아인슈타인이 이발사에게 들려준 이야기

궤도는 바뀌지 않는다. 중국 각지의 접골원만 성황을 이룰 것이다. 중국이 인구 대국이라 이런 말들을 하는데, 이럴 경우 한 가지 분명한 건 방금 말한 것처럼 24억 개의 삔 발목이 생길 수 있다는 사실이다. 문제는 두 가지이다. 첫째는 뛰어내릴 때의 충격이 얼마나 강한가이고, 둘째는 과연 이런 충격으로 지구의 궤도를 바꿀 수 있는가이다.



사람이 땅에 떨어질 때의 충격을 계산하는 것은 간단하다. 12억 중국 인구의 1인당 평균 체중이 68kg이라고 한다. 이들이 일제히 뛰어내리면 1조6천억 줄의 에너지가 생겨난다. 이 정도는 리히터 지진계로 강도 5.0인 중간 규모의 지진이 내는 에너지와 비슷하다. 이런 지진은 수백만 년 동안 수도 없이 일어났고, 지진 때문에 지구 궤도가 바뀌었다는 증거는 지금까지 발견된 적이 없다. 지진의 에너지든 '족진'의 에너지든 이런 것으로는 지구의 궤도를 바꿀 수 없다.



우리는 모두 지구라는 거대한 질량의 일부이고, 그 질량의 일부가 위아래로 뜀뛰기를 하든 말든 지구 전체의 질량은 변하지 않으며 속도도 바뀌지 않는다. 한마디로 우리는 모두 거대한 우주선에 타고 있는 승객인 것이다. 자동차의 앞 유리를 손으로 민다고 차가 빨리 갈까? 자동차 천장을 민다고 차가 공중에 뜰까?총 같은 현대무기나 자동차가 발명되기 훨씬 전에 사람들은 말을 타고 칼로 싸움을 했다. 오른손잡이라면 오른손으로 재빨리 칼을 뺄 수 있도록 칼을 왼쪽에 차야 한다. 그리고 말을 타게 되면 가능한 한 도로의 왼쪽으로 달리려고 할 것이다. 그래야 반대편에서 오는 말을 자신의 오른쪽으로 지나가도록 할 수 있으며 그가 적이라면 오른손으로 재빨리 칼을 뽑아 싸울 수 있기 때문이다.



이런 전통은 마차의 시대에도 계속되었다. 말이 끌 필요가 없는 수송 수단이 발명된 다음에도 몇몇 나라들은 이 방법을 고수했다. 마차와 자동차가 같이 다니던 시대에도 마찬가지였으며 그래서 지금까지도 유럽은 자동차가 좌측으로 다니고 있는 것이다.



그러면 왜 미국을 비롯한 다른 나라에서는 자동차들이 오른쪽으로 달릴까? 시간이 감에 따라 칼 대신 활을 주로 쓰게 되자 굳이 오른쪽을 방어해야 할 필요가 없어진 데다, 신생국이나 전통의 힘이 강하지 않은 나라에서 다수의 오른손잡이들이 오른쪽으로 다니는 것을 더 편하게 생각했기 때문에 자연히 오른쪽으로 통행하는 것을 법규로 정하게 되었던 것이다. 만약 양손잡이들만 사는 나라에서는 자동차가 모두 가운데로 달릴지도 모르겠다.글쎄. 무수한 사람들이 엘리베이터를 타면서 이런 생각을 했을 것이고, 물리학자라고 이름을 내건 사람들은 모두 친구들에게서 이런 질문을 받았을 것이다. 어쨌든 한마디로 대답하면 "아니오."이다.

충돌하는 순간에 깃털처럼 떠서 사뿐히 바닥에 내리려면 엘리베이터의 낙하 속도와 맞먹는 속도로 점프를 해야 한다. 엘리베이터가 안에 탄 사람과 함께 시속 80km의 속도로 떨어진다고 하자. 이를 상쇄하려면 같은 속도로 몸을 솟구쳐야 한다. 하지만 아무리 뛰어난 농구 선수라도 점프 속도가 시속 8km를 넘지 않는다.



