엔트로피
엔트로피를 설명하기 위해 예를 들어 보겠습니다. 커피를 부은 유리컵에 우유를 넣으면 자연스럽게 섞입니다. 그러나 우유가 커피와 저절로 분리되는 일은 일상적으로, 자연스럽게 일어나지 않습니다. 열역학법칙에 따르면 이렇게 혼합된 액체의 자연스러운 분리가 전혀 불가능하지는 않지만, 보통 이루어지는 일은 아닙니다. 열역학 개념 중에는 엔트로피라는 조건 혹은 상태가 있습니다. '무질서'와 동일하게 쓰이는 이 개념은, 화학 분야에서 먼저 발견되었습니다. 엔트로피는 화학반응의 에너지 방정식에서 수지를 맞추는 데 유용합니다. 예컨대 기체는 액체보다 엔트로피가 높고, 따뜻한 물체가 차가울 때보다 엔트로피가 더 높고, 혼합물의 엔트로피가 규칙적으로 배열되어 성분별로 분리되는 계보다 높습니다. 엔트로피를 알기 쉽게 설명해 주는 중요한 성질을 발견한 학자는 루트비히 볼츠만입니다. 볼츠만은 엔트로피가 계 내부의 특정 상태를 확률로 설명해 준다는 사실을 발견했습니다. 책상에 놓인 종이들을 크기와 내용별로 정리하는 방법은 오직 하나지만, 이들을 아무렇게나 흩트리는 방법은 셀 수 없이 많습니다. 이와 비슷하게 우유와 커피 분자들은 두 층으로 깔끔하게 분리된 혼합물에 비해 여러 방식으로 퍼져 나갑니다. 이런 이유로 일반적으로 무질서한 상태에 있을 가능성이 높습니다. 사실 한 잔의 커피 속에 든 원자 수는 상상할 수 없을 만큼 많아서 자발적 분리가 일어날 확률은 10~20%보다 작습니다. 엔트로피에 관한 우리의 지식은 열역학 제2법칙으로 요약됩니다. 닫힌계의 엔트로피, 곧 무질서는 결코 감소하지 않습니다. 우주 전체를 바라볼 때 총엔트로피는 오랜 시간에 걸쳐 항상 증가했음이 분명합니다. 이는 먼 미래에 은하, 행성계, 염색체 따위의 구조도 깨질 수 있음을 뜻합니다.
전기
인류는 전기를 일상적으로 사용하지만, 이 전기의 물리적인 원리에 관해서는 전혀 모르는 사람이 대부분입니다. 전기적 원리의 핵심은 전하량의 원리라고 할 수 있습니다. 질량은 중력의 핵심이고, 양, 음전하는 전기의 핵심이라고 할 수 있습니다. 다른 전하는 상호당 기고, 같은 전하는 밀어냅니다. 양전하와 음전하가 같은 세기이면 겉으로는 중성으로 나타납니다. 보통 전기는 눈에 띄는 일이 거의 없습니다. 우주 어디서든 마찬가지지만 지구상의 전하를 전달하는 모든 것들은 이의 효과를 상쇄하는 반대 짝이 있습니다. 인력이라는 강한 힘 때문에 건전지의 양극으로 음전하로 하전 된 전자를 쉽사리 가속하여 움직입니다. 긴 거리에서도 전자들은 금속이나 도체를 타고 빠른 속도로 이동합니다. 이러한 전하의 흐름을 전류라고 합니다. 암페어는 전류세기 단위인데, 1 암페어의 전류는 1쿨롱의 전하가 1초 동안 전송되는 양입니다. 1쿨롱은 6.24*1018 전자들의 하전입니다. 여러 전기적 현상을 쉽게 이해하는 한 방법은 전선에 흐르는 전류를 파이프에 흐르는 물에 비유하는 것입니다. 파이프의 경사는 전기포텐셜로 장력에 해당하고, 볼트로 측정되며, '전압'이라고 부릅니다. 포텐셜이 클수록 전자가 얻는 전기에너지도 커집니다. 전등이나 전기모터의 전력은 사용한 에너지를 사용시간으로 나눈 값으로, 단위는 와트이고, '전력량'이라고 합니다. 전등 같은 기구가 소비한 전기에너지는 전류와 포텐셜을 곱한 값입니다. 물에 비유하면, 물레방아가 하는 일은 매초 얼마나 높은 데서 얼마나 많은 물이 아래로 떨어지는 가에 따라 결정됩니다.
자기력
중국에서는 2천 년 전부터 자석을 사용해 왔습니다. 고대 그리스인들도 어떤 특정한 돌덩이들이 철을 소량 끌어당긴다는 사실을 발견하였지만 수세기가 흐르고 나서야 이 원리를 이해하였습니다. 자기도 전기처럼 서로 반대되는 북극과 남극이 있는데, 마찬가지로 다른 극끼리는 끌어당기고 같은 극끼리는 밀어냅니다. 자석을 반으로 가른다면 특이하게도 각자의 조각이 각각 남극과 북극으로 나뉜다는 것을 알 수 있습니다. 조각을 더 작게 만들어도 같은 현상이 일어납니다. 이러한 현상은 기본자석이론으로 설명되는데, 자석이란 무수한 하위 미세규모의 자기 입자로 구성되고, 이 모두가 같은 방향으로 나열되어 있어 이의 성질이 결합되어 있다는 이론입니다. 20세기 들어 학자들은 이 입자들이 자성화된 원자임을 규명해 냈습니다. 19세기 초 물리학자들은 전기와 자기 현상 간의 유사점을 찾기 위해, 이들의 공통원인을 탐구하는 데 몰두했습니다. 이들은 전류와 자기장이 서로 영향을 미친다는 사실을 발견하고 더욱 고무되었습니다. 이러한 노력은 1860년대 맥스웰의 저자기력이론으로 전성기를 맞이합니다. 이 이론을 간단히 말하면, 첫째 모든 전기적 하전체는 전기장을 생성하고, 이 장은 다시 하전 된 다른 물체에 영향을 미칩니다. 둘째, 이동하는 하전체는 자기장을 형성합니다. 이는 핵 둘레를 도는 전자들에도, 전선이 말린 코일을 흐르는 전류에도 마찬가지로 성립합니다. 마지막 셋째는 전기장과 자기장은 파동 같은 교란으로 빛의 속도로 외부로 퍼집니다. 이 값들은 특정 매질, 예컨대 유리, 물, 진공에서 각 매질의 전기적, 자기적 성질로부터 직접 구할 수 있습니다.