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세상에서 가장 아름다운 실험 열 가지
지난 2천5백 년간 과학의 혁신을 가져온 ‘아름다운’ 실험들 ☞ 도서 바로가기 :https://goo.gl/qNLhMC 이 책은 과학의 발전에 지대한 영향을 끼친 아름다운 실험 열 가지를 소개하고, 과학의 아름다움이 갖는 의미와 역할에 대한 진지한 고찰을 담고 있다. 과학 역사상 가장 아름다운 이 실험들은 무궁한 우주와 자연의 우아함을 또렷이 보여준다. 이 책을 통해 우리는 과학이 얼마나 경이로울 수 있는지 그리고 아름다움의 근원적인 의미는 무엇인지에 대해 다시 생각해보게 된다. 과학자들이 뽑은 아름다운 실험 실험이 아름답다고 하는 것은 무슨 의미일까? 과학사학자이자 철학자인 로버트 P. 크리즈는 과학자들이 어떤 실험이 아름답다고 말하는 것을 듣고 의문을 품었다. 엄정하고 객관적인 과학 실험이 예술작품처럼 아름다울 수 있을까? 아름답다고 하는 실험에는 어떤 것이 있으며, 그것은 왜 아름다울까? 그는 바로 작업에 착수했다. 그는 자신이 ‘결정적 순간(Critical Point)'이라는 칼럼을 기고하고 있는『물리학 세계』의 지면을 빌려 가장 아름답다고 생각하는 실험을 보내달라고 독자들에게 요청했다. 그의 제안은 인터넷 등으로 퍼져나가 수백 개가 넘는 실험들이 후보작으로 추천되었다. 그리고 그는 집계 결과를 2002년 9월 『물리학 세계』에 발표했다. 1. 단독 전자의 이중 슬릿 실험 2. 갈릴레오의 피사의 사탑 낙하 실험 3. 밀리컨의 기름방울 실험 4. 뉴턴의 프리즘 빛분해 실험 5. 영의 빛 간섭 실험 6. 캐번디시의 지구 무게 재기 7. 에라토스테네스의 지구 둘레 재기 8. 갈릴레오의 경사면 실험 9. 러더퍼드의 원자핵 발견 10. 푸코의 진자 실험 이 투표 결과는 과학자 그룹 사이에 큰 반향을 일으켰으며 『사이언스』를 비롯해 여러 매체에 보도되었다. 그리고 이후 곳곳에서 과학의 아름다움에 대한 토론이 활발히 전개되었다. 로버트 P. 크리즈는 이 일을 계기로, 논의를 더욱 발전시켜 이 책 『세상에서 가장 아름다운 실험 열 가지』를 썼다.????? 아름다운 실험의 조건 저자는 책에서 아름다운 과학 실험의 조건을 명확히 제시한다. 먼저 세상에 대한 깊이 있는 지식을 드러내야 한다. 실험을 통해서 세상에 대한 근원적인 지식을 새롭게 나타낼 수 있어야 아름다운 실험이다. 예를 들어 뉴턴의 프리즘 실험은 빛이 여러 파장으로 이루어져 있다는 사실을 새로이 보여주었다. 이 실험은 프리즘의 화려한 색깔 때문이 아니라 빛에 대한 새로운 지식을 밝혀냈기 때문에 아름답다. 둘째, 효율적이어야 한다. 쓸모없는 도구나 수식은 하나도 없이, 실험에 관여한 모든 도구들이 실험 결과를 나타내는 데 기여해야 한다. 에라스토테네스의 지구 둘레 재기는 이 효율성이 가장 잘 발휘된 실험 중 하나이다. 지구 둘레를 재는 데 간단한 기하학과 알렉산드리아에서 시에네 사이의 거리, 해시계 이외엔 어떤 것도 필요하지 않았다. 마지막으로 결정적이어야 한다. 실험이 성공함으로써 이론적인 모든 의문은 해소되어야 하며 오직 세상의 신비에 대한 의문만이 솟아나야 한다. 갈릴레오의 피사의 사탑 실험으로 물체는 무게에 상관없이 똑같이 떨어진다는 것이 분명해졌다. 