단위를 알면 과학이 보인다

과학의 핵심 단위와 일곱 가지 정의 상수

곽영직 지음

세로북스 2024년 07월 11일 출간 국내도서 : 2023년 07월 27일 출간

작품소개

책소개

2018년 말에 국제도량형총회는 킬로그램원기를 폐기하고 자연에 존재하는 7가지 정의 상수를 기준으로 국제단위계를 전면 개정했다. 이 책은 새로운 국제단위계를 바탕으로 주요 단위와 상수를 상세히 설명한 단위 사전이다. 빛의 속도, 기본 전하, 플랑크 상수 등 국제단위계의 기준이 된 7가지 정의 상수와 이들 상수로 정의되는 초, 미터, 킬로그램 등 7가지 기본단위, 그리고 뉴턴(N), 줄(J), 와트(W), 테슬라(T) 등 과학자의 이름을 따라 명명된 중요한 유도단위 20개를 집중적으로 다루었다. 방사선을 처음 발견한 앙리 베크렐의 이름을 딴 베크렐(Bq), 인체에 흡수되는 방사선의 유해성을 연구한 스웨덴의 물리학자 롤프 막시밀리안 시베르트의 영어식 이름을 딴 시버트(Sv) 등 뉴스에서 자주 접하는 방사능 관련 단위도 들어 있다. 단위의 정의와 쓰임뿐 아니라 힘, 일률, 전압, 자기장 등 단위로 표현되는 물리량의 개념과 과학 이론을 함께 설명하고 있어 단위를 보다 정확하고 깊이 있게 이해할 수 있다. 고대의 단위부터 시작해서 현대적 단위 체계를 발전시켜 온 과정과 단위에 이름을 남긴 과학자의 이야기까지 아우르고 있어, 단위를 통해 과학의 역사를 살피는 과학 교양서로도 손색이 없다. 개정된 국제단위계의 내용과 그 의미도 잘 정리되어 있다.

목차

머리말 5
[서론] 단위 체계
1. 고대의 단위들 12
2. 현대적 단위 체계의 발전 과정 28

1장. 과학자는 죽어서 단위를 남긴다_과학의 기초, 이름 있는 단위들
N 뉴턴: 힘의 단위와 아이작 뉴턴 42
Pa 파스칼: 압력의 단위와 블레즈 파스칼 64
J 줄: 에너지의 단위와 제임스 줄 82
W 와트: 일률의 단위와 제임스 와트 100
A 암페어: 전류의 단위와 앙드레 마리 앙페르 112
C 쿨롱: 전하의 단위와 샤를 오귀스탱 드 쿨롱 130
V 볼트: 전압의 단위와 알레산드로 볼타 142
Ω 옴: 저항의 단위와 게오르크 시몬 옴 156
F 패럿: 전기용량의 단위와 마이클 패러데이 168
H 헨리: 유도 계수의 단위와 조지프 헨리 184
T 테슬라: 자기장의 단위와 니콜라 테슬라 194
Hz 헤르츠: 진동수의 단위와 하인리히 헤르츠 212
℃ ℉ K 셀시우스·파렌하이트·켈빈: 온도의 단위와 안데르스 셀시우스, 다니엘 파렌하이트, 윌리엄 톰슨 226
Bq Gy Sv 베크렐·그레이·시버트: 방사능 관련 단위와 앙리 베크렐, 루이스 헤럴드 그레이, 롤프 막시밀리안 시베르트 252

2장. 자연 속 상수를 찾아서_국제단위계의 기준, 일곱 가지 정의 상수
Δν 세슘-133 초미세 전이 진동수와 원자시계 278
c 빛의 속력과 알베르트 아인슈타인 288
h 플랑크 상수와 막스 플랑크 304
e 기본 전하와 조지프 존 톰슨 314
k 볼츠만 상수와 루트비히 볼츠만 324
N 아보가드로수와 아메데오 아보가드로 332
K 시감효능과 빛의 밝기 342

[부록] 국제단위계(SI) 351
찾아보기 362

책 속으로

이제 우주에서 일어나는 모든 일은 일곱 가지 정의 상수를 기준으로 나타낼 수 있다. (37쪽)

