세상에서 가장 재미있는 물리 이야기 사람과나무사이/하시모토 고지

‘물리학자의 눈’으로 바라보면 사물과 현상,
지구와 우주의 이면에 감춰진 ‘세계’가 모습을 드러낸다

물리학자의 눈으로 바라보면 사물과 현상은 우리에게 어떻게 다가올까? 저명한 물리학자인 저자와 함께 ‘물리학 안경’을 쓰고 지하철역, 마트, 주방, 엘리베이터 안, 에스컬레이터와 보도블록 위를 걸어보자. 당신은 그곳에서 지금까지 알지 못했던 놀라운 물리 법칙을 간파하게 될 것이다. 나아가 사물과 현상, 지구와 우주의 이면에 감춰진 흥미진진한 ‘세계’를 발견하게 될 것이다.

누구나 목적지에 빨리 다다르고 싶지 않을까. 물리학자도 마찬가지다. 그래서 갖가지 경로를 찾아 하나씩 ‘실험’해본다. 물리학은 실증 과학이다. 과학이란 재현 가능한 실험을 반복해서 수식으로 지배되는 학문 체계다. 과학에 목숨을 건 나와 같은 물리학자는 필연적으로 출퇴근길에도 과학이 나를 지배한다. 실험 방법은 간단하다. 우선 지도를 본다. 요즘에는 구글 지도처럼 자신의 현재 위치와 방향을 알 수 있는 지도를 언제 어디서든 휴대할 수 있어 든든하다. 다만 대단히 정확한 정보는 아니라는 점에 주의해야 한다. 다음 단계로 지도에서 출발지(예를 들어 역)와 목적지(예를 들어 회사 사무실) 위치를 확인한다. 그리고 최단 경로를 예상한다. 여기까지가 이론이다. 이론이 완성되면 다음 단계는 실험이다. 쉽게 말해 매일 아침, 저녁으로 걷는다. 물리학에서 가장 중요한 부분은 이론으로 예측한 것 이상의 무언가를 발견하는 것이다. 이론 예측을 실험으로 확인할 뿐이라면 굳이 몇 번씩 반복해서 실험할 동기를 찾을 수 없다. 이렇게 물리학자의 일상에 소소하지만 확실한 행복이 찾아온다.
---「‘초전도 건물’에 숨겨진 ‘경로 적분’의 비밀」중에서

왜 나는 마트에만 가면 다른 사람들과 부딪칠까? 내가 다른 사람들이랑 다르게 움직이기 때문이다. 그렇다면 만약 내가 다른 사람들처럼 움직인다면 부딪치지 않을 터. 즉 모든 인간의 움직임을 지배하는 법칙을 알면 나도 그 법칙에 따라 운동하는 한 마트에서 충돌 사고를 일으키지 않을 것이다. 인간의 개체를 기체 분자라고 가정하자. 기체 분자는 불규칙하게 움직이며 서로 충돌하거나 벽면에 충돌해 기체의 압력을 만들어낸다. 인간도 그냥 두면 무한대로 부딪칠 것이다. 그러나 마트에서 인간의 움직임은 그렇지 않다. 기체가 아닌 액체다. 같은 분자의 다입자계(多粒子系, 상호작용을 하는 셋 이상의 입자로 이루어진 계 ?옮긴이)도 온도를 내리면 기체는 액체가 된다. 마트에서 인간의 움직임은 마치 입구로 들어와 출구로 나가는 파이프 속을 흐르는 물과 같다.

나는 흥분했다. 내 전문 분야, 물리학 문제다. 기다려라, 내가 간다. 마트 통로는 복잡하게 얽혀 있다. 가로세로 몇 개의 통로가 존재한다. 그렇게 복잡한 파이프에 물을 흘려보내면 물이 고여서 흘러가지 않는 구간이 나오게 마련이다. 옳거니! 그 구간이 내가 다른 사람들과 부딪치는 장소다. 액체 분자가 흘러가지 못하고 고이는 구간……. ‘마트 위험지대’다. 그러면 마트에 갔을 때 ‘위험지대’를 피하면 다른 사람들과 부딪치지 않고 무사히 장을 볼 수 있다.
나는 안도의 한숨을 내쉬었다.
---「마트에서 충돌 사고를 방지하는 ‘물리학 보행법’」중에서

