홀로 떠다닌다면 광자의 에너지가 크든 작든 상관없을 것이다. 빛도 파장이 다르면 물질에 대한 반응에서 각자 다른 특성을 갖게 된다. 광자의 에너지 또한 빛이 물질과 상호작용할 때 그 의미가 있다. ”

“ p188 낮에 하늘을 올려볼다 볼때도 우리는 하늘을 본다기보다 위에서 내려오는 방향의 빛을 본다. 하지만 조금 전에 말했던 것처럼 태양광 이외에 하늘에서 직접 쏟아지는 빛은 없다. 게다가 태양광은 파랗지도 않을뿐더러 태양이 위치한 방향에서만 내리쬐므로 지구의 하늘 전체를 빛나게 할 수도 없다. ㄱ래서 하늘의 색은 과거의 물리학자들에게도 난제였다. 이 난제를 해결하던 그들은 연구 과정에서 어떤 중요한 현상을 깨닫게 되는데, 바로 ' 빛의산란' 이었다. 어늘 날 영국의 물리학자 존 레일리가 하늘이 파란색인 이유를 설명하기 위해 연구를 계속하다 공기 분자에서 일어나는 빛의 산란 현상을 발견했다. 그래서 공기 분자와 충돌해 모든 방향으로 산란하는 태양광을 두고' 레일리산란' 이라고 한다. 레일리 산란에 따라 태양의 직사광선은 공기 분자를 만나 여기저기 퍼지고 , 그 덕분에 우리는 태양을 직접 보지 않고도 낮의 밝은 하늘을 볼 수 있는 것이다. ”

“ 직진하던 빛은 물체에 부딪히면 그 방향이 바뀐다. 그래서 가장 간단하지만 특별한 현상이 ‘빛의 반사’다. 거울같이 매끈한 표면에 빛이 들어오면 들어온 각도 그대로 반사되어 반대로 튕겨져 나간다. 하지만 많은 물체의 표면은 거칠다. 이런 경우 빛이 표면에 닿으면 모든 방향으로 퍼진다. 조명이 넓은 방 한가운데에만 있어도 구석에서 책을 읽을 수 있는 이유도, 방안의 여러 물체에 부딪혀 산란된 빛이 책의 거칠거칠한 종이 표면에 맞아 다시 산란되어 우리 눈에 들어오기 때문이다. 모두가 반짝반짝하고 매끈한 표면을 좋아하겠지만, 사실은 오히려 거친 표면 덕분에 세상이 빛날 수 있는 것이다. ”

“ […] 빛은 모든 방향으로 퍼져 나가지만 그렇다고 모든 빛이 똑같은 정도로 퍼지지는 않는다. 하늘의 파란색은 레일리산란의 이런 특성 때문에 생긴 것이다. 레일리산란에는 이를 설명하기 위한 방정식이 있는데, 그 방정식을 보면 가시광선 영역에서는 빛의 파장 길이가 짧을수록 산란이 더 잘 일어난다. 즉 빨간색 빛은 산란이 잘되지 않고, 파란색 빛은 산란이 더 잘된다. 그래서 우리 눈에 들어오는 빛도 파란색 계열의 비율이 더 높고, 자연스럽게 하늘 역시 파란색으로 보이는 것이다. ”

“ 초전도 물질은 일정한 온도 아래에서는 전기저항이 0으로 뚝 떨어지고, 내부 자기장을 모두 밀어내는 '마이스너효과' 현상을 보인다. 보통 물질에 전기를 흘리면 전기저항 때문에 에너지가 손실되는데, 초전도체에서는 에너지 손실이 발생하지 않는다. 오히려 이 마이스너효과 때문에 자석 위에 둥둥 뜨는 현상이 관측되기도 한다. (p.200) 물리학자로서 물리학에서 가장 위대한 발견을 꼽는다면 나는 초전도 현상과 양자 홀효과를 꼽고 싶다. 특히 초전도 현상을 꼽은 이유에는 그 현상 자체가 놀랍다는 점도 있지만, 내게는 무엇보다 인류가 기술적 한계를 극복하고 순수하게 실험을 통해서 발견한 것이라는 부분이 크게 다가왔다. (p.203) ”