수학에서의 각도나 도형의 넓이 등과는 달리 과학에서 사용하는 시간이나 질량과 같은 물리량은 그것이 무엇을 의미하는지를 정확하게 정의하기 어렵다. 대신에 우리는 이런 양들을 측정하는 객관적인 방법을 알고 있다. 다시 말해, 물리량은 객관적인 측정 방법이 제시되어 있는 양이다. 자연과학을 경험 과학 또는 실험 과학이라고 부르는 것은 이 때문이다. (40쪽)

에너지(energy)라는 말은 활동을 뜻하는 그리스어 에네르기아(ἐνέργεια)에서 유래했다. 고대 그리스어에서 에네르기아는 동물이 살아가는 데 필요한 활력소를 나타내기도 했고, 행복이나 즐거움을 포함하는 추상적인 개념으로 쓰이기도 했다. (84쪽)

1700년대 중반 영국의 제임스 와트는 증기기관을 개량하는 과정에서 증기기관의 성능을 서로 비교하기 위해 마력(horse power)이라는 일률의 단위를 사용했다. 당시에 말은 중요한 노동력이었기 때문에 어떤 기계가 말 한 마리와 같은 일을 한다든지, 말 세 마리와 같은 일을 한다고 말하면 이해가 쉬웠다. (101쪽)

자기장의 세기를 나타내는 단위에는 테슬라 외에 가우스(G, 또는 Gs)가 있다. 독일의 수학자로 전기장에 관한 가우스 법칙(Gauss’s law)을 발견하고 지구 자기를 조사하기도 했던 카를 프리드리히 가우스의 이름을 딴 가우스(G)는 국제단위계에는 포함되어 있지 않지만 공학 분야에서는 테슬라보다 더 자주 쓰인다. 1가우스는 0.0001테슬라이다. 즉, 10가우스가 1테슬라이다. (202쪽)

우리는 일상생활에서 뜨겁고 차가운 것을 늘 느끼면서 살고 있기 때문에 뜨겁다는 것과 차갑다는 것이 어떤 상태를 의미하는지 잘 알고 있다. 그러나 뜨겁게 느끼도록 하는 것과 차갑게 느끼도록 하는 것이 무엇인지를 과학적으로 설명하는 일은 그렇게 간단하지 않다. 열이 무엇인지를 설명하는 문제를 두고 과학자들은 오랫동안 논쟁을 벌였다. 열의 실체를 제대로 이해할 수 있게 된 것은 물질이 원자나 분자로 이루어져 있다는 것을 알게 된 19세기 이후의 일이다. (229쪽)

기상관측을 하면서 정확한 온도 측정의 필요성을 느낀 그는 자연에서 일어나는 현상을 기준으로 하는 온도계를 만들기로 했다. 셀시우스가 선택한 것은 물의 끓는점과 어는점이었다. 그는 물이 끓는 온도를 0도로 하고, 물이 어는 온도를 100도로 하는 수은온도계를 만들었다. 그가 42세에 폐결핵으로 세상을 떠나기 2년 전인 1742년의 일이었다. 셀시우스가 만든 온도체계를 섭씨온도라고 부르는 것은 중국에서 셀시우스를 섭이사(攝爾思)라고 표기했기 때문이다. (247쪽)

방사선이 인체에 끼치는 영향을 고려한 선량당량은 시버트(Sv)라는 단위를 이용하여 나타낸다. 시버트는 스웨덴의 물리학자 롤프 막시밀리안 시베르트의 영어식 이름을 딴 것으로, 이온화 방사선의 생물학적 효과 연구에 기여한 시베르트의 업적을 기리는 의미로 1979년에 열린 국제도량형총회에서 명명되었다. 시버트(Sv)는 흡수한 에너지를 나타내는 그레이(Gy)에 방사선의 종류에 따라 정해져 있는 가중치를 곱한 값이다. (262쪽)

