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Wonderful Science | 별에서 온 그대

정보/Wonderful Science 2019.08.09 11:16




별에서 온 그대

별과 원소

 

 

 여름 저녁에 도시 불빛을 피해 밤하늘을 올려다보면, 동쪽에 치우쳐 남북으로 길게 은하수가 흐릅니다. 거기서 중앙 쪽으로 유난히 빛나는 별을 하나 볼 수 있을 것입니다. 거문고자리 일등성인 ‘베가’죠. 우리에겐 ‘직녀성’으로 알려진 애잔한 별이에요. 직녀의 위치를 알면 견우가 어디 있을지도 알 수 있겠죠? 은하수 건너 살짝 남쪽으로 치우친 독수리자리의 알파성인 ‘알타이르’가 견우입니다. 일 년 중 단 하루, 칠월 칠석(음력 7월 7일)에 연인은 까치와 까마귀의 도움으로 오작교(은하수)에서 만나 안타까운 사랑을 이룹니다. 

 

 이 은하수를 따라 북쪽으로 조금만 눈길을 돌리면 우아한 비행을 하는 백조자리가 보일 것입니다. 백조의 머리에 해당하는 일등성 ‘데네브’와 직녀성인 ‘베가’, 견우성인’ 알타이르’가 바로 유명한 ‘여름철 대삼각형’을 이루는 세 별입니다. 오늘 밤엔 한 번쯤 고개를 들어 이들을 만나보면 어떨까요?

 

<여름철 대삼각형과 은하수, 출처 : 염범석>

 

 

 

1. 태양은 별이다

 별은 항성이고, 항성은 핵융합으로 스스로 빛을 내는 천체입니다. 그에 반해 지구 같은 행성은 핵융합하지 않으므로 스스로 빛을 내지 않고 항성 주위를 공전합니다. 그러니까 밤마다 밝게 빛나는 목성이나 금성은 ‘별’이 아니고 행성입니다. 행성이 밝은 것은 항성의 빛을 반사하기 때문이지요. 지구에서 가장 가까이 있는 별은 무엇일까요? 빛으로 8분 20초면 만날 수 있는 별, 바로 우리의 태양입니다. 

 

<잘 알려진 별들의 겉보기 색과 크기. 태양(Sun)은 가운데 있다. 

시리우스의 겉보기 등급은 -1.44로 밤하늘에서 가장 밝은 항성이지만, 실제 크기는 오리온 자리의 어깨에 있는 베텔게우스보다 비교할 수 없게 작다.

전갈자리의 안타레스도 매우 큰 적색 초거성이다. 항성의 색으로 온도를 알 수 있다. 출처 : 위키백과>

 
 
 
2. 별은 핵융합을 한다
 별은 핵융합하는 천체이고, 핵융합이란 핵이 합쳐지는 것을 말합니다. 가장 간단한 원소인 수소는 우주에 있는 물질의 75%를 차지합니다. 수소는 다른 원소와 마찬가지로 원자핵과 전자로 이루어져 있지요. 특히 수소 원자핵을 양성자라고 합니다. 수소 핵융합을 하면 바로 이 양성자가 묶여서 새로운 원소인 헬륨이 됩니다. 그런데 이 과정에서 약간의 질량 손실이 있게 되고, 그 손실된 질량만큼 빛과 에너지가 방출됩니다. 아인슈타인 하면 떠오르는 공식, E=mc2 아시죠? 질량 m이 아무리 작아도 옆에 곱해지는 빛 속도인 c의 제곱 값이 워낙 커서, 에너지 E가 무지 커질 수밖에 없지요. 별이 저리도 뜨겁고 밝은 빛을 내는 원리가 바로 핵융합입니다. 
 

<핵융합의 원리. 수소 원자핵인 양성자 4개의 질량과 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨 원자핵의 질량차이가 별을 빛나게 한다.

출처 : ZUM 학습백과, 태양 복사 에너지>

 

 

 

3. 질량이 운명이다

 인생이 100년 정도라고 하면 별의 수명은 얼마나 될까요? 별의 운명은 초기질량이 결정합니다. 별의 수명은 질량의 제곱에 반비례하는데, 100억 년을 사는 우리 태양보다 10배 무거운 별은 수명이 1/100로 1억 년밖에 못살고, 태양보다 10배 가벼운 별은 100배인 1조 년을 살 수 있습니다. 별은 짧고 굵게 살거나 가늘고 길게 사는 셈이지요. 우리 태양은 지금 46억 살이니까 전체 수명에서 절반 정도를 살았다고 할 수 있겠네요. 태양은 지금 수소가 헬륨으로 핵융합하고 있는데, 이런 별들을 주계열성이라고 합니다. 

