21가지 과학 이야기

지금 과학 - 우리가 세상을 읽을 때 필요한 21가지
마커스 초운 지음, 이덕환 옮김 / 까치 / 2024년 4월

 21가지 과학적 주제를 책에 담았다. 책을 얇기에 간단히 다루지만 내용은 깊고 생각보다 조금 어려운 부분도 있었다. 전혀 모르는 부분도 있었고, 모르는 부분에 대한 보충도 가능했다. 

 중력은 근본적으로 힘 중에 가장 약하다. 이는 물리학은 수수께끼 중 하나다. 하지만 무척 강력하나 대개 상쇄되는 전자기력과는 다르게 중력은 인력으로 항상 있으며 상쇄되지 않는다. 다만 무척 작을 뿐이다. 중력은 전자기력보다 무려 10의 40승배 약하다. 즉, 물체게 10의 40승배 이상의 원자가 있어야 양자가 비슷해진다는 이야기다. 중력이 지배적이 되면 해당 물체는 가장 조밀하게 되어 구의 모양을 띠게 된다. 그래서 10의 40승배 정도 원자가 있는 돌의 지름은 대략 600km정도이며 우주에서 이정도 크기가 되어야 소행성이 구의 형태를 띤다. 그 이하는 제각각의 형태다. 

 케플러의 행성운동 제2법칙은 행성이 태양에 가까우면 더 빠르게 움직이고 멀어지면 더 느리게 우움직인다. 이런 행성-태양간 가상의 선을 그리면 그 선이 일정 기간 지나가는 면적이 일정하다. 가상의 선이 지나간 면적은 행성의 속도와 태양으로부터의 거리를 곱한 양에 비례하는데 이 면적이 각운동량이다.

 그리고 이에 따라 태양을 도는 각 행성의 궤도는 타원이 된다. 물체의 궤도는 원뿔의 3가지 단면에 해당한다. 원뿔의 단면은 자라는 방법에 따라 포물선, 타원, 쌍곡선의 형태다. 이 중 포물선은 묶임과 자유의 중간상태, 타원은 궤도에 행성이 갇힌 상태, 쌍곡선은 탈출 상태다. 

 달도 지구를 타원 궤도로 공전하다보니 조석현상이 발생한다. 달이 지구의 한 면과 가까워지면 달의 인력으로 인해 물이 위로 올라간다. 그래서 그 부분은 밀물이 된다. 바로 반대쪽도 밀물이다. 달의 인력으로 땅이 아래로 내려가며 밀물이 된다. 다른 두 부분은 해당시간 썰물이 되며, 그래서 하루 두번 조석이 발생한다. 우물은 반대로 움직인다. 밀물 때 땅이 위로 올라가니 흙이 우물을 빨아들여 수위가 내려간다. 하지만 썰물 때는 땅이 아래로 내려가며 흙이 물을 짜내기에 우물의 수위가 올라간다.  

 번개가 치는 것은 전하 불균형 때문이다. 그리고 발전소에서는 전하 불균형을 만들어 전하의 흐름인 전류를 만들어낸다. 자기 현상은 물질 내부에서 흐르는 전류 때문에 생겨난다. 발전소는 도체를 통과하는 자기장을 변화시켜 전기를 생산하는데 전자기 유도라고 한다. 

 직류는 전기장의 전자를 아래로 밀어내는 과정에서 거리가 멀어짐에 따라 약해지는 결함이 있다. 그래서 직류로 전기를 공급하게 되면 전기가 가정으로 멀리 이동하는 과정에서 약해지기에 가정 인근마다 발전소가 있어야만 한다. 이를 개선한 것이 교류다. 교류는 발전소에서 강력한 전압의 전기를 보낸다. 그러면 가정까지 멀리 떨어 이동해도 충분한 강도의 전류가 유지된다. 다만 이 경우 가정에서 쓰기엔 전기가 너무 강한게 문제가 되는데 그래서 변전소가 필요하다. 변전소에서는 전선을 많이 감은 코일과 적게 감은 코일 사이에서 전기장의 변화를 수십차례 변화하는 방법으로 전압을 내린다. 