엘리베이터의 케이블이 끊어지기 직전을 상상해 보자. 케이블이 끊어지면 위로 당기는 케이블의 힘과 밀어 올리는 바닥의 힘이 사라져버린다. 끌어내리는 중력의 힘만 남는 것이다. 아주 잠깐 동안 사람은 '무중력 상태'에 빠진다. 왜냐하면 바닥이 밀어 올리는 힘이 사라졌기 때문이다. 그러나 달콤한 무중력 상태는 순식간에 지나가고 중력이 엘리베이터와 사람을 무자비하게 끌어내려 버린다.비행기가 뜨는 이유 - 엄청난 덩치의 비행기가 물도 아닌 공기 중에 떠서 날아갈 수 있다는 사실을 믿을 수가 없다. 어떻게 나는 것일까?초음속 자동차의 라디오

- 자동차가 음속보다 빨리 달릴 수 있다면 그 안에서 라디오를 들을 수 있을까?2. 여길 봐!

형광이 있으라!

- 형광 램프는 열도 나지 않는데 어떻게 그렇게 밝을까? 형광 램프가 수명이 다 되었을 때, 길 이만 같으면 아무 것이나 다른 걸로 바꾸면 되나? 아니면 형광 램프에도 종류가 많은가?형광 램프는 직선이거나 U자형, 원형으로 되어 있다. 소비전력(와트)도 정해져 있다. 램프에서 나는 빛의 색, 직경도 마찬가지이다. 형광 램프에 써 있는 글자는 위에 순서대로 해독하면 된다. 모양, 소비전력, 색, 직경 순으로 나와 있다는 얘기다. U자형이나 원형으로 생긴 형광 램프는 U나 C로 시작하며, 직선으로 된 것은 해당하는 글자가 없다. 소비전력은 4, 5, 8, 13, 20, 30, 40 등 다양한 값으로 표시된다. 그리고 색 코드가 나온다. W는 흰색, CW는 시원한 흰색, WW는 따뜻한 흰색이고 그밖에 희한한 색이 많이 있다. 마지막으로 직경인데 8분의 1인치 단위로 표시되어 있다. T8은 8분의 8인치로, T12는 8분의 12인치로, 1.5인치에 해당한다.



이쯤 해두고 형광 램프의 원리를 살펴보겠다. 할로겐 램프를 위시하여 보통의 백열 전구는 전기를 써서 필라멘트가 하얗게 될 때까지 달구어 빛을 낸다. 그래서 전구의 표면 온도는 수백 도까지 올라갈 수 있다. 그러나 형광 램프는 완전히 다르다. 형광 램프의 내부는 소량의 비활성 기체로 채워져 있는데 대부분 아르곤을 사용한다. 그리고 한 방울 정도의 수온이 들어간다. 양쪽 끝에는 작은 필라멘트가 있어서 전류가 통하면 가열되어 전자를 방출한다.



필라멘트가 내보낸 전자는 아르곤 기체를 통과하여 반대쪽 필라멘트로 날아간다. 이 과정에서 전자는 필라멘트 열에 의해 증발한 수은 원자와 충돌한다. 수은 원자는 충돌 에너지를 흡수하여 빛에너지로 방출한다. 그러나 이 빛은 파장이 자외선 대역에 있기 때문에 우리 눈에 보이지 않는다. 따라서 가시광선으로 바뀌어야 한다. 형광 램프 안 벽에 칠해진 하얀 물질이 이 일을 해낸다. 이 물질은 칼슘, 인산 스트론튬, 규산염 등으로 되어 있고 자외선을 흡수하여 가시광선으로 내보내는 성질이 있다. 이렇게 파장을 바꾸는 과정을 '형광'이라고 한다.