“ P234 손가락 한 마디만 벗어나도 " 그런데 야구 배트를 앞으로 휘둘렀쟎아, 공은 왜 위로 날아가는 거야?" 공을 앞으로 친다면 당연히 앞으로 날아가야 하는 것이 맞는데, 어째서 이 공은 위로 높이 솟구친 것일까? ( 독서기록) Q.⚾️ 왜 앞으로 휘둘렀는데 공이 위로 뜰까? 핵심은 방향이 ‘배트가 가는 방향’이 아니라, ‘맞는 순간의 힘의 방향(접촉 각도)’로 결정된다는 점이에요. 1) 배트는 원을 그리며 내려옵니다 배트는 직선이 아니라 몸을 축으로 한 원 궤적을 그려요. 그래서 공을 맞는 순간, 배트의 표면은 약간 아래에서 위로 밀어 올리는 각도가 생기기 쉽습니다. - 배트는 단순한 막대가 아니라 힘 + 각도 + 타이밍을 전달하는 도구 어디에 맞추느냐 어떤 각도로 휘두르느냐 에 따라 공의 방향이 완전히 달라집니다 - 겉으로는 “앞으로 스윙”이지만 실제 접촉 순간의 힘은 앞 + 위 방향으로 작용 - 배트가 “앞으로 움직인다” ≠ 공이 무조건 앞으로만 간다 배트는 원 궤도로 움직이고 공과 닿는 순간의 각도에 따라 👉 위로도, 아래로도 방향이 생김 ”

“ 안테나에서 처음 전파가 발생할 때는 정해진 파장을 갖지만, 움직이는 물체에 반사되어 나오면 도플러효과로 파장이 바뀌게 된다. […] 만약 물체가 안테나 쪽으로 다가오고 있는 경우라면 전파의 파장은 짧아지며, 물체의 속도가 빨라질수록 그 정도는 더 심해진다. 레이다는 이렇게 달라진 전파의 파장을 분석해 물체의 속도를 알아낼 수 있다. 그래서 고속도로에서 과속을 단속하기 위해 스피드건을 사용하거나 야구장에서 구속을 측정할 때도 레이다를 사용한다. ”

“ KBO 규정에 따르면 배트의 지름은 6.6센티미터보다 작아야 한다. 이를 기준으로 계산해 보니, 배트 중앙에서 단 2.3센티미터 벗어난 윗부분에 공이 맞으면 공은 앞으로 날아가지 못하고 위로 솟구친다. 2.3센티미터……! 고작 손가락 한 마디만 벗어나도 바로 파울볼이 되는 것이다. 그럼에도 실력이 뛰어난 타자들은 파울과 안타를 선택해서 칠 수 있다고 하니 그저 놀라울 따름이다. ”

“ 강속구를 던지기 위한 방정식에 따르면 힘의 크기만큼 힘을 주는 거리 또한 중요하다. 팔다리가 길어 더 긴 구간 동안 공에 힘을 줄 수 있다면 더 적은 힘으로도 강속구를 던질 수 있다. 같은 원리로 총구가 길수록 총알은 더 먼 거리를 날아갈 수 있다. 총구를 지나는 사이에 총알에서 화약이 터지며 전달되는 힘을 받기 때문이다. 그래서 먼 곳을 저격할 때 사용하는 총은 길다. 권총처럼 총구가 짧으면 총알은 멀리 날아갈 수 없다. ”