 50억 년 후에 태양은 중심의 수소가 헬륨으로 바뀌고 그 바깥에 수소가 남아있다가 다시 한 번 핵융합을 하면서 팽창하는 적색거성이 됩니다. 수축한 중심부에서 헬륨이 핵융합해 탄소가 만들어지고, 바깥쪽의 헬륨과 수소가 불안정해지면서 많은 물질을 방출하는 행성상 성운이 됩니다. 결국에는 중심부의 탄소만 남아 서서히 죽어가는 백색왜성이 되지요. 탄소가 압력을 받으면 중심부는 다이아몬드가 될 수도 있습니다. 지구는 태양이 적색거성이 될 때 그의 품 안에서 완전히 하나가 될 것이니, 우리 몸의 탄소는 혹시 예쁜 다이아몬드가 되지 않을까요?

 

<태양의 일생. 태양의 수명은 100억년이고 현재는 46억살이다. 출처 : 위키백과>

 

 

 

4. 별의 질량과 원소의 기원

 태양 정도의 질량을 갖는 별은 수소 핵융합으로 헬륨을, 헬륨 핵융합으로 탄소까지 만들 수 있습니다. 태양보다 훨씬 무거운 별에서는 핵융합으로 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소와 철까지 만들 수 있습니다. 그러나 중심부에 철이 생기면 더는 원소는 만들어지지 않고 중심핵이 중력을 못 이겨 연쇄적으로 붕괴가 일어나고, 되 튕기는 탄성으로 엄청난 폭발이 일어납니다. 초신성 폭발이지요. 이때의 밝기는 초신성 폭발 하나가 작은 은하 전체의 밝기와 맞먹을 정도입니다. 이 과정에서 철 이후 우라늄까지 주기율표의 모든 원소가 찰나적으로 생성돼 우주공간에 흩뿌려집니다. 초신성 폭발  사진들에서 보이는 화려한 색상은 다양한 원소의 존재를 말합니다. 

 폭발 후 남은 코어는 수축하여 중성자별이 되고, 질량이 더 큰 별은 한없이 수축하여 결국 블랙홀이 됩니다. 중성자별을 한 티스푼 떼어내면 무게가 에베레스트 산과 맞먹습니다. 다시 얘기하면, 우주에 있는 원소 중 헬륨(대부분은 빅뱅에서)부터 철까지는 별의 핵융합 과정에서 만들어지고, 철 이후 나머지 원소들은 초신성 폭발에서 생겼습니다.

 

<별의 일생. 별의 마지막은 백색왜성, 중성자별, 블랙홀이 된다. 출처 : 찌꾸 선생님의 photohuman.com>

 
 그런데 여기서 잠깐, 주기율표 1번이자 우주 물질의 3분의 2를 차지하는 수소는 정작 어디서 온 것일까요? 바로 빅뱅입니다. 더 정확히는 빅뱅 후 1초에 수소 원자핵인 양성자가 만들어집니다. 헬륨의 원자핵인 알파입자가 빅뱅 후 3분에 생겨나고, 38만 년에 전자가 원자핵에 포획되어 원자가 탄생합니다. 그동안 전자의 진로방해로 움직이기 힘들었던 광자(빛)가 드디어 원자들 사이에 생긴 공간으로 힘차게 뻗어나와 온 우주를 달리기 시작합니다. 이 빛을 찍은 것이 우주배경복사이지요. 빅뱅 후 38만 년이라는 완전 초기 우주의 빛을(138억 년 동안 달리면서 팽창한 공간 때문에 지금은 마이크로파가 된) 그대로 찍은 겁니다. 당신이 보고 있는 밤하늘의 별빛은 138억 년 우주의 과거를 동시 상영하는 영화관입니다.
 우주에 있는 모든 원소의 기원이 빅뱅에서 수소와 헬륨, 별의 핵융합으로는 철까지, 초신성 폭발로 나머지 원소가 생긴다는 것을 알게 되었습니다. 모두 주기율표에 있는 것들입니다. 광대한 우주의 크기를 생각하면 자연에서 생긴 원소가 100개도 안 된다는 게 신기하기도 합니다. 
 