“‘고기 육’이라는 글자, 참 신기하지 않아?”
혼잣말처럼 중얼거렸지만 고기 굽기에 여념이 없는 가족들의 귀에는 내 말이 들리지 않는 모양이었다. 어쩔 수 없이 마음속으로 ‘고기 육’이라는 글자의 신비를 다른 차원에서 음미해보기로 했다. 한자라는 문자는 원래 표의문자, 즉 뜻을 글자로 표현하는 문자다. 가장 직관적인 의미는 뭐니 뭐니 해도 시각적 이미지다. ‘뫼 산(山)’이라는 한자는 산의 형상을 나타낸 글자다. 이 세상과 자연의 사물들 중에는 좌우 대칭이 많다. 그래서 모양을 나타내는 글자도 좌우 대칭이 많고, 한자에도 좌우 대칭인 글자가 많은 것이다. 여기까지 논리를 전개해 스스로 이해했다. 그렇다면 자연의 사물은 왜 좌우 대칭일까? 그것은 물론 중력이 존재하기 때문이다. 이 지구상의 모든 존재에는 중력의 힘이 작용한다. 중력은 위에서 아래 방향으로 작용한다. 그래서 나무는 위로 자라면서 좌우 대칭을 이뤄 ‘나무 목(木)’이라는 좌우 대칭의 한자가 만들어졌다.
“옳거니, 중력 때문에 한자는 좌우 대칭인 글자가 많았구나.”
---「한자에 좌우 대칭 글자가 많은 이유가 중력 때문이라고?」

이 대목에서 한 가지 의문이 생긴다. 우주의 자연법칙은 간결하다. 애초에 직선적이다. 예를 들어 ‘관성의 법칙’이란 힘이 가해지는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려 한다는 물리 법칙이다. 즉 대개 물체의 운동은 직선적이다. 인이 만들어낸 형상은 그 간결한 법칙을 그대로 이용하기에 직선적이다. 그렇다면 왜 그 직선적인 자연법칙에 지배되는 자연은 ‘곡선을 창조’할까?
법칙은 직선적이라도 몇몇 법칙을 연결하면 복잡하고 예상할 수 없는 곡선이 만들어진다고 알려져 있다.

가령 진자를 상상해보자. 진자는 줄 끝에 추를 매달아 좌우로 왔다 갔다 하게 만든 물체다. 진자가 그리는 운동은 구불구불하지 않고 매우 규칙적이다. 운동 자체는 원 운동의 일부이나 진자가 그리는 선은 직선적이다. 다시 말해 규칙을 발견하기 쉽다. 진자 앞에 진자 하나를 추가하면 어떻게 될까? 이 ‘이중 진자’는 전혀 예상하지 못한 운동을 일으킨다. 자연계에서나 볼 법한 구불구불한 움직임이다. 정신없이 뛰어노는 어린이들의 운동과 닮았다. 이중 진자 운동을 과학자는 ‘카오스’라 부른다. 카오스란 아주 조금이라도 운동이 어긋나면 이후 운동이 완전히 달라지는 현상을 가리킨다. 구불구불함의 정체는 바로 이해할 수 없는 규칙, 즉 카오스다. 카오스는 복수의 규칙으로 간단하게 생성된다. 그래서 자연에는 구불구불한 형상이 많다.
---「왜 인간은 직선을, 자연은 곡선을 창조할까?」

이 정도에서 물러설 내가 아니다. 다코야키 반지름에 상한이 존재하는 이유에는 근본적으로 구조적인 문제가 있다는 가설을 세웠다. 새로운 가설에 따라 이런저런 기억을 더듬어보니 곤충 크기의 상한은 외골격의 문제라는 논의가 있었다는 사실이 떠올랐다. 인간처럼 신체 내부에 골격을 가지고 있는 것이 아니라 외골격으로 표면을 덮어 몸을 지탱하는 구조라면 체구가 커질수록 체중에서 골격이 차지하는 비율이 너무 커져 생태적으로 손해라는 이야기였다.

