아마추어리즘의 패기와 시행착오를 동시에 보여주며, 결과적으로 예측불가능한 사건들의 연속으로 다소 어수선한 신선함(?) 속에 강연이 시작되었지만, 다행히 김교수님이 담담하고 의연하게 상황(?)을 극뽁(!)하며 중심을 잡아주셨고, 그 정도 시행착오 정도에는 전혀 기가 꺽이지 않는 진행자인 ‘무쏘의 뿔’ 여울아님(& 후방 기술지원팀)의 산전수전 임기응변 덕에 무사히 끝마칠 수 있었다. 간간이 강연을 해꼬지 하려는 간악한 각종 기술적 방해들을 유머로 웃어 넘기고 강연에 집중해주신 교수님께 참 고마웠다. 그리고 강의는 2시간이 훌쩍 넘어가는 지조차 깨닫지 못할만큼 정말로 재미있었다.

1. 서양의 기하와 동양의 대수를 통합한 데카르트 좌표계

무엇보다도 수학의 양대 물줄기인 기하와 대수를, 서양의 기하와 동양의 대수로 지역적(?) 안배를 하신 것도 신선했고, 다시 그 물줄기가 데카르트 좌표에서 통합된다는 설명에는 감탄이 절로 나왔다. 세부적인 수학사를 들어 지나친 단순화라는 반론이 있을 수도 있겠지만 어쨌건 나에게는 신선하고 의미있게 다가왔다.

그리고 물리학자들이 신봉한다는 인과율, 즉 특별한 결과에는 특별한 이유가 있다는 믿음에 대해서도 다시 한 번 생각해 보았다. 나는 어느 쪽에 속하는 사람일까? 특별한 결과에는 특별한 이유가 있다는 믿음을 갖고서 늘 어떤 사건에 대한 원인을 탐구하는 사람인가? 아니면 이런들 어떠하리 저런들 어떠하리, 어차피 세상은 알쏭달쏭한 것~~ 하면서 사는 사람일까?

2. 뉴턴 역학

우주의 법칙은 미분으로 쓰여 있고, 우리가 알고 싶은 답은 그것을 적분하여 얻는다.

물리학 강연마다 자주 듣는 유명한 캐치프레이즈이지만, 언제 들어도 놀랍고 신비스러운 경구이다.

한편 뉴턴 역학의 가장 근본적인 원리(초기값과 시간에 대한 변화량을 알면 미래를 예측할 수 있다)에는, 어떤 의미에서는 차이를 통해 변화를 파악한다는 상대론적인 입장의 맹아가 이미 도사리고 있었던 건지도 모른다는 생각도 든다. 즉, 이미 출발부터 상대론의 씨앗을 품은 뉴턴 역학의 의미에 대한 생각으로 잠시 의식이 미끄러졌다.

3. 우주의 4 가지 근본적인 힘을 표현한 그림

약한 상호작용을 가지에서 떨어져 나가는 열매(?)로 표현한 것이 재밌었다. 아마도 약력이 원자핵에서의 중성자가 양성자로 바뀌는 현상인 베타붕괴를 설명해주는 힘이라는 점을 화가가 염두에 두었을 수도 있겠다고 생각했다. 화가들도 과학공부 열심히 하는구나!!!

더우기 4가지 힘 중 약력과 중력만 채색을 하고, 강력과 전자기력을 투명하게 표현했다. 아마도 더 관찰하기 힘든 속성이라는 의미인걸까?

원격 조종을 가능케 하는 힘으로서의 전자기력의 위력을 생각하니, 어떤 의미에서는 과학자들이야말로 연금술사의 후예이기도 하다는 생각도 든다. 그들은 드디어 우주를 부릴 수 있는 비밀을 알아내고야 만 것이다.

중력과 전자기력 공식 형태의 유사성은 언제보아도 놀랍다. 중학교 때 과학시간에 중력의 법칙과 쿨롱의 법칙을 처음 배우면서, 까막눈이었던 내 눈에 조차도 두 공식의 유사성이 신기하긴 했었다. 이게 뭐지? 물리 법칙이 이렇게 서로 비슷하다고? 뭐가 이렇게 쉬워?….하면서 의심스러워 했던 기억도 난다. 뭔가 짜고치는 화투판 같다는 느낌도 들었던 것 같다.

어쨌건 강연 도중 감명 깊었던 문구들을 아래에 정리해 보았다. 

      ㅇ 수학이 같으면 답이 같다. (연역의 힘)

      ㅇ 우주가 3차원이기에 거리의 제곱에 반비례. (수학을 통해  어떤 식으로 논증?)

      ㅇ 정말 거리의 지수가 제곱인지에 대해 수많은 실험이 있었다고 함(한결같이 끈질기게 물고 늘어지는 물리학자들의 Fortitude!)

4. 갈릴레오의 실험들

진공에서 깃털과 사과가 동시에 떨어지는 실험은 아직도 잘 믿기지 않는다. 과학적 사실을 머리로 아는 것과는 별도로 여전히 조작된 것 같기도 하고 농담 같기도 한 동영상을 보는 느낌마져 든다. 우리 직관에 반하는 우주의 진실은 늘 우리를 놀라게 한다.