<원소들의 기원을 표시한 주기율표. 수소와 대부분의 헬륨은 빅뱅에서 왔다. 철까지는 별의 핵융합으로, 철 이후 우라늄까지는 초신성의 폭발이 기원이다.>

 

 

 

5. 별에서 온 그대

 

<우주와 나는 재료가 같다. 출처 : UNIVERSITY of NOTRE DAME, How You Became You – Origin of the Elements of Life>

 
 우주의 원소들이 지구와 내 몸을 이루었습니다. 우주와 나의 재료는 완전히 같습니다. 우리 목숨은 숨과 숨 사이에 있다는 말이 있죠. 숨쉬기가 일어나는 폐를 분자적으로 본다면 산소와 이산화탄소의 이동일 뿐입니다. 우리의 유전자는 단백질 덩어리인데, 이 다양한 단백질들도 분자적으로는 탄소와 산소와 수소, 그리고 약간의 인과 황 등이 있을 뿐입니다. 우리 몸의 발전소라 할 수 있는 ATP 합성효소는 수소 원자핵인 양성자가 돌립니다. 하루에 무려 50kg의 ATP를 만들고, 그 에너지로 우리는 자판을 두드리고, 눈을 깜박이고, 누군가를 생각하고, 미소 지을 수 있습니다. 
 모든 것이 빅뱅과 별의 핵융합과 초신성 폭발에서 시작한, 원소들의 다이내믹한 춤으로 이루어지는 일입니다. 분자적인 측면에서 보면 당신과 내가, 소나무와 화강암이 하나도 다르지 않습니다. 소라의 집인 소라껍데기와 우리의 집인 아파트의 시멘트는 똑같이 칼슘으로 만들어져 있습니다. 모든 원소는 레고 블록과 같습니다. 매 순간 그 조합이 달라질 뿐이고 시간의 흐름 속에서 그저 순환할 뿐입니다.
 







<(좌)ATP합성효소. 노란 구슬이 양성자 출처 : Membrane Transport, P15 Structure and function of bacterial ATP synthases>

<(우)태국 어느 숲에서 나방이 곤충학자 한스 벤치거의 눈물을 마시고 있다. 나트륨원자가 한스벤치거에서 나방으로 옮겨지는 순간이다. 출처 : 한국경제, [책마을] 인체는 우주를 순환하는 원자의 정거장)>

 

 지금 내 몸을 이루고 있는 원소들이 먼 옛날 빅뱅과 별과 초신성의 잔해에서 왔듯이, 나는 곧 원소로 해체되어 지구에서 무수한 순환을 하다가, 먼 훗날엔 또 어느 새로운 별을 만들게 되겠죠. 우리는 별에서 와서 별로 돌아가는 존재입니다. 우리의 몸은 우주의 기억입니다. 사랑하는 이의 손에 담긴 체온은 우주적 사건입니다. 비록 찰나 같은 시간을 행성 지구에서 머물다 가겠지만, 부디 당신이 매 순간 모든 시공간을 통틀어 유일무이한 우주적 존재임을 잊지 마시길, 별에서 온 그대여!



 

 

 

별이

바위에 스며들어

꽃이 되었네

 

 

 




 

 

 





기고 | 엑셈 아카데미 김현미

편집 | 사업기획팀 박예영






 [Semtong 139회] PLAY WITH EXEM

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Wonderful Science | 우리는 어디에서 와서 어디로 가는가?

정보/Wonderful Science 2019.07.10 13:47

 

 

 

 안드로메다 은하를 본 적이 있나요? 안드로메다는 맨눈으로 볼 수 있는 천체입니다. 우리 은하의 2배 크기에, 별의 개수도 최소 2배넘는 1조개나 되지요. 그런데 예전에는 안드로메다가 우리 은하 안에 있다고 알고 있었습니다. 사실 250만 광년이나 떨어져 있고, 우리 은하보다도 훨씬 큰데 말이죠. 이 믿음이 깨진 것이 채 100년도 안된 일인데요. 그 중심에 허블이라는 천문학자가 있었습니다. 

 

<허블 망원경이 촬영한 안드로메다 은하, 출처 : 유튜브>

 

 

 

팽창하는 우주

 

 천문학자들에게 가장 중요한 과학적 발견이 무엇이냐고 물어본다면, 아마도 “우주의 팽창”이라고 답할 것입니다. 이게 왜 그렇게 중요할까요? 그리고 우주가 팽창한다는 것을 어떻게 알았을까요? 