형광 램프는 백열 전구처럼 뜨겁지 않은데 이는 양쪽 끝에 조금만 가열하면 되는 작은 필라멘트 2개가 있을 뿐인 데다 형광을 일으키는 과정 자체가 열을 내지 않기 때문이다. 그러나 이 과정은 시작하기가 어렵다. 필라멘트에서 방출된 전자가 형광 램프 전체를 거쳐 아르곤 기체를 헤집고 반대쪽 끝까지 가야 하기 때문이다. 그러려면 수백 볼트의 전압으로 밀어줘야 하는데 가정용 전기의 전압은 220볼트에 불과하다. 안정기가 하는 일이 이것이다. 만일 형광램프에 F40CW-T10이라는 암호가 쓰여 있으면 이것은 40와트의 시원한 흰색을 내는 1과 4분의 1인치(1.25인치)짜리 직선형 형광 램프를 뜻하는 코드라고 알아두면 된다.온도를 측정하는 기구는 1592년경부터 존재해 왔지만 눈금이 없었기 때문에 어떤 물체의 온도가 몇 도인지를 나타낼 수가 없었는데, 1714년에 파렌하이트가 아주 가느다란 수은을 집어넣은 유리관을 만들었다. 수은은 광택이 있기 때문에 금방 눈에 띄는 액체이다. 이 수은은 뜨거워졌다 차가워졌다 하면서 팽창과 수축을 했고 이에 따라 올라갔다 내려갔다 한다. 그런데 파렌하이트가 만든 온도계는 그 이전 것들과 마찬가지로 자판이 없는 시계와 같았다. 눈금을 새기고 숫자를 매겨야 했던 것이다.

그래서 파렌하이트는 자신이 발명한 유리관에 숫자를 새기는 체계를 고안해 냈다. 그래서 어떤 온도계로 재든 같은 온도에서는 같은 눈금 값이 나오도록 했다. 파렌하이트는 바로 여기서 실수를 저질렀다. 역사가들은 파렌하이트가 눈금을 정할 때 무슨 생각을 했는지에 대해 아직도 고민하고 있지만, 대략 다음과 같은 것이 아닌가 추측하고 있다. 우선 그는 원이 360도이므로 온도계도 이에 따르는 것이 좋겠다고 판단했다. 그래서 물의 어는점과 끓는점 사이를 360으로 나누려다 보니 눈금이 너무 세밀해질 것 같아 180을 택한 것으로 보인다.



그러면서 파렌하이트는 실제로 어떤 숫자를 매겨야 할지 생각했다. 0과 180? 180과 360? 아니면 32와 212? 파렌하이트는 자신이 만들어낼 수 있는 가장 낮은 온도, 그러니까 얼음과 염화암모늄의 혼합물 속에 온도계를 찔러 넣고 잰 온도를 0으로 잡았다. 다음 실험 대상은 얼음물이었다. 여기서는 온도계가 앞서 말한 얼음과 염화암모늄 혼합물의 온도(그러니까 화씨 0도)보다 32도가 높은 것으로 나왔다. 그리고 얼음과 끓는 물 사이의 눈금 수를 180으로 정했으므로 물의 끓는점은 212가 된다. 이제까지 이야기한 것이 가브리엘 파렌하이트가 화씨를 정한 경위이다.



한편 파렌하이트가 죽은 지 6년 후 스웨덴의 천문학자인 안데르스 셀시우스는 오늘날 우리가 '섭씨'라고 부르는 체계를 고안해 냈다.(섭씨는 셀시우스 씨가 고안한 체계라는 뜻) 그는 어는점과 끓는점 사이를 180등분하지 않고 100등분했다.완전 진공은 정말 아무 것도 없는, 분자가 하나도 없는 상태이다. 그러나 완전 진공은 '완전히 믿을 수 있는 정치인'처럼 하나의 추상적인 개념일 뿐이다. 그러니까 현실 세계에는 존재하지 않는다.



효율 100%의 완벽한 진공 펌프를 발명해서 어떤 공간 안의 공기 분자를 마지막 하나까지 빨아낸다 하더라도 완전 진공을 얻는 것은 불가능하다. 왜냐하면 용기의 안쪽 벽이 진공을 향해 자신의 분자를 날려보내기 때문이다. 이 세상의 모든 물질은 고유의 증기압을 갖고 있다. 증기압은 어떤 물질의 분자가 기체 상태로 되어 그 물질로부터 떨어져 나가는 정도를 말한다. 아무리 단단해 보이는 물질이라도 이 점에서는 예외가 없다.



