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

“ 일반적으로 고체 상태에서 원자 간 결합은 전자에 의해 매개된다. 가장 간단한 결합 방식은 '공유결합'이다. 이 방식은 두 개의 원자가 사이에 여러 개의 전자를 공유하며 결합하는 방식이다. 전자는 음(-)전하를 띠는 입자라 두 개의 원자 사이에서 양(+)전하를 띠는 원자핵을 끌어당겨 두 원자가 서로 붙어 있도록 만든다. 전자가 마치 접착제 같은 역할을 하는 것이다. 두 번째 방식은 '이온결합'이다. 이 방식은 한 원자에서 다른 원자로 전자를 완전하게 넘기며 결합하는 방식이다. 이 과정에서 자신이 갖고 있던 전자를 잃거나 새로운 전자를 얻게 되어 기존에 갖고 있던 개수와는 다른 수의 전자를 갖게 된 원자들을 '이온'이라고 부른다. 전자를 하나 더 갖게 된 원자는 음전하를 띠는 '음이온'이, 전자를 하나 잃어버리게 된 원자는 양전하를 띠는 '양이온'이 된다. 서로 반대되는 성질의 두 이온은 서로 끌어당기며 결합한다. (57쪽) 물 분자에서 일어나는 분자 간 결합은 '수소결합'이라고 한다. 수소는 여러모로 특이한 녀석인데, 양성자 하나와 전자 하나로 이루어진 가장 간단한 원자기도 하고, 가장 가벼운 원자기도 하다. 수소가 다른 원자와 결합할 때는 보통 전자를 빼앗기는 경우가 많다. 그래서 전자를 빼앗긴 수소 원자는 양전하를 띠는 양성자에 가까워진다. […] 물 분자가 되면 전자를 잃어버린 수소 원자는 양성자가 중심이 되어 양전하를 띠게 되고, 산소는 전자를 얻게 되어 음전하를 띠게 된다. 서로 다른 물 분자에 있는 수소와 산소는 서로를 끌어당겨 분자들 사이에 강한 인력이 작용하게 된다. 이런 결합 방식이 바로 수소결합이다. (65쪽) 수소라는 세상에서 가장 작은 원자 덕분에 물은 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있고 100도에서 끓는다. (66쪽) ”

“ 뜨거운 물체에서 빛이 나는 현상을 물리학에서는 '흑체복사'라고 한다. (67쪽) 흑체복사가 발생하면 넓은 범위의 파장을 가진 빛이 만들어진다. 플랑크가 양자역학을 도입하여 유도한 공식에 따르면 물체는 뜨거울수록 밝게 빛나고, 그 빛을 구성하는 파장은 짧아진다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 중 빨간색 빛이 가장 긴 파장을 가지고, 보라색 빛이 가장 짧은 파장을 가진다. 그래서 뜨거울수록 빛의 파장이 짧아진다는 것은 빛의 스펙트럼이 붉은색에서 푸른색으로 옮겨간다는 의미다. (67쪽) 백열전구가 기분 좋게 느껴지는 이유는 따뜻한 색을 내기 때문이라는 점도 있겠지만, 어쩌면 태양이 빛을 발하는 원리와 같기 때문일지도 모른다. 사실 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 가장 뜨거운 흑체복사의 대표적인 예가 바로 태양이다. […] 태양의 온도는 5500도 정도 된다. 그래서 태양은 가시광선 영역뿐 아니라 파장의 길이가 그보다 더 짧은 자외선 영역의 빛까지 내뿜는다. 그 덕분에 우리는 언제나 밝고 따뜻한 태양광을 누릴 수 있지만, 동시에 아주 적은 양의 자외선을 같이 쬐게 되었다. (70쪽) ”