 태양의 중심부 온도는 1500만도나 된다. 무척 높지만 사실 이는 핵반응이 일어나기엔 1000배나 부족한 온도다. 하지만 태양에선 엄연히 핵반응이 일어나는데 이는 양자터널링 효과로 인해 양성자들이 서로 가까이 붙은 상태에서 급격히 이동해 융합하기 때문이다. 태양에는 10의 27승 톤의 수소와 헬륨이 있다. 수소는 1개의 양성자만 있지만 헬륨은 2개의 양성자와 2개의 중성자가 원자핵에 있다. 두 개의 수소 양성자가 달라붙으면 핵은 불안하다. 그래서 둘 중 하나가 중성자가 되어야만 하는데 이는 100억번의 한 번 정도만 발생하는 정도다. 이처럼 태양의 핵반응은 간신히 일어나는 것이고 무척 효율이 떨어지는 과정이다.

 태양은 온도를 적절히 유지한다. 너무 많은 열을 생성하면 태양을 구성하는 기체가 팽창하며 온도가 내려가고 핵반응 속도가 떨어진다. 그리고 열이 너무 적게 생성되면 기체가 수축해 온도가 올라가고 핵반응의 속도가 빨리지는 매커니즘이 있기 때문이다. 

 태양의 외부와 내부의 회전속도가 다르다. 그리고 위도에 따라서도 회전속도가 다르다. 그래서 자기장이 연속적으로 비틀리고 튀틀려 에너지가 저장된다. 이런 태양자기장의 고리가 끊어지면 흑점이 나타난다. 태양의 한점에서 나온 자기장의 꼬리는 다른 곳을 통해서 들어 가기에 흑점은 언제나 쌍으로 발생한다. 엄청난 양의 태양 플라스마와 자기장이 우주 공간으로 방출되는 경우가 있는데 이를 코로나 질량 분출이라고 한다. 지구가 직격되면 완전히 익어버릴 정도이며 빗나가도 강한 자기장을 발생시켜 지구상의 모든 전자장비가 파괴된다.

 지구는 태양으로부터 6000도에 해당하는 광자를 받는다. 하지만 지구는 300도의 광자를 방출한다. 들어오는 것과 나가는 것의 양은 같아야 한다. 때문에 이 경우 지구는 20배가 더 많은 광자를 방출해야 한다. 이는 광자 1개가 20개로 늘어나는 경우이므로 무질서가 크게 증가하는 경우다. 즉, 고품질의 태양광선을 저품질의 다량의 적외선으로 방출한는 것이다. 그래서 지구에는 생명과 질서라는 엔트로피를 크게 줄이는 것이 존재함에도 우주 전체적으로는 엔트로피를 크게 늘리기에 열역 2법칙을 어기지 않는다. 

 언급한 각운동량의 법칙은 고립된 계에서 각 운동량은 변화하지 않는다는 것이다. 각 운동량은 회전속도는 아니며 회전축에서의 평균거리다. 그래서 스케이터가 회전할 때 팔을 회전축인 몸으로 오므리면 속도가 자연히 증가한다. 중첩된 전자 두 개는 스핀이라는 양자적 성질을 갖는다. 전자를 그래서 시계방향이나 반시계방향이다. 중첩되면 두 전자는 서로 반대의 스핀을 갖는데 그래서 각운동량이 0이 되어 법칙을 만족시킨다. 놀라게도 중첩된 두 전자는 아무리 멀리 떨어졌어도 각 운동량의 법칙으로 인해 하나의 스핀이 결정되면 반대쪽도 결정된다. 이는 정보가 빛의 속도를 넘어서서 전해질 수 없다는 아인슈타인의 특수상대성 이론에 반하게 된다. 

 인간의 뇌는 1000억개의 뉴런으로 구성된다. 그리고 하나의 뉴런은 1만개의 수상돌기로 1만개의 다른 뉴런과 상호작용하기에 총 연결 갯수는 무려 1조개가 된다. 하나의 축삭돌기는 수상돌기와 직접 연결하지 않는다. 시냅스라는 연결이 존재한다. 시냅스에서 축삭돌기의 전기신호가 화학적 전달자로 변화한다. 화학적 전달자를 이용한 전기 신호의 중개로 뉴런으로부터 거의 무한한 반응을 이끌어내는게 가능하다.