백분 토론에서 이겨 먹은 갈릴레오의 창의적 논증법도 흥미로웠다. 교수님의 설명은 역시나 명쾌하다. 글로 읽는 것보다 훨씬 머리에 쏙쏙 들어온다. 갈릴레오가 ‘그려~니들이 좋아하는 그 직관을 벗삼아 한번 말해 볼까?’ 하고 팔을 걷어부치고 씨름을 해서 연전승을 거두고 마침내 천하장사로 등극했다는 이야기였다.

‘두 배 무거운 물체는 두 배 빨리 떨어지나?’는 질문에 대한 답이 결국은 조금 더 무거운 물체는 조금 더 빨리 떨어지는가에 대한 질문과 같은 의미라는 것을 논증(결론: 이런 관계가 유지되지 않으면 조금 더 무거운 물체가 조금 더 빨리 떨어질 수 없다) 해나가는 대목에서는 저절로 감탄사가 나왔다. 소크라테스에게 맞장을 떠도 밀리지 않을 논리정연함이군!

‘붙어서 떨어지는 물체를 갑자기 반으로 떼어내면 갑자기 낙하 속도가 반으로 뚝 줄까? 내가 물체를 들고 떨어지다가 손을 살짝 놓으면 나만 떨어지고 물체는 위로 올라가나?’와 같은 그의 질문들. 도대체 얼마나 철저하게 논리적인 사고를 거쳐야 이런 창의적인 질문들에 이르는 걸까? 그리고 이런 갈릴레오의 천재성에 한 술 더 떠서, 갈릴레오가 그토록 목청껏 외쳐야했던 ‘모든 낙하 물체의 가속도는 같다’를 단 두 줄의 공식으로 유도해 증명해 버리는 뉴턴은 더 기가 막히긴 하지만. 

문득 퀸의 보헤미안 랩소디에서 갈릴레오를 외치던 물리학자 출신 락커도 생각난다. 아, 그렇게 뜬금없이 노래하다가 주문처럼 외치고 싶을 법한 이름이긴 하네, 갈릴레오 갈릴레이!!! 그러고보니 상대론적 우주관에 대한 씨앗도 갈릴레오에서 본격 발아되어 아인슈타인에서 꽃 피웠지 않나? 갈릴레오가 죽은 해 뉴턴이 태어났다고 하는데 갈릴레오 몸을 구성하던 원자가 뉴턴의 신체를 구성할 확률은 얼마나 될까? 우리가 죽은 다음 우리의 기억은 모종의 물질적 기반 위에 남아 있으려나? 아니면 뇌의 신경구조가 붕괴되면 기억은 완전히 파괴될까?

5. 자연을 터무니없이 잘 설명해내는 수학의 희한한 설명력

유진 위그너의 ‘The unreasonable effectiveness of mathematics in natural sciences’를 언젠가 한 번 읽어볼까? 일단 수학보다는 영어의 지분이 많을테니 수학이라는 외국어 만으로 쓰인 것보다는 읽을만 하려나?

한 칸을 올라갈 줄 아는 로봇은 백 칸을 거뜬히 오르는 데, 한 칸을 분명히 올라갈 줄 아는 나는 백 칸 올라가기가 왜 이리 힘이 드나? 힘들다는 나의 감각을 무시하고 그냥 모든 것을 운동과 에너지의 관계로만 파악해서 나를 작동시켜야 할까? 어쨌건 내가 파악한 우주의 작동 원리를 컴퓨터 프로그래밍으로 구현한다면 과연 그 우주는 얼마나 실제 우주와 닮아 있을까?

그림도 그리고 기사도 쓰는 인공지능 프로그램이 있다고 들었는데, 문득 그런 기계론적인 우주관을 통해 태어나는 소설은 얼마나 흡인력이 있을 지 궁금해진다. 내 머리 속에도 초기 값과 운동 방정식만 입력해주면 저절로 소설이 쓰여지는 알고리즘이 있으면 좋겠다. 거기다가 가끔씩 양자 중첩과 양자 터널링과 양자 얽힘 효과를 적당히 섞어주면 뻔한 예측 가능성이란 지루함을 비틀어 줄 수 있지 않을까? 아니면 파우스트의 변종이 되어 내 자유의지를 반납하고 라플라스의 악마와 거래를 해볼까? 어차피 자유의지야 있는 지 없는 지도 모르는 것이라고들 하니.

6. 오스트리아 브레겐츠 페스티벌

처음 들어봤는데 무대가 정말로 환상적이다. 하지만 교수님이 무대와 관련시켜 들려주는 물리학 이야기는 더욱 흥미로워서 허겁지겁 받아적은 말들을 옮겨본다.

