물리학은 과학의 거의 모든 것을 포괄한다. 아마도 전공에 따라서 받아들이는 게 다르겠지만, '과학'을 다루는 대부분의 분야는 물리학의 일부이다.

내가 물리학을 전공하는데 영향을 끼쳤던 책 중 하나가 '코스모스'라는 책이다. 고 2때쯤 읽었던 걸로 기억하는데, 막연히 '멋있다.' 라는 생각을 했었고, 그게 점점 굳어져서 고 3 중반쯤에는 전산과(요새는 컴퓨터 공학과라고 하는..)를 가려던 생각을 완전히 바꿔서 물리학과를 선택하게 만들었다. 물론, 아마도 더 큰 영향을 끼친 것은 고 3 때 담임선생님이 물리선생님이셨다는 점도 있다.

코스모스가 1980년대에 한번 저자인 칼 세이건이 직접 출연하여 드라마(분류상으로는 다큐멘터리이지만, 당시 미국에서 방영될 땐 드라마 시간대에 방영됐다. 이유는 당시 드라마 작가들이 파업을 해서 드라마가 방영이 안돼서 그 시간에 방영됐기 때문이고, 마침 미남 과학 선생이 나오고 신선해서 당시 미국 아줌마들이 열광했다는 뒷얘기도 있다.)를 방영한 적이 있었고, 2014년에 다시 칼 세이건의 부인이었던 앤 드루얀이 제작하고 천체물리학자인 닐 타이슨이 나오는 코스모스가 나왔다. 1편부터 13편까지 한편도 빠짐없이 토요일 밤에 봤다.

불과 몇세기 전 우리는, 우리가 언제, 어디에 있는지도 몰랐습니다.
나머지 코스모스에 대해 모른 채 감옥에 살았던 셈입니다. 껍질에 쌓여 있는 작은 우주였죠. 우린 어떻게 그 감옥에서 탈출했을까요 ?

5개의 단순한 규칙을 가슴에 새긴 몇 세대에 걸친 탐구자들의 업적 덕분이죠.

권위를 의심하십시오. 저를 포함해 누군가가 말했다는 이유만으로 진실이 될 수는 없습니다.

스스로 생각하세요. 자신을 의심하십시오. 믿고 싶다는 이유만으로 뭔가를 믿어서는 안됩니다. 진실을 만드는 것은 믿음이 아니죠.

관찰과 실험에서 얻은 증거로 생각을 검증하십시오. 마음에 드는 생각이 잘 설계된 검증 과정을 통과하지 못한다면 그건 틀린 겁니다.

증거가 이끄는 곳으로 어디든 따라가십시오. 증거가 없다면, 판단을 보류하세요.

무엇보다 중요한 규칙은 이것일 겁니다. 자신이 틀렸을 수도 있음을 명심하십시오. 훌륭햔 과학자들도 틀릴 때가 있습니다. 뉴튼, 아인슈타인을 비롯해 역사 속의 위대한 과학자들 모두 실수한 적이 있습니다. 당연하죠. 그들도 인간이니까요.

과학은 자신을, 또 서로를 속이는 것을 방지하는 수단입니다. 과학자들도 죄를 지었을까요 ? 물론입니다. 우리가 다른 도구와 마찬가지로 과학을 악용한 적이 있습니다. 그래서 과학을 힘있는 소수에게만 맡길 수는 없는 겁니다. 우리 모두가 과학에 대해 더 많이 알수록 과학이 악용될 가능성은 줄어듭니다. 이런 가치관은 맹신과 무지에의 호소력을 약화시킵니다.

- 닐 타이슨, 코스모스 13회 마지막에서 …

이 말은 과학에 대하여 가장 잘 표현한 것 중 하나라고 생각한다. 과학은 어려운 게 아니다. 하지만 쉽지는 않다. 기본이 되는 것이기에 정말로 오염되지 말아야 한다.

과학을 전공하지 않은 사람들과 과학관련 얘기를 할 때 가장 많이 접하게 되는 오류 중 하나는 어느 유명한 과학자가 한 얘기니깐 그 말이 맞다. 라는 식으로 주장하는 것과 반대로 어느 유명한 과학자가 어떤 이론을 주장했는데, 그게 틀렸으니 그 분야가 틀렸다고 얘기하는 것이다.