알려진 물질 중 가장 증기압이 낮은 텅스텐으로 진공실을 만든다고 하더라고 결과는 마찬가지

이다. 텅스텐이 증발하지 않아도 고무, 윤활유 등 증기압이 상당히 높은 부품이 달려 있는 진공 펌프 자체에서 분자들이 빠져 나올 테니까. 그래도 과학자들은 가장 완벽에 가까운 진공을 만들어내기 위한 노력을 멈추지 않았다. 이제까지 만들어진 진공 중 가장 뛰어난 것은 270억의 10배나 되는 개수의 공기 분자 중 수백만 개만을 남기고 다 빼버린 것이었다. 이 정도면 월급날 전날의 지갑보다도 완벽하다고 할 수 있다.



맨 앞의 질문으로 돌아가자. 질문은 완전 진공인 방에 진공 청소기를 갖고 들어가(살아남을지 의문이지만) 스위치를 켜면 어떻게 되느냐는 것으로 보인다. 아무 일도 일어나지 않는다. 청소기의 팬은 어떤 것도 빨아들이거나 빼내거나 하지 않는 상태에서 마냥 헛돌 뿐이다. 빼낼 기체가 없기 때문이다.6. 물



평형

- 물이 정확히 0℃에서 얼고, 얼음이 정확히 0℃에서 녹는다면 얼음과 물이 섞인 그릇은 0℃에 서 어떻게 될까?7. 이런저런 사물



탄력

- 고무는 왜 늘어날까?3. 열



화씨의 문제

- 물의 어는점이나 끓는점 같은 중요한 온도가 왜 화씨로 32도, 212도 등 복잡하게 되어 있나?대부분의 책에 보면 비행기가 베르누이의 정리라는 법칙에 따라 하늘을 난다고 되어 있는데, 베르누이의 정리는 비행기가 하늘에 떠 있는 주요 원인이 아니다. 이것은 간략하고 편한 설명이 될 수 있을는지 모르지만, 간단한 설명이 늘 그렇듯이 독자나 학생들을 오도할 수 있다.



우선 스위스의 수학자인 다니엘 베르누이를 증언대에 세워 이야기를 들어보기로 하겠다. 베르누이는 움직이는 유체는 속도가 빨라질수록 주변에 대한 압력이 줄어든다는 사실을 발견했다. 예를 들어 지면과 평행으로 부는 바람은 땅에 대해 압력을 가할 시간이나 에너지가 없다는 뜻이다. 그러면 이것이 비행기와 무슨 관계가 있을까?



보통의 비행기 날개는 위쪽 표면이 굽어 있고, 아래쪽 표면은 평평하다. 비행기가 앞으로 감에 따라 공기는 이 두 개의 표면을 스쳐 지나간다. 날개 앞에서 날개 위아래로 갈라진 공기는 날개 뒤에서 다시 만난다. 이 과정에서 위쪽의 굽은 표면을 통과하는 공기는 직진하는 아래쪽 공기보다 더 먼길을 가야 한다. 베르누이측 변호인들은 이 두 공기 집단이 날개 뒤에서 동시에 만나야 한다고 주장한다. 따라서 더 먼길을 가야 하는 위쪽 공기는 느린 아래쪽 공기보다 날개에 가하는 압력이 적어지고 날개는 압력이 높은 아래쪽에서 압력이 낮은 위쪽으로 밀린다. 간단히 말해 떠오른다는 것이다. 이렇게 밀어 올리는 힘을 양력이라고 한다.