“ p)172 전시된 장비 뒤로 넓은 벽면에 거대한 조형물이 걸려 있다. 이 조형물은 막스플랑크연구소 출신 독일의 노벨물리학상 수상자 클라우스 폰 클리칭은 Klaus von Klitzing 의 업적을 기리기 위해 만든 조형물이다. 폰 클리칭은 "양자 홀효과"를 세계 최초로 발견했는데, 이 조형물은 그때 그가 측정에 사용한 시료의 모습을 본따서 만들었다. P) 173 하지만 부끄럽게도 나 또한 물리학자임에도 모든 노벨물리학상 수상자의 이름과 업적을 알지는 못한다. 그래도 이중' 양자 홀효과'는 물리학에서 가장 중요한 발견이기에 지금 이 책을 읽는 사람이라면 책을 덛고 나서도 꼭 기억해 주었으몀 좋겠다. 게다가 이 발견은 지금도 계속해서 우리 삶에 영향을 끼치고 있으니 말이다. 양자 홀효과는 반도체에서 홀효과를 측정하던 중 발견된 현상이다, 앞서 홀효과를 살펴보았으니 물체에 전기장과 자기장을 만들어주면 수직 방향으로 전압이 생긴다는 사실을 잘 알 것이다. 이 전압은 자기장의 세기가 강해질수록 함께 높아지는데, 간단한 그래프로 그려보면 [ 그림 27] 의 왼쪽 그림과 같은 그래프가 된다. p)174 하지만 분자선 에피택시를 사용해서 시료를 아주 얇게 만들고, 질소가 액화하는 4,2켈빈까지 온도를 아주 낮춘 후 자기장을 아주 세개 걸어주면 또 다른 현상을 관찰할 수 있다. 자기장의 세기에 비례해 그래프가 우상향으로 곧게 올라가는 것이 아니라 [ 그림 27]의 오른쪽 그림처럼 중간중간 평평해지는 구간이 발생하는 것이다. 고전물리학에 기반하는 일반 홀효과로는 이해할 수 없는 이상한 현상이다. P)175 폰 클리칭은 이 현상이 반도체 소자 안에 흐르는 전자들의 양자화된 에너지 때문이라는 사실을 알아냈다. 우리가 한여름 시원한 마트에서 레이저를 사용해' 빛의 속도'로 상품의 바코드를 스캔할 때 에너지 양자화에 대해 살펴보았던 것이 기억나는가? 전자는 원자나 분자 등에 갇힐 때 에너지가 양자화된다. 자유롭게 움직이는 상태람ㄴ 전자의 에너지는 양자화되지 않는다. 다시 말해 양자 홀효과를 발생시키는 전자들도 갇혀 있는 상태기는 하다. 다만 우리가 이전에는 생각하지 못했던 방식으로 갇혀 있는 것이다. ⟪독서기록⟫ 양자 홀효과는 물리학에서 가장 중요한 발견이기에 교수님께서 지금 이 책을 읽는 사람이라면 책을 덮고 나서도 꼭 기업해주었으면 좋겠다. 라는 말씀에 좀 더 관심을 갖고 읽어 보게 되었어요. ”

“ 양자 홀효과로 생기는 그래프의 평평한 구간은 별것 아닌 것 같아도 물리학뿐 아니라 인류의 삶 전체에 큰 영향을 미치고 있다. 과학, 공학, 경제학까지 총망라하는 그 '영향'이란 바로 단위의 표준이다. (p.176) 양자 홀효과는 '폰클리칭상수'라고 하는 기본상수의 값을 정확하게 잴 수 있다. 국제적인 표준에 따라 이 상수의 값은 고정되어 있기 때문에 오차도 발생하지 않는다. 그래서 지금은 폰클리칭상수를 정확히 측정하는 것이 전기저항의 단위인 '옴(Ω)'의 기준이 되었다. 전 세계에서 전기저항을 측정할 때 그 단위의 표준이 폰클리칭상수의 값에 따라 결정되는 것이다. 이외에도 초, 미터, 킬로그램 등 우리가 사용하는 익숙한 모든 단위의 표준이 기본상수를 통해 새로 정의되었다. (p.177) ”