예를 들자면 역학 얘기를 하면서 뉴튼역학 얘기를 하다가 뉴튼이 관성에 대해서 명확하게 설명을 하지 못했고, 중력의 전달 속도도 틀리게 설명했으니 뉴튼역학 전체가 틀린 거다.. 라는 식으로 얘기를 한다는 경우이다.

※ 뉴튼역학에서 설명하는 중력의 전달속도는 '즉시' 이다. 우주 양쪽 끝에 각각 하나씩, 두개의 물체이 있을 때 어느 하나가 사라지면 다른 하나의 물체가 즉시 반대편에 있는 물체가 사라진 것을 알게 된다는 것이고, 아인슈타인의 상대성이론에서는 중력의 전달속도는 '빛의 속도' 라고 설명하고 있고, 현재는 아인슈타인의 상대성이론이 맞는 것으로 설명되고 있다.

또 다른 경우에는 과학에서 설명하지 못하는 부분이 있으니 과학은 쓸데없다 또는 틀렸다 라고 주장하는 경우도 있다. 흔히 진화론의 대척점이라고 스스로 주장하는 창조론(또는 지적설계론)을 주장하는 사람들이 그렇게 주장한다. 진화론에서 만족스럽게 설명하지 못하는 현상을 예로 들면서 저게 틀렸으니 이게 맞다라고 주장하는 경우가 있다. 예를 들자면 생명의 탄생 그 순간이라든가, 그들이 그렇게 주장해대는 'missing link' - 화석으로 진화를 설명하는데, 아직 발굴되지 않았거나 하여 빠져 있는 화석자리… 인류의 진화과정에서 몇개 빠져 있는 게 있다고들 하는데 전공분야는 아니어서 명확히는 설명하긴 좀 어렵다. - 가 있기 때문에 진화론은 틀린 것이고 창조론(또는 지적설계론)이 맞다고 주장하는 것 등등 ..

저 이론이 틀렸다고 해서 이 이론이 맞는다는 증거가 될 수는 없다. 그냥 저 이론이 틀렸거나 아니면 좀 미비한 점이 있는 것일 뿐이다. 이 이론과는 별로 상관없는 경우가 대부분이다.

하지만, 과학은 그런 게 아니다. 과학은 어떠한 현상을 그대로 인정하고, 그 현상을 설명할 수 있는 근거들을 가지고 인간의 지성으로 최대한 설명하는 게 과학이다. 예를 들자면 아리스토텔레스는 돌덩어리는 아래로 떨어지고 새의 깃털은 바람에 날리는 것을, 무거은 것은 아래로 떨어지는 속성을 지녔고, 가벼운 것은 하늘로 가려는 속성이 있다고 설명하였고, 그게 그 당시의 과학이었다. 그 당시로서는 그러한 현상을 설명할 수 있는 최대한의 노력이었던 셈이다. 뉴튼이 제대로 설명하지 못했던 중력의 전달속도에 대한 것도 마찬가지다. 당시에는 아직 빛의 속도를 정확하게 알지 못하였고 무엇보다도 '장(Field)' 이라는 개념이 없던 시절이다. 이 문제는 뉴튼 이후 몇십년 뒤에 맥스웰이 페러데이의 전자기학을 수식으로 정리하면서 '장'이라는 개념을 '역선'으로 도입하면서 해결된다.

※ '장'은 중력장, 전자기장 등에서 쓰이며, 보스코비치라는 거의 알려지지 않은 동유럽 세르비아의 과학자는 원자이론을 발전시켰는데, 그가 주장했던 내용은 힘과 물질의 개념을 분리 할 필요가 없고, 궁극적인 물질인 원자는 힘의 중심으로 작용하는 위치를 나타내는 한 점에 불과하다고 얘기하면서 한 물체와 그 물체에 힘을 작용하는 다른 물체 사이의 공간은 힘을 전달하는 것이 바로 '장(Field)' 라고 얘기하였다. 보스코비치의 원자이론은 현재관점에서 보면 틀린 이론이지만, 장에 대해서는 여전히 유효하다.