킬로그램원기를 버리고 자연현상을 바탕으로 한 질량의 기준을 정하는 문제는 오랫동안 과학자들의 숙제였다. 마침내 2018년 킬로그램원기를 대신할 질량의 기준이 마련되었다. 에너지의 최소 단위를 나타내는 플랑크 상수를 이용해 킬로그램을 새롭게 정의하게 된 것이다. (274쪽)

그 의미는 서로 다르지만, 일곱 가지 정의 상수는 한 가지 공통점이 있다. 그것은 적절한 장비를 갖추고 있는 실험실에서라면 누구나 실험을 통해 측정이 가능하다는 것이다. (276쪽)

플랑크 상수는 양자역학의 여러 이론에 사용되고 있을 뿐만 아니라, 우주 초기의 상태를 설명하는 천체 물리학, 열과 관련된 현상을 통계적인 방법으로 설명하는 통계 열역학에서도 기본적인 상수로 쓰이고 있다. 플랑크 상수는 빛의 속력과 마찬가지로 우리가 살고 있는 우주의 물리적 성질을 나타내는 기본상수 중 하나이다. (310쪽)

출판사 서평

● 단위는 과학의 시작과 끝, 단위를 알면 과학이 쉬워진다
단위 때문에 과학을 어려워하는 이들이 많다. 각종 기호로 표시되는 다양한 단위는 마치 해독되지 않는 암호처럼 내용 이해를 가로막고, 때로는 과학에 등을 돌리게 만든다. 그런데 과학책에는 왜 그렇게 단위가 많이 나올까? “자연과학은 물리량을 측정하고, 측정된 물리량 사이의 관계를 밝혀내는 학문 분야”이고, 측정에는 반드시 단위가 필요하기 때문이다. ‘2m’나 ‘10kg’처럼, 측정된 물리량은 숫자와 단위로 표현된다. 이러한 물리량 사이의 관계가 바로 과학 법칙이다. 그래서, 역으로, 단위만 제대로 알면 굳이 외우지 않아도 물리량 사이의 관계‘식’을 짐작할 수 있고, 과학 법칙을 보다 쉽게 이해할 수 있다.

● ‘힘’이란 무엇인가? 과학 개념까지 잡아 주는 충실한 단위 사전
이 책은 단위 사전을 표방하지만, 모든 단위를 망라하지 않는다. 대신, 과학에서 주로 쓰이는 핵심 단위와 상수에 집중해, 단위를 제대로 이해하고 단위에 익숙해질 수 있도록 필요한 내용을 충분히 담았다. 각 단위에 대한 설명은 총 세 단락으로 구성된다. 첫 단락에서는 압력, 에너지, 온도, 자기장 등 단위로 표현되는 물리량의 개념을 알아보면서 관련 이론 및 실험을 통해 단위가 설명되는 과정을 살펴본다. 두 번째 단락에서는 단위의 정의와 실제 쓰임을 알아본다. J, kWh, eV, cal는 모두 에너지의 단위인데, 어떻게 다르고 각각 언제 쓰일까? 이처럼 유사한 단위나 비슷해 보이지만 구별해야 할 단위도 비교하여 소개한다. 마지막 단락에서는 단위에 이름을 남긴 과학자의 생애와 주요 업적을 소개한다.
예컨대, 힘의 단위 뉴턴(N)에서는 일상에서 쓰는 힘이라는 말과 과학 용어로서 힘의 차이를 구분하고 뉴턴의 운동법칙을 통해 힘이 설명되는 과정을 먼저 살핀 뒤, 구체적으로 1N은 어떻게 정의되며 어느 정도 크기의 힘인지, 무게와 질량은 어떻게 구분되고 각각 어떤 단위로 나타내는지 알아본다. 이어서 아이작 뉴턴의 생애와 업적을 돌아본다. 최무영 교수의 말처럼 “단위를 표제 삼아 고전물리에서 양자물리, 열과 통계물리의 핵심 내용까지 풀어놓은 이 책은 단위뿐 아니라 과학 자체의 이해에 많은 도움을 줄 것”이다.

