사비오 칼럼

물리에 감각이 있는지 아는 법 1

By James H. Choi
http://Korean.SabioAcademy.com
원문출처

물리를 잘 하는 학생은 공부를 열심히 하기도 했지만 우선 선천적으로 물리적인 현상을 이해하고 있다.  요즘 연구에 의하면 생후 몇 달이 된 신생아도 중력을 이해 한다는 결론을 내리고 있다.  예를 들어 책상위에서 굴러가던 공이 책상 밖으로 벗어나고서도 바닥으로 떨어지지 않으면 신생아가 좀 더 오래 지켜 본다는 것이다.  무엇인가 이상하다는 것을 눈치챈다는 뜻이다.

나도 물리적인 현상을 직감적으로 이해하는 편에 속한다고 생각된다.  한가지 기억나는 예는 중학교 1학년 물상 시간에 선생님이 던진 질문이었다.  오른쪽의 상황에서 “주황색 무게를 물 속에 넣고 안 넣고가 저울에 어떤 변화를 가져올 것인가?”가 질문이었다.

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무게를 물 속에 넣고 안 넣고가 아무런 차이가 없다는 것은 비논리적이라는 생각이 들었다.  물 속에 들어갔으니 뭔가 차이가 나야만 할 것 같았다.  한데 만약 무게가 비커 바닥에 닿으면 무게 전체가 저울에 나타나겠지만 중간에 떠 있으면 좀 더 가볍게 저울에 나타날 것이라는 생각도 들었다.  하지만 그 가볍게 나타나는 무게는 뭔가 논리적이고 수학적으로 계산해낼 수 있는 수치야 한다는 생각도 들었다.  그래서 얼떨결에 손 들고 한 답이 “공의 부피에 해당하는 물의 무게만큼 올라갑니다”였다.  선생님이 맞았다고 했다.  나는 그 때까지 부력에 (buoyancy) 대해 배운 적이 없었다.  다만 0보다 크고 무게 자체보다는 가볍고 주어진 자료를 사용해서 계산을 해 낼 수 있는 수치가 무엇인가를 찾다보니 그런 짐작이 나온 것이었다.  그 때부터 그런 짐작이 적중하는 통쾌감에 중독이 된 것 같다.  어쩌면 그 일화가 나로 하여금 물리를 전공하게 만든 첫 스텝이었는지도 모르겠다.

나는 항상 이런 식으로 물리를 배웠다.  개념을 배울 때마다 나는 무의식 중에 이미 “통밥”을 굴렸고 그 짐작이 맞으면 통쾌한 기분으로 “그러면 그렇지…”  고개를 깊이 끄떡거리며 잘 이해를 했고 틀리면 “신기한” 느낌에 눈이 휘둥그레져서 더 흥미를 가지고 배워 깨달았다.  그리고 나의 “통밥”은 다시 조율이 되어 다음 번에는 좀 더 정확하게 원리를 짚으려 했다.  물리 공식은 외우는 것이 아니라 나의 직감을 명문화 하는 도구였다.  즉, 눈으로 길이를 짐작할 수 있지만 자를 사용하여 정확한 수치를 측정하는 것과 마찬가지였다.  그리고 공식은 내 직감이 상상할 수 없는 극한 상황을 볼 수 있도록 도와주는 도구였다.  나는 공식을 볼 때마다 분모가 0이 되는 경우, 제곱근 안이 음수로 되는 경우 부터 찾아보는 버릇이 있다.  기계를 보면  뜯어보고 고장을 내보는 것과 마찬가지의 심보인데 물리에서는 아~주 유용한 버릇이다.  (아인스타인의 상대성 원리 공식을 그런 눈으로 보면 누가 말을 안 해도 빛 속도보다 빠를 수 없고 빛 속도가 되면 momentum이 무한대로 폭팔한다는 것이 한 눈에 보인다.)

물리를 어려워 하는 학생은 두가지 유형으로 나누어지는데 하나는 수학에 약해 직감을 공식으로, 공식을 직감으로 옮기지 못하는 학생이다.  “물리가 재미 있는데 성적은 낮은”전형적인 경우이고 영어에 서툴러 소질있는 과목에서 고전하는 경우와 마찬가지이다.  수학을 배우면 저절로 해결이 되는데 대부분 시기를 놓친 후에 이 사실을 발견하게 된다.

다른 하나의 유형은 물리학적 직감이 없는 경우이다.  이런 학생에게는 물리가 난해한 공식의 연속이고 물리 공부란 어떤 공식의 어디에 무엇을 어떻게 대입 해야 하는지를 배우는 학문이라고 생각한다.  한데 물리는 소질이 없다고 처음부터 피할 수가 없는 과목이다.  영어를 배우는 것과 마찬가지로 소질이 없으면 더 일찍부터 더 제대로 배워서 고등학생이 되면 일정 수준으로 올려놓아야 한다.  현대 경제에 리더가 되기 위해서는 피할 수 없는 과목인 영어를 어려서부터 가르치는 것과 마찬가지이다.

한데 어떻게 하면 물리를 직감적으로 이해하고 있는 타입인지 아닌지를 구별할 수 있을까?  어떻게 하면 내가 위에 언급한 물리 문제를 받아 직감적으로 풀어낼 수 있는지 확인할 수 있을까?  여기에 실험해 볼 기회가 하나 있다.  아래의 비디오는 아무런 special effect 없이 보이는 현상을 그대로 찍은 비디오이다.  이 비디오를 보면서 끝까지 어떻게 이런 비디오를 찍었는지 figure out 못 한다면 물리에 intuition이 없는 것이다.  나같이 약골로 태어난 아이가 어려서부터 운동을 배워 체력을 정상으로 만들 듯 이 비디오 촬영방법을 figure out 못한 학생은 어려서부터 과학에 대한 공부를 노는 것 같은 형태로 틈틈히 배우고 익혀야 한다.

어떻게 찍은 비디오인지 빨리 figure out 할 수록 intuition이 강한 것이지만 몇 초만에 figure out 하는 것이 어느 정도의 intuition에 해당되는지는 나도 모르겠다.  나는 첫 사람이 걸어가는 장면을 보고 어떻게 찍은 것인지 알아 냈으니 한 5초 정도 걸린 것같다.

초중학년의 자녀를 가지신 분들에게 이 글을 보내드리면 자제분의 물리 적성을 오락형태로 무료로 즐겁게 측정해 보실 수 있겠다.