• ㅇ 물리학은 시간과 공간이라는 무대에서 물질들이 배역을 갖고 연기를 하는 것이며, 이들의 대본이 물리 법칙이다!!
• ㅇ 무대와 배우과 관객을 분리할 수 없다고 말해주는 것이 20세기 물리학!
• ㅇ 무대와 배우가 분리가 안된다는 것이 상대성 이론 (즉, 물질과 시공간?)
• ㅇ 배우가 움직이면 무대가 바뀐다.
• ㅇ 관객이 쳐다본다고 배우가 행동을 바꾸면 안되지만 양자역학에서는 관객이 물리학 안으로 들어온다.

• ㅇ 우리의 관심사는 배우의 움직임을 매뉴얼로, 대본으로 쓰는 데 집중해 왔지만 아직까지는 배우가 누구인지 모르는 단계. (배우가 누구인지를 연구하는 과정에서 양자역학이 발전!)

7. 환원주의의 편리성

한꺼번에 모든 것을 설명하려면 너무나 힘들므로 어느 정도의 환원주의가 필요하다고 한다. 맞는 말이다. 내 삶에도 적당한 환원주의를 더 영입해야 할 텐데. 너무 심하면 자기계발서적 삶이 되겠지만.

8. 전자기력

전자기파를 이루는 전기력과 자기력의 신비로운 합체. 자기력은 전기력의 상대론적인 효과라는 표현을 좀 더 제대로 이해하고 싶다는 생각이 든다. 분명 대학시절 기초 물리학 시간에 맥스웰의 방정식까지는 낑낑대며 따라가다가, 전기력과 자기력을 마술사처럼 통합해내는 맥스웰 방정식의 아름다움에 나도 눈물 한 방울 보탠 기억이 있건만! 그 놀라운 인류의 지적 개가에 환희의 송가를 불러주고 싶은 마음이 분명히 들었던 적이 있건만, 토끼가 뛰노는 그림 속에 교수님이 적어 놓으신 맥스웰 방정식 수식들이 왜 이리 다시 낯설어 보이는지… 문득 내 기억의 붕괴가 서글프다.

헤르츠의 실험 동영상은 처음 본다. 멋지다. 과학시간에 이렇게 배웠더라면 얼마나 좋았을까? 김상욱 교수님처럼 물리를 다정하게 가르쳐 주시는 선생님을 만났더라면~~~ 하는 아쉬움을 달래며 동영상 안의 멘트를 끼적끼적 옮겨본다.

This induction coil produces high voltage(5kv~10kv) pulsed DC current from a low voltage(6v~12v) direct current source.

이 실험 장면을 보며 음극선 실험에서 진공이 필요하다는 통찰을 더함으로써 결국 노벨상을 받은 톰슨의 음극선 실험을 비주얼적으로 더 자세히 이해할 수 있었다.

9. 그리고 이것저것

질문을 통해 집요한 실험을 되풀이하며 마찰이 없는 운동을 처음으로 생각했다는 갈릴레오에 대해 조금 더 알게 되었다. 내 엉성한 질문에 대해 너무도 진지하게 답변을 해주셔서 감사한 마음이 들었다. 그리고 그 짧은 시간에 그렇게 정연한 논리를 펼치시다니.

그래도 최초의 본격 실험과학자였던 갈릴레오가 교수님 말씀대로 실험으로부터 등속 운동의 자연스러움을 추측해 냈으되, 천체의 운동을 보며 모종의 심리적 확증을 얻지 않았을까 하는 의심 1 그램을 아직도 버리지는 못했다. 우주야말로 마찰이 거의 없는 이상적인 운동을 관측할 수 있는 최고의 실험 장치이겠기에. 천상과 지상 법칙의 통합이야 뉴턴이 명백히 선언했겠지만, 그 이전에도 그것을 끊임없이 바라보는 사람들에게 늘 암묵적 암시를 전해주었을 천체의 존재감에 1원을 걸고 싶다.

그리고 책을 쓰게 된 경위에 대한 이야기도 감동적이었다. 이런 책을 써야겠다~~~하고 맘 먹고 그런 책을 제대로 써내는 사람이 얼마나 될지는 모르겠으나, 분명 ‘김상욱의 양자공부’는 내가 본 어떤 책보다도 친절하고 재미있는 책이었다. 브라이언 그린을 좋아하지만 TMI를 남발하는 수다쟁이에게 걸려들어 번번이 기빨리는 느낌이 들 때마다 김상욱 교수님 책이 있어 참 고맙다는 생각이 절로 든다. 너무 쉽게 적당히 생략하고 피해가는 종류의 책이 아님에도 불구하고 친절하고 재밌는 책. 그렇지만 돌아서면 반도 기억이 안나 비슷한 이야기를 읽을 때마다 다시 돌아가 꺼내어 보게 되는 책이다.

그리고 유클리드의 기하학과 뉴턴의 프린키피아! 단 한 줄도 안 틀린 책이라는 그 책을 언젠가는 한 번 구경해 보리라고 버킷 리스트에 슬쩍 넣어본다.

마지막으로 떠오르는 질문. 왜 우주가 연역으로 설명될까? 진짜 왜 그럴까? 무지무지 궁금하다.