지금은 나노 시대라고 한다. 나노는 10억분의 1미터로 보통 원자의 크기의 10분의 1정도의 크기를 말한다. 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어져 있는데 이 전자들이 우리 몸에 찌릿찌릿 정전기를 느끼게 하는 알갱이이다. 20세기 초반 물리학자들은 전자를 발견했고 전자들의 움직임이 날아가는 야구공과는 달리 새로운 물리 원리를 따른다는 사실을 알아냈는데 그 원리가 바로 불확정성의 원리이다.
야구공은 우리 눈으로 관찰할 수 있다. 그러니까 위치도 속도도 정확하게 결정할 수 있다. 하지만 전자는 우리가 상상할 수 없을 정도로 너무나 작고 가볍다. 그리고 원자라는 상상할 수도 없이 작은 마을에서 살고 있는 전자들은 날아가는 야구공과는 다른 새로운 물리 법칙을 따른다. 즉, 야구공과는 달리 전자의 위치와 속도를 정확하게 관측할 수 없는데 이것이 바로 불확정성의 원리이다.
이 책은 이 세상의 모든 것을 구성하는 가장 작은 세계를, 불확정성 원리를 이용하여 전기자기력과 약력을 통일하여 노벨 물리학상을 받은 20세기 중반의 천재 물리학자 파인먼을 통해 아이들에게 알기 쉽게 강의한다.
파인먼이 직접 강의하듯 꾸며진 흥미로운 불확정성 원리 수업
한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학으로 박사학위를 받은 저자는 학생들을 위해 우선 쉽고 재미난 강의 형식을 도입했다. 저자는 위대한 물리학자들이 교실에 아이들을 앉혀 놓은 뒤 일상 속 실험을 통해 그 원리를 하나하나 설명해가는 방식으로 그들의 위대한 물리 이론을 초등학생부터 이해할 수 있도록 서술했다.
〈파인먼이 들려주는 불확정성 원리 이야기〉는 전편인 〈아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기〉와 유사한 9일간의 수업으로 진행된다. 하지만 불확정성 원리를 아이들에게 이해시키기 위해 저자는 아이들과 보다 적극적인 실험을 시도한다.
첫 번째 수업은 전자를 발견하는 과정이고, 두 번째 수업은 빛을 이루는 알갱이 광자와 전자에 대한 이야기이다. 저자는 구덩이에 구슬을 던지는 실험을 통해 빛을 쪼이면 전자가 튀어나가는 광전 효과의 원리를 설명한다. 특히 셋째 날 수업에서 러더퍼드가 원자핵을 발견하는 과정을 총을 종이에 쏘는 실험을 통해 설명하는 부분은 아이들의 눈높이에 맞으면서 또한 보이지 않는 세계를 느끼기 위해 어떤 실험 장치를 고안해야 하는가를 생각하게 해준다. 이렇게 저자는 수업 곳곳에서 청소년들의 눈높이에 맞는 재미있는 실험을 통해 불확정성 원리라는 어려운 물리학을 소개하고 있다.
전자에 대해 호기심 많은 청소년들을 위한 책
전자의 위치와 속도를 정확히 관측할 수 없을 때 물리학자는 확률을 이용한다. 저자는 하루 수업을 확률에 투자하여 불확정성원리를 만족하는 전자가 어떻게 보일 것인가를 소개한다. 또한 마지막 수업에서 저자는 물리학자들이 쿼크를 어떻게 발견했는가를 간단한 실험에 의해 보여준다.
책의 마지막 부분에 소개되는 ‘불확정성나라의 신데렐라' 이야기는 저자가 불확정성 원리를 보다 쉽게 설명하기 위해 패러디한 과학 동화로서, 위치를 정확하게 관측하려하면 속도의 오차가 너무 커지고 속도를 정확하게 관측하려고 하면 위치의 오차가 너무 커지는 그런 세상에서 신데렐라는 어떤 행동을 보일까를 재미있게 설명하고 있다.
본문 중 “발을 구두 속에 정확하게 넣는 것은 위치오차를 작게 하는 거예요. 그럼 속도 오차가 아주 커질 수 있지요. 그럼 아주 큰 속도로 내 발과 부딪친 구두가 깨질 수 있단 말이에요.”라고 말하면서 신데렐라가 눈을 감고 발을 아무 데나 찔러보는 부분은 코믹하면서도 불확정성 원리가 담겨 있는 의미 있는 부분이다. 동화 곳곳에서 저자가 불확정성 원리와 관련된 사건들을 담아놓은 부분을 발견할 수 있다.
이 책의 구성 및 장점
― 개정된 교육과정을 반영하여 각 수업마다 연관되는 교과연계표를 삽입하였다. 즉, 교과 공부에도 도움을 주도록 하였다.
― 각 수업마다 ‘만화로 본문 읽기’ 코너를 두어 각 수업에서 배운 내용을 한 번 더 쉽게 정리할 수 있게 하였다.
― 꼭 알아야 할 중요한 용어는 ‘과학자의 비밀노트’ 코너에서 보충 설명하여 독자들의 이해를 도왔다.
― ‘과학자 소개 과학 연대표 체크, 핵심 내용 이슈, 현대 과학 찾아보기’로 구성된 부록을 제공하여 독자에게 본문 주제와 관련한 다양한 정보를 제공하였다.
정완상
1985년 서울대학교 무기재료공학과를 졸업하고, 1992년 KAIST에서 초중력 이론으로 이론물리학 박사학위를 취득하였으며, 현재는 국립 경상대학교 기초과학부에서 학생들을 가르치고 있다. 전공 분야는 중력 이론과 양자대칭성 및 응용수학으로, 현재까지 수학·물리 분야의 국제 학술지에 100여 편의 논문을 발표했다. 2000년에는 진주 MBC 생방송‘생활 속의 물리학’코너에 고정으로 출연하였다. 지은 책으로는《패턴으로 배우는 중학 수학》《과학공화국 법정 시리즈 1~50》《파인먼이 들려주는 불확정성 원리 이야기》《가우스가 들려주는 수열 이야기》《파스칼이 들려주는 확률 이야기》《뉴턴이 들려주는 만유인력 이야기》《갈릴레이가 들려주는 낙하 이야기》《리만이 들려주는 4차원 기하학 이야기》《맥스웰이 들려주는 전기 자기 이야기》《페르마가 들려주는 정수 이야기》《하위헌스가 들려주는 파동 이야기》《퀴리부인이 들려주는 방사능 이야기》《디오판토스가 들려주는 방정식 이야기》《줄이 들려주는 일과 에너지 이야기》《피타고라스가 들려주는 삼각형 이야기》《보일이 들려주는 기체 이야기》등이 있다.
첫 번째 수업 전자란 무엇일까요?
두 번째 수업 광자란 무엇일까요?
세 번째 수업 원자는 어떻게 생겼을까요?
네 번째 수업 전자가 기차 타요
다섯 번째 수업 불확정성 원리가 뭘까요?
여섯 번째 수업 전자는 어디에 있을까요?
일곱 번째 수업 원자핵에는 누가 살까요?
여덟 번째 수업 원자핵 속에서는 어떤 일이 벌어질까요?
마지막 수업 쿼크란 무엇일까요?
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