그 뒤를 이은 과학자들도 역시 틀린 주장을 한 경우도 있고 그것 때문에 논쟁을 벌인 것도 많다. 아인슈타인 역시 위대한 과학자이지만, 그 역시 양자역학과 관련하여 신은 주사위를 던지지 않는다는 식으로 양자역학을 인정하지 않았으며, 상대론(흔히 상대론 하면 e=mc^2 만을 생각하지만, 물리학에서 상대론은 일반적으로는 중력이론이다.) 으로 우주를 설명하면서 우주상수를 집어넣는 실수를 한다. 물론, 이 실수는 다시 20세기 후반이 되면서 우주가 가속팽창을 한다는 것이 밝혀지면서 다시 부활했다. 사실 과학자가 과학 얘기를 하면서 '신'을 언급하면 그냥 졌다고 인정하는 거다. 물론, “이러한 진리를 깨닫게 해주신 신께 감사드립니다.” 이런 거야 상관없지만 …

다시 닐 타이슨이 했던 말로 돌아가서, 무엇보다 중요한 규칙은 이것일 겁니다. 자신이 틀렸을 수도 있음을 명심하십시오. 훌륭햔 과학자들도 틀릴 때가 있습니다. 뉴튼, 아인슈타인을 비롯해 역사 속의 위대한 과학자들 모두 실수한 적이 있습니다. 당연하죠. 그들도 인간이니까요. 과학이 다른 학문과 다른 가장 큰 차이점은 바로 이것이다. 과학 스스로가 틀릴 수 있다는 것을 스스로 인정하고 그것을 바로 잡고 고치고 다른 내용을 받아들일 준비를 하고 있다는 것이다.

물리학의 수많은 수식이 있고, 그것이 설명하는 수 많은 자연현상들이 있다. 그리고 그것은 결국 2가지로 귀결된다. 양자역학, 상대성이론 … 자연계에 존재하는 것으로 알려진 4가지 힘, 강한 핵력, 약한 핵력, 전자기력, 중력 … 이 있고, 이것은 예전에는 각기 다른 힘으로 설명이 됐었지만, 이제는 강력, 약력, 전자기력은 양자역학으로 설명이 되고, 중력은 상대성이론으로 설명되고 있다. 그리고 이것을 다시 하나의 힘으로 기술하려는 많은 노력이 있는데, 그런 것들을 통일장이론, 궁극의힘 등으로 부르고 있고, 그 중 가장 유명한 것이 초끈 이론이다. 하지만, 내 개인적으로는 아직까진 그다지 희망적으로 보이진 않는다. 워낙 성질이 다른 힘이기 때문이다. (내가 초끈 이론 수식을 제대로 해석하지 못해서이기도 할 거다.)

으로 정리할 수 있다.

※ 꼭 4가지 힘만 있다고 단정지을 수는 없다. 하지만 현재까지 모든 힘은 강력, 약력, 전자기력, 중력으로 설명된다. 만일 제 5의 힘이 있다고 주장하는 사람이 있다면 그 사람은 둘 중 하나다. 조만간 노벨상을 타게 되거나, 아니면 사기꾼이거나 …

저 4가지 힘중에서 강력, 약력은 합쳐서 흔히 핵력이라고 부르고, 원자핵 속에서 일어나는 일이기 때문에 인간이 제어하기 어렵다. 물론, 이용은 가능하다. 원자력 발전소라든가 원자폭탄이라든가… 그러니 보통 사람들은 원자력 발전소에서 나온 전기를 쓰는 정도가 핵력을 접할 수 있는 유일한 기회일 거다. (어디서 핵전쟁이라도 난다면 모르겠지만 .. 그런 일은 제발 좀 ..) 물론, 하늘에 있는 태양이라든가 별빛은 대부분 원자핵융합으로 나온다. 물론, '빛'이라고 해서 눈에 보이는 가시광선만을 애기하지는 않는다. 낮은 주파수의 전자기파부터 적외선, 가시광선, 자외선, X-ray 등 모든 종류의 에너지를 가진 전자기파를 뜻한다. 그 외에도 중성미자도 있고 .. 등등 …

중력은 이용가능하지만, 제어는 불가능하다. 현재까지 밝혀진 바로는 중력은 시공간의 왜곡이고, 여기에 영향을 끼치는 것은 오로지 해당공간에 있는 물체의 질량이기 때문이다. 중력장 발생기라든가 반중력 엔진 .. 뭐 이런 건 아직까지는 SF 영화에서나 가능한 얘기다.

인간이 자유자재로 활용하고 제어할 수 있는 힘은 현재까지는 전자기력이 유일하다. 그리고 우리가 접하는 대부분의 물리현상 역시 전자기력(+ 중력) 현상이다.

이러면, 이러한 힘은 대체 또 뭔가 ? 어떻게 설명하는 거지 ? …… 다음에 이어진다. (아아 이런 무책임…)

2014/06/13 akpil