그후에 품을 수 있는 의문이란 물체를 떨어지게 하는 힘은 무엇일까라는 것이었다. 이 책에 소개된 열 가지 실험은 이 아름다움의 세 가지 요소를 모두 갖추고 있다. 그리고 아름다운 실험의 요건인 깊이, 효율성, 명확성은 예술의 아름다움의 요소와 다르지 않다. 저자는 말한다. “실험의 아름다움을 음미할 수 있을 때, 우리는 아름다움이란 본래 어떤 것이었는지, 그 근본적인 의미에 눈을 뜨게 되는 것이다.” 과학을 다시 생각하게 하는 책 이 책은 과학자들은 냉철하고 감정이 없는 사람들이며 실험은 기계적인 작업에 불과하다는 통설에 정면으로 도전하고 있다. 오히려 과학자들은 시인이나 화가들에 못지않게 아름다움이라는 느낌에 강렬히 끌리는 사람들이며, 실험은 세상의 신비가 스스로 입을 열도록 돕는 창조적인 작업이라고 역설하고 있다. 실험의 아름다움은 과학자들을 탐구에 열중하게 하기에 과학 발전에 중대한 기여를 한다. 책에 인용된 앙리 푸앵카레의 말처럼 “과학자들은 즐겁기 때문에?연구하고, 즐거운 것은 아름답기 때문이다”(299쪽). 창조성과 활력이 넘치는 과학을 위해서는 과학의 아름다움에 눈 뜨는 것이 무엇보다 중요하다. 과학에 대한 오해와 무지가 팽배하고 기초 과학이 위기에 처한 지금 이 책이 전해주는 메시지를 귀담아 들을 필요가 있다. 이 책은 선정된 열 개의 실험을 연대순으로 정렬하고 있다. 그로써 과학이 지난 세월 동안 밟아온 긴 여정을 보여준다. 총 열 개의 장은 각각의 실험을 설명하고 있으며 실험 자체에 대한 내용뿐만 아니라 과학의 발전 과정과 각 실험들이 가지고 있는 과학사적 의미를 밝히고 있다. 그리고 장마다 해당 장과 연관된 주제를 다루는 열 개의 ‘간주’들을 덧붙여 놓았다. 저자는 ‘간주’에서 과학이 아름다울 수 있는 이유, 뉴턴과 베토벤의 비교, 과학에서 사용되는 은유, 대중문화 속의 과학, 과학에서 느끼는 숭고함 등을 주제로 과학과 관련된 여러 논점들을 깊이 있게 다루고 있으며, 과학 실험이 아름다울 수 있다는 이 책의 주제를 다양한 각도로 설명하고 있다. 실험에 대한 구체적인 설명을 담은 장과, 보다 심도 있는 논의를 담은 간주가 교차하기에 이 책의 메시지가 더욱 강하게 다가온다. 이 책에 소개된 아름다운 실험들 에라토스테네스의 지구 둘레 재기 이 실험은 거의 모든 과학 교과서에 수록되어 있는 유명한 실험이다. 이 실험이 유명한 이유는 어려운 수식과 복잡한 기구 없이, 간단한 기하학과 도구만 있으면 광대한 지구의 둘레를 구할 수 있다는 색다른 놀라움 때문이다. 에라토스테네스는 시에네에서 하짓날 정오에 태양이 직각으로 된다는 것을 알았으며, 시에네 북쪽에 있는 알렉산드리아에서 하짓날 태양의 각도와 그곳까지의 거리만 알면 유클리드 기하학을 통해 지구의 둘레를 계산할 수 있다는 사실을 깨달았다. 하짓날 알렉산드리아에서의 각도가 전체 원에서 차지하는 비가 지구 둘레와 시에네와 알렉산드리아의 거리 사이의 비와 같다는 것을 깨달은 것이다. 이 사항들은 당시의 사람들도 쉽게 알 수 있었던 사실이다. 그는 평범한 사실을 엮어 상당히 정확한 지구 둘레를 구해낼 수 있었다. 이 실험은 단순하고 보잘것없어 보이는 것으로도 우주적인 단위를 측정할 수 있다는 것을 보여주었다. 