다코야키의 본질은 입에 넣고 한입 베어 물었을 때, 안에서 ‘촉촉하고 녹진한’ 반죽이 쏟아져 나오는 식감이다. 다시 말해 한입에 베어 물려면 겉이 너무 두꺼우면 곤란하다. 적당한 두께를 유지하며 내용물이 흘러나오지 않도록 형태를 유지하려면 반지름에 상한이 있어야 한다. 그렇다면 이 겉 표면의 두께를 유지하면서 다코야키 반지름을 늘릴 수는 없을까? 이 질문이야말로 진정한 혁신의 순간이 아닐까.

나는 순간적으로 답에 도달했다. 갑충은 거대화하기 위해 몸을 평편하게 만들었다. 커다란 지네로 대표되듯 곤충은 몸을 평편하게 만들어 외골격이 떨어진 두 점 사이의 거리를 최소한으로 유지하면서 거대화할 수 있었고, 효과적으로 몸 내부에 버팀목을 만들어 어지간해서는 망가지지 않는 몸을 완성하지 않았을까? 흔히 물리학자끼리 ‘소를 구라고 가정해보자’라는 농담을 주고받는다. 이 농담이야말로 이번 다코야키 반지름 상한 문제의 풀이에 걸림돌이 되었다. 유레카, 일대 이노베이션이다!
---「다코야키 반지름과 장수풍뎅이 크기에 상한이 존재하는 이유」

내가 물리학을 연구할 수 있는 것도 물리학을 연구하는 자세를 ‘당연한 일’이라고 홈스가 가르쳐준 덕분이다. 홈스가 물리학자로서 내 혈육처럼 느껴질 때도 있다. 셜록 홈스의 특별함은 그의 기괴한 행동에 있다. 『두 번째 얼룩』(The Adventure of the Second Stain)에 등장하는 사건으로 대표되듯 그는 알고 싶은 일이 있으면 땅바닥을 기는 일도 마다하지 않는다. 또 생각할 거리가 있으면 절친 왓슨과의 대화도 차단한 채 침묵에 빠져 며칠씩 한 사건의 수수께끼에 집중한다. 그런 장면이 작품 전편을 통해 자주 등장하며 일관된 홈스상을 독자에게 제시했다.
홈스의 모습은 과학자의 전형적인 연구 자세와 닮았다. 실제로 시간을 잊고 문제에 골몰하거나 과제에 지나치게 집중해 사고를 당했다는 과학자 이야기를 자주 듣는다. 실제로 나도 비슷하다. 이론물리학자의 작업이란 자신의 마음 깊은 곳에서 풀고 싶은 문제를 만나고, 그 문제에 몰두하는 데 자신을 바치고, 또 순간적으로 찾아오는 아이디어에 열광하는 것이다. 그리고 보수는 돈이 아닌 자신의 탐구심을 충족하는 것이면 충분하다고 생각한다. 이는 셜록 홈스의 행동철학 그 자체다.
---「셜록 홈스를 흉내 내는 과학자 vs. 셜록 홈스 같은 과학자」중에서

나는 손톱으로 껍질 까기를 포기하고 부엌칼로 작디작은 마늘을 반으로 잘라보았다. 단면을 조심조심 들여다보니 껍질 구조를 더는 식별할 수 없었다. 물론 구조가 보이지 않는다고 해서 껍질이 존재하지 않는다는 것이 증명되지는 않는다. 나는 실망과 안도감이 뒤섞인 묘한기분에 휩싸였다. ‘우주라는 이름의 양파’ 이야기를 떠올렸다. 원자를 벗기면 원자핵과 전자가 나온다. 원자핵을 벗기면 양자와 중성자가, 그리고 다시 벗기면 쿼크라 부르는 소립자가 나온다. 인류는 겨우 그 단계까지 우주라는 이름의 양파를 벗겼다. 그 양파를 한 번 더 벗길 수 있을까? 벗기면 어떻게 될까? 그리고 칼로 잘라서 안을 들여다보면 무엇이 보일까? 인류의 목표는 아직 저 멀리 있다. 오늘도 또 몇십 편의 논문이 발표되고 다음 껍질을 벗기는 결과를 예상한다. 인류는 수많은 양파를 까는 경험을 쌓아 그 구조를 이해함으로써 양파의 다음 껍질을 깔 수 있었는지도 모른다. 그곳에는 어떤 세계가 기다리고 있을까.

---「‘마늘 까기’에서 미분의 원리를 발견하다」중에서