“ p.39 한 번의 움직임을 위한 3만 번의 흔들림 - 1초당 발생하는 0,1초의 오차는 하루 24시간이 지나면 두 시간 이상의 오차가 된다. 그러니 어떤 물리학적 원리를 이용하든지 간에 1초마다 혹은 1초를 2,3,4등의 자연수로 나눈 만큼의 시간마다 바늘이 정확히 움직여야 한다. 시계를 만들기 위해서는 주기운동을 하는 물리 현상이 필요하다. 가장 간단한 주기운동 물리 현상은 진자운동이다. 막대끝에 달린 무게 추를 공중으로 들어 올렸다가 놓으면 일정한 주기를 가지고 왕복으로 움직인다. 진자운동의 주기는 무게 추에 연결된 막대 길이와 관련이 있는데, 막대의 길이가 길어질수록 주기도 길어진다. 물론 길이가 두 배 길어가 길어질수록 주기도 길어진다 . 물론 길이가 두 배 늘어난다고 해서 주기도 딱 두 배만큼 늘어나는'선형 비례관계' 는 아니지만 말이다. 우리 주변에서 찾을 수 있는 가장 대표적인 주기운동으로 그네가 있다. ⟪독서기록⟫ - 주기운동: 어떤 물체가 같은 상태로 다시 돌아오는 데 걸리는 시간이 일정함 이 시간을 주기(Period, T)라고 함 . 즉, “반복 + 일정한 시간” = 주 기운동 - 주기 (Period, T)는 한 번의 운동이 완전히 반복되는 데 걸리는 시간을 의미합니다. - 선형비례관계란? 한 변수가 변하면 다른 변수도 일정한 비율로 같이 변하는 관계 .같은 비율로 늘어나거나 줄어드는 관계 . 반복 + 일정한 시간 = 주기운동 책을 읽고 기록하는 시간이 흐를수록 우리들의 일상생활 속 물리학의 보이지 않는 세계를 들여다보며 물리학이 유쾌한 학문이구나라는 생각이 들었습니다. 감사합니다. ”

“ 물질의 색과 질감에는 저마다 이유가 있고, 하늘에서 내리쬐는 햇빛이나 별빛에도 모두 사연이 있다. 인간도 그 자연의 일부다. 그러니 물리학을 사랑하는 사람에게 자연은 아름다운 글귀로 가득한 시집이다. 4~5쪽 숫자를 지키지 못하면 어떤가. 포기하지 않는 것이 중요하지. 12쪽 이 같은 원리는 흔히 충돌로 인한 힘을 줄이는 데 사용된다. 교통사고가 났을 때 터지는 자동차의 에어백과 추락하는 사람을 받아주는 거대한 에어 매트가 그 예다. 충돌의 순간이 찰나여도 이 순간을 조금만 길게 늘리면 한 생명을 살릴 수 있다. 0.01초를 0.1초로만 늘려도 충격량은 10분의 1로 줄어들고, 1초로 늘리면 100분의 1로 줄어든다. 15쪽 그러니 두 물체 사이에 마찰이 있다고 해서 그들의 사이가 나쁘다고 볼 수는 없다. 오히려 두 물체의 표면에 있는 분자들의 사이가 좋아서 마찰이 생긴다고 보아야 한다. 17쪽 물리학적으로 오로라가 발생하는 원리는 두 가지 사실을 바탕으로 하고 있다. 하나는 지구가 일종의 거대한 자석이라는 점, 다른 하나는 앞서 말했듯 지구라는 자석에 갇힌 전자가 빙글빙글 돌며 자기장 영역에 갇혀 있다는 점이다. 35쪽 이때 전자가 대기에 있는 기체와 충돌하면서 빛을 내는데, 이 빛이 바로 우리가 보는 오로라다. 그러니 아름다운 오로라는 지구의 자기장이 우리를 태양에서 지켜주고 있다는 증거기도 하다. 36~37쪽 우리 눈에 보이는 것은 1초에 한 번 움직이는 초침이지만, 수정진동자는 이 한 번의 움직임을 위해 3만 번 넘게 떨고 있다. 44쪽 키보드로 글을 쓰면 내 생각보다 손가락이 더 빠르게 달려 나간다.생각보다 더 멀리 저만치 나아간 글을 지우고 다시 쓰기를 반복하느라 글을 지울 때 사용하는 백스페이스키가 유난히 고생한다. 하지만 연필로 글을 쓰면 글씨를 쓰는 속도와 내 생각의 속도가 맞아 편하게 산책하는 기분이 든다. 56쪽 연필은 참 신기한 도구다. 부드럽게 뭉개지는 크레파스와 달리 심이 아주 단단한데도 종이 위에 쉽게 흔적을 남기기 때문이다. 그 이유는 연필심의 주성분인 흑연의 격자 구조가 갖는 특성 때문이다. 흑연의 원자들은 '판데르발스 결합'이라는 특별한 형태로 결합되어 있다. 57쪽 수소라는 세상에서 가장 작은 원자 덕분에 물은 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있고 100도에서 끓는다. 물은 수소결합의 가장 대표적인 예지만, 수소결합을 하는 유일한 물질은 아니다. 수소 원자를 품고 있는 다양한 물질이 수소결합을 할 수 있다. 게다가 생각보다 과정도 복잡하다. 의외로 많은 생물학적ㆍ화학적 현상이 이 수소결합에 빚지고 있다. 66쪽 왜 이런 쓸데없는 일들을 굳이 연구하는지 묻는다면 많은 물리학자의 일이 한낱 취미로 전락해 버릴 것이다. 응용이라는 측면에서 보면, 듀어의 실험을 통해 냉동 기술의 많은 부분이 발전하게 되었다. 이런 과정을 통해 만들어진 기술로 우리는 지금 보온병뿐 아니라 냉장고도 사용하고 있으며, 계절에 상관없이 언제나 차가운 음료도 마실 수 있다. 81쪽 ”