그런데 여기에 한 가지 문제가 있다. 위쪽 공기와 아래쪽 공기는 날개 뒤쪽에서 반드시 만나야 하는 것이 아니다. 물리 선생들과 비행 교관들이 아무리 옳다고 외쳐도 이 가설은 틀렸다. 두 공기가 뒤에서 같이 만나야 할 이유는 없다. 물론 베르누이의 정리에 따른 효과는 양력을 만들어내는 데 약간의 도움을 주지만 그것만으로 비행기를 띄우려면 비행기 날개를 낙타 등처럼 만들거나 아니면 비행기가 엄청나게 빨라야 한다. 이제 베르누이 선생의 증언은 끝났다.



지금부터 아이작 뉴턴 경의 증언을 들어보겠다. 뉴턴의 운동 제3법칙은 물체의 움직임을 이해하는 데 굳건한 토대가 된다. 뉴턴 역학을 써서 모든 물체의 운동을 설명할 수 있다. 뉴턴의 제3법칙에 따르면 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재한다. 그러므로 비행기의 날개가 어떤 이유로든 밀려 올라간다면 뭔가 다른 것이 밀려 내려가야 한다. 그것이 공기이다. 날개는 양력과 똑같은 힘으로 공기를 밀어 내리는 것이 틀림없다.



어떻게 해서 이런 일이 생길까? 물이나 공기 같은 유체가, 굽은 표면을 통과할 때 이들은 표면에 들러붙는 경향이 있다. 이 현상을 코안다 효과라고 한다. 이 효과 때문에 날개 표면을 통과하는 공기의 움직임이 날개의 형태를 따라간다. 위쪽 공기는 굽어서, 아래쪽 공기는 직선으로 각각 표면에 붙어서 통과한다는 얘기다. 날개 형태 때문에 이들은 날개 뒤쪽에서 서로 다른 방향으로 흐른다.



날개 위쪽의 공기는 날개를 만나면 일단 굽은 표면을 따라 위로 올라갔다가 뒤쪽에서 다시 내려간다. 그런데 날개 앞쪽은 오르막이고 뒤쪽은 내리막이기 때문에 뒤쪽을 떠나는 공기는 계속 아래쪽으로 내려가려고 한다. 달리 말해 날개의 모양 때문에 위쪽 공기는 아래쪽으로 밀려 내려간다는 뜻이다. 이렇게 되면 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 뭔가가 밀려 올라가야 한다. 그것은 바로 날개이다.



물도 아니고 희박한 공기가 조금 밀어낸들 별로 달라질 게 없을 거라구? 천만에. 크게 달라진다. 세스나 172(경비행기의 일종)가 시속 204km로 날며 밀어 내리는 공기의 양은 1초에 3~5톤에 달한다. 360톤짜리 보잉 747이 매초 밀어 내리는 수십만 톤의 공기를 한번 상상해 보라.



비행기의 날개는 지면과 평행으로 되어 있지 않다. 앞쪽이 들려 있다. 수평 비행을 할 경우 4도 정도 앞으로 올려져 있다. 이렇게 하면 위쪽보다 아래쪽 압력이 더욱 커져서 날개를 밀어 올려 양력에 도움을 준다. 조종사는 날개를 적당히 조절해서 이 효과를 더욱 강화할 수 있다. 전문용어로 이것을 "양각을 올린다"라고 한다. 비행기가 움직여감에 따라 날개는 앞에 있는 공기를 아래로 밀어 내리고 공기는 반작용으로 날개를 밀어 올리는 것이다.



그렇다면 날개는 두 가지 방식으로 양력을 얻는다는 것을 알 수 있다. 하나는 날개의 모양이고 다른 하나는 앞이 들린 것, 즉 앙각이다. 이륙시에는 무거운 비행기를 지면에서 하늘로 띄워야 하기 때문에 이 두 가지 효과를 최대한 얻어야 한다. 그래서 비행기가 공항에서 이륙하자마자 가파르게 상승하는 것이다. 연료를 꽉 채우고 승객을 가득 태운 비행기는 무거우므로 조종사는 앙각을 늘려야 한다.자동차는 음속 돌파할 때의 충격을 견딜 수 있을 정도로 날씬하고 견고하게 만들어지지는 않지만 한