“우리는 일상생활에서 힘이라는 말을 자주 사용한다. “오늘은 할 일이 많아 힘든 하루였다.” “요즘 날씨가 더워서 힘들지?” “힘들면 쉬어 가세요.” 그러나 이때의 힘과 물리학에서 이야기하는 힘은 차이가 있다. 일상생활에서 힘이라는 말은 폭넓게 쓰이는 반면, 물리학에서 힘은 질량과 가속도의 곱으로 명확하게 정의되어 있다.” (43쪽)

● 킬로그램의 기준이 바뀌어도 변함없는 내 몸무게, 그럼 왜 바꾸었을까?
새로운 국제단위계와 7가지 정의 상수의 의미
1960년에 국제단위계가 확립된 이래로 가장 심대한 개정이 2018년에 있었다. 킬로그램원기를 폐기하고 플랑크상수를 이용해 질량을 정의하게 되면서 국제단위계의 기준을 기본단위가 아니라 자연에 존재하는 7가지 상수로 바꾸어 버린 것이다. 그렇지만, 우리가 사용하는 단위의 크기가 바뀐 건 아니다. 1킬로그램의 질량은 2018년 이전이나 이후나 똑같고, 지금 당장 2018년 이전의 기준으로 돌아간다 해도 내 몸무게는 조금도 변함이 없다. 하지만 미터원기나 킬로그램원기 대신 자연에 존재하는 상수를 기준으로 삼게 되면서 “측정의 정밀성과 실험을 통한 재현성이 향상”되었다. 오랜 세월이 지나면서 오염이나 산화 반응 등으로 미세하게 값이 달라지는 원기와 달리 상수는 언제나 같은 값이고, “적절한 장비를 갖추고 있는 실험실에서라면 누구나 실험을 통해 측정 가능”하기 때문이다. 서론에는 셰세프, 큐빗, 척관법 등 고대 동서양의 측정 단위부터 국제단위계의 성립과 2018년의 재정의에 이르기까지 현대적 단위 체계의 발전 과정이 일목요연하게 정리되어 있다.
새로운 국제단위계의 기준이 된 7가지 정의 상수에 관해서는 2장에서 살펴본다. 각 상수의 의미와 측정 방법, 그리고 각각의 상수가 기본단위인 초, 미터, 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰, 칸델라와 어떻게 연결되는지도 알아본다. 흑체복사 문제를 해결하며 양자역학의 문을 연 막스 플랑크, 통계적인 방법으로 엔트로피를 정의한 통계역학의 아버지 루트비히 볼츠만 등 상수가 된 과학자의 이야기도 담겨 있다.

작가정보

저자(글) 곽영직

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키 대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 1985년부터 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연대학장, 대학원장 등을 역임했으며, 2018년 정년퇴직 후 집필과 연구 활동에 전념하고 있다. 저서로는 2020년 세종도서 우수학술도서로 선정된 『인류 문명과 함께 보는 과학의 역사』를 비롯해 『이제라도! 전기 문명』, 『자연과학의 역사』, 『양자역학으로 이해하는 원자의 세계』, 『과학자의 철학 노트』, 『14살에 시작하는 처음 물리학』 등이 있고, 옮긴 책으로는 『오리진: 우주 진화 140억 년』, 『우주의 기원 빅뱅』, 『힉스 입자 그리고 그 너머』 등이 있다.

작가의 말

단위는 사물의 크기와 수량, 뜨겁고 밝은 정도, 힘의 세기 등 모든 물리량을 측정하는 기준이다. 따라서 과학, 특히 정량적인 성격이 강한 물리학에서는 단위가 무척 중요하다. 그런데 2018년 제26차 국제도량형총회에서 그동안 사용해 온 단위 체계를 7가지 정의 상수를 바탕으로 전면 개정했다. 이 결정으로 우리가 사용해 오던 단위의 크기가 바뀌는 것은 아니다. 그러나 단위에 대한 기본 개념이 크게 달라졌다. … 단위를 통해 과학의 역사를 새롭게 조명하고 물리량에 숨어 있는 철학적 의미를 다시 생각해 보기 위해 쓴 이 책이, 과학을 이해하고 과학과 가까워지는 데 조금이나마 도움이 되면 좋겠다. _머리말에서