“ ‘마찰’은 한 물체의 표면에 있는 분자들이 다른 물체의 표면에 있는 분자들과 약하게 결합하며 생기는 현상이다. 내가 운동화를 신고 달리면, 운동화 밑창을 이루는 분자들은 땅에 닿을 때 손을 뻗어 땅바닥의 분자들과 아주 가볍게 손을 잡는다. 그리고 잡은 손을 놓지 않고 내가 땅을 찰 때 미는 힘을 함께 받아낸 뒤, 공중으로 몸이 뜨는 순간에 잠깐 다시 손을 놓을 것이다. 그러니 두 물체 사이에 마찰이 있다고 해서 그들의 사이가 나쁘다고 볼 수는 없다. 오히려 두 물체의 표면에 있는 분자들의 사이가 좋아서 마찰이 생긴다고 보아야 한다. <모든 계절의 물리학>, 김기덕 ”

“ p.94 한낮에 햇볕이 더욱 뜨거워지는 이유 또한 태양의 온도가 그 시간에 특별히 더 올라가기 때문은 아니다. 태양계 대장이 기껏해야 작은 행성인 지구의 자전 주기에 맞추어 자신의 온도를 친히 바꾸어줄 일은 없다, 단지 지표면에 있는 우리에게 도달하는 햇빛의 각도가 달라졌기 때문이다. ㅣ그림 15-2ㅣ를 보면 아침 9시에는 태양이 동쪽에서 떠오르기 시작하므로 햇빛 또한 수직보다 낮은 각도로 땅에 내리쬐게 된다, 이렇게 낮은 각도의 빛은 길게 펴 발라지듯 도달하여 닿는 영역도 넓다, 영역이 넓은 만큼 에너지가 분산되니 햇빛의 세기 또한 상대적으로 약할 수밖에 없다. 반면 낮 12시는 태양이 가장 높이 떠오르는 시간이다, 따라서 땅에 내리쬐는 햇빛 또한 수직에 가까운 각도로 꽂힌다, 높은 각도이 빛은 낮은 각도일 때보다 도달 영역이 좁다. 그만큼 에너지가 집중되어 햇빛의 세기 또한 더 뜨겁게 느껴진다. ⟪독서기록⟫ 한낮에 햇볕이 더욱 뜨거워지는 이유를 모든 계절의 물리학 " 여름"이 알려주는 과좀알은 도달하는 햇빛의 각도라는 것 - ㅋㅋ 감사합니다. ”