갈릴레오의 사탑 실험 거의 전설이 된 이 실험은 기존의 아리스토텔레스의 자연관을 파기하고 새로운 자연관의 필요성을 극적으로 보여준 실험이다. 그전엔 이 실험의 진실성에 대해 의문이 있었지만 최근 발굴된 갈릴레오의 서신에 대한 연구와 정황 증거를 통해 실제로 수행되었을 가능성이 크다는 것이 밝혀졌다. 아리스토텔레스의 자연관은 물체는 각자의 속성을 따라 움직인다는 것이었지만, 물체가 그 종류에 상관없이 똑같이 떨어진다는 것을 보여준 이 실험으로 인해 낙하에 대한 새로운 이론의 필요성이 대두되었다. 그리고 다음 세대의 뉴턴은 만물 사이의 힘에 관한 중력 이론을 수립해 이 문제를 해결했다. 근대 과학이 이 실험으로부터 시작된 것이다. 뉴턴의 프리즘 실험 프리즘은 뉴턴의 실험 이전에도 있었던 아이들의 장난감이었다. 하지만 프리즘을 통과하여 나타난 다양한 빛깔들을 빛의 여러 속성들이라고 의심했던 것은 뉴턴뿐이었으며, 한 번 프리즘을 통과한 빛을 다시 프리즘에 통과시켜 원래의 빛으로 돌이킨 실험을 수행한 것도 뉴턴뿐이었다. 이 실험으로 순백의 빛은 다양한 여러 빛깔들의 혼합이며 세분화할 수 있다는 것이 알려졌다. 뉴턴은 빛의 정체를 발가벗겼고 빛을 새로운 연구 대상으로 만들었다. 이 실험으로 빛은 더 이상 신비한 신의 현현이 아니라, 과학적 탐구 대상의 하나가 되었다. 러더퍼드의 원자핵 발견 실험 영국의 과학자 러더퍼드는 얇은 금속막에 쏘아 보낸 알파 입자가 도로 튕겨 나오는 것을 발견하고 깜짝 놀랐다. 얇디얇은 막이 상대적으로 커다란 입자를 튕겨낸다는 것은 당시의 과학으론 이해할 수 없는 현상이었던 것이다. 금속 원자 내부에 질량이 큰 어떤 입자가 있다는 증거였다. 원자핵의 발견 순간이었다. 이 실험으로 인해 원자가 더 이상 쪼갤 수 없는 단위가 아니라 전자를 비롯한 여러 요소로 이루어져 있자는 것이 밝혀졌다. 원자 이하의 세계에 대한 탐구가 본격적으로 시작되었다. 단독 전자의 이중 슬릿 실험 뉴턴은 빛을 입자로 생각했지만, 토머스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 파동이라는 것을 입증했다. 하지만 그 역시 틀렸다. 빛은, 더 정확히 광자나 전자를 비롯한 입자들은 입자도 파동도 아니었다. 입자이자 동시에 파동이었다. 이런 모순적인 사실은 양자역학의 이론으로 일찍부터 알려져 있었으며 틀림없는 사실로 인식되었지만, 상식에 어긋나는 결과 때문에 일반적으로는 쉽게 받아들이지 못했다. 그렇지만 단독 전자의 이중 슬릿 실험으로 인해 사람들은 이 사실을 두 눈으로 목격할 수 있었다. 실험의 내용은 단순하다. 전자 하나 정도만 통과할 수 있는 좁은 슬릿에다 전자를 하나씩만 발사하여 어떻게 반대편에 가 닿는지를 관찰하는 것이다. 하지만 전자를 하나씩만 발사한다는 기술적 어려움이 이 실험을 가로막는 큰 장벽이었다. 기술의 발전으로 이 장벽이 해소되었고 마침내 실험이 시행되었다. 결과는 이론의 분명한 증명이었다. 하나씩 발사된 전자들은 반대편에 하나씩 가 닿았고, 시간이 흐르면서 차차 간섭무늬가 나타났다. 입자가 혼자서 간섭무늬를 이룬 것이다. 상식을 뒤엎는 입자-파동설이 입증된 것이다. 양자역학은 더 이상 의심의 대상이 아니었고 현대 물리학은 상식을 초월한 영역으로 들어섰다.