“ 어니스트 러더퍼드 덕분에 우리는 이제 모든 원자가 중심의 원자핵과 그 주위 공간을 차지한 전자로 이루어져 있다는 사실을 알고 있다. 그런데 이때 원자 안에 묶여 있는 전자는 특별한 성질을 띠고 있다. 전자의 에너지는 양자화되어 있다. '에너지가 양자화되어 있다'는 말은 해당 에너지의 값이 연속적이지 않다(불연속적)는 의미다. 그래서 에너지 사이의 간격도 일정하지 않다. 에너지층이 높아질수록 이 간격은 더 좁아진다. 에너지가 양자화된 상황에서 전자가 할 수 있는 행동이라고는 낮은 에너지층과 높은 에너지층을 오르내리는 것밖에 없다. 그리고 이렇게 전자가 양자화된 에너지층 사이를 이동하는 것을 퀀텀점프라고 한다. 하지만 전자가 마냥 자유롭게 에너지층 사이를 오갈 수 있는 것은 아니다. […] 높은 에너지층으로 올라가기 위해서는 부족한 에너지를 외부에서 공급받아야 하고, 낮은 에너지층으로 내려가기 위해서는 갖고 있던 에너지의 일부를 포기해야 한다. 이때 전자가 포기한 에너지가 빛으로 방출되는 것이다. ”

“ 고전역학에서 에너지는 전자의 속도에 따라 어떤 값도 가질 수 있는 연속적인 값이다. 하지만 양자화된 에너지는 특정한 값만 가질 수 있는 불연속적인 값이다. 전자가 좁은 공간에 갇히면 마치 건물 층처럼 특정한 값만 갖게 되는데, 원자 안에 있는 전자도 그러하다. 원자라는 좁은 공간에 갇힌 것이니 이때 전자의 에너지는 양자화된다. 이렇게 양자화된 전자의 에너지를 앞서 사무실 형광등에서 언급한 '에너지층energy level'이라고 한다(표준 번역은 '에너지 준위'지만, 여기에서는 쉽게 에너지층이라고 하겠다). ”

“ P.114 우리 눈에는 바코드 위로 붉은빛이 일직선으로 그려지듯 보이지만, 이 일직선은 레이저 LASER가 좌우로 움직이며 아주 빠르게 바코드를 훑고 지나간 흔적이다. 바코드의 색에 따라 반사되는 레이저 빛이 다르다는 것을 이용해 바코드의 정보를 읽는다. 레이저는 아주 강한 광원이라 바코드같이 물체를 인식할 때뿐 아니라 물체를 자르거나 깎을 때도 사용할 수 있다, 금속을 정교하게 절단하거난 조각하기 위한 공정,라섹, 라식 수술등에도 모두 레이저가 활용된다. Q. . 바코드의 색에 따라 반사되는 레이저 빛이 다르다는 것을 이용해 바코드의 정보를 읽는 어떤 원리인가? 빛의 반사량 차이 -흰색 부분 (또는 밝은 색) → 빛을 많이 반사함 (반사율 높음) ,검은색 부분 (또는 어두운 색) → 빛을 거의 흡수함 (반사율 낮음) - 레이저가 하는 역할 바코드 스캐너는 보통 빨간 레이저 빛을 쏩니다. - 이 빛이 바코드에 닿으면: 흰색 → 빛이 튕겨 나옴 (센서로 많이 돌아옴) 검은색 → 빛이 흡수됨 (거의 안 돌아옴) 👉 이 차이를 센서가 감지합니다. ”

“ p133 전자운동은 한번 시작되면 에너지가 필요하지 않다. 공기와 마찰하며 잃는 아주 작은 에너지를 무시할 경우 진자운동은 계속될 수 있다, 이 이론이 정말 사실이라면 마찬가지로 인간도 가만히 서 있을 때의 에너지와'진자운동을 하면서' 걸을 때 소모되는 에너지의 양이 크게 차이 나지 않을 것이다. Q.“진자운동 ? 흔들리는 물체의 왕복 운동” ”