 
1. 안드로메다는 우리 은하가 아니었다!
 할아버지의 무릎에서 천문학을 배우고 고등학교 때 화성에 대한 글을 썼을 정도로 천문학을 좋아했던 허블은 고등학교 교사, 권투선수, 변호사, 1차대전 참전 등 다양한 이력을 가진 인물입니다. 그럼에도 불구하고 천문학자가 되고자 하는 꿈을 접지 않았죠. 결국 허블은 사랑하는 천문학을 하기 위해 1919년 당시 가장 큰 망원경이 있던 윌슨산 천문대로 가게 됩니다. 
 1923년 10월, 그는 안드로메다 성운을 관측하던 중 세페이드 변광성을 발견합니다. 허블은 세페이드 변광성을 이용해 안드로메다 성운까지의 거리를 추정하였죠. 허블이 계산한 안드로메다까지의 거리는 90만 광년이었습니다. 지금 기준으로 정확하지는 않지만(실제로는 250만 광년), 중요한 것은 그 당시에 이미 우리 은하의 크기가 10만 광년으로 알려져 있었다는 것입니다. 
 
“10만 광년 안에 어떻게 90만 광년이 들어갈 수 있다는 말이야?
세상에, 안드로메다는 다른 은하였어! 우리가 세상의 모든 것이 아니었어?”
 
 당시에 이건 지동설에 버금가는 충격입니다. 우리의 프레임에 혁명을 가져온 사건이죠. 허블이 라이벌이었던 섀플리에게 자신이 발견한 결과를 편지로 알리자, 섀플리는 “나의 우주가 사라졌다”고 탄식했다고 합니다.
 
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 여기서 잠깐, 허블은 어떻게 거리를 계산해냈을까?

 1912년에 이미 헨리에타 스완 레빗 등 여성 천문학자들이 세페이드 변광성을 이용해 천체와의 거리를 재는 방법을 알아냈기 때문입니다. (사람들은 그녀들을 ‘컴퓨터들’이라고 불렀어요. 계산원이란 의미죠.) 레빗은 대학에서 천문학을 배웠음에도 불구하고, 여성이라는 이유만으로 망원경 한 번 만져보지 못한 채 30년 가까이 하버드 대학 천문대에서 사진 건판을 검사하는 계산수로 근무했습니다.

<하버드 대학교 천문대에서 일하고 있는 레빗, 출처: 위키피디아>

 레빗은 마젤란 성운의 1800여개의 변광성을 관찰, 기록해 변광성의 밝기와 주기의 규칙성을 밝혀낸 인물입니다. 레빗의 이 발견으로 우리는 먼 천체와의 거리를 알 수 있게 되었는데, 허블은 자신의 저서에서 “레빗이 우주의 크기를 알 수 있는 키를 만들어 주었다”고 했습니다. 안타깝게도 레빗은 생전에는 합당한 인정을 받지 못했어요.

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2. 우주가 팽창한다? – 허블의 법칙

 

<거리가 먼 은하일수록 적색편이가 크게 관측된다. 즉 먼 은하일수록 멀어지는 속도가 빠르다. 출처: 과학잡지 뉴턴>

 

 이어서 1929년에 허블은 ‘적색편이의 법칙’이라는 논문을 발표합니다. 논문에서 그는 우주의 모든 천체들이 적색편이를 보인다고 말했습니다. 적색편이란 천체의 색깔이 붉은색으로 편향되어짐을 말하는데, 이것은 그 천체가 우리로부터 멀어져 파장이 늘어날 때 생기는 현상입니다. 

 

 은하들이 적색편이를 보인다는 것은 천체가 스스로 멀어지는 것이 아니라, 공간 자체가 늘어남으로 인해 그 공간 안에 있던 존재들간의 간격이 벌어짐을 말합니다. 결국, 우주가 팽창하는 모습을 띈다는 것이지요. 그리고 거리가 멀수록 멀어지는 속도가 커진다는 것이 ‘허블의 법칙’입니다. 우주는 현재 가속 팽창 중입니다.

 

 허블이 1929년 ‘허블의 법칙’을 발표하기 전 우주의 팽창에 대해 먼저 연구한 사람들이 있습니다. 1922년 러시아의 알렉산드르 프리드만은 아인슈타인의 일반상대성이론을 적용해 수학적으로 우주가 팽창한다는 결론을 도출합니다. 이어 1927년에는 벨기에의 신부 조르주 르메트르가 우주 팽창을 수학적으로 적용해 빅뱅이론의 단초를 제공합니다.

 

 우주가 팽창한다는 빅뱅이론의 지지자들과 달리 아인슈타인은 우주는 시공간에 관계없이 항상 변하지 않는다는 ‘정상우주론’의 입장이었습니다. 일반상대성이론에서도 우주가 팽창하는 압력을 상쇄하기 위해 우주상수를 만들어 우주를 ‘안정화’시켰고요. 정상우주론자들은 이제 관측으로 증명한 허블의 법칙으로 입을 닫아야만 했습니다. 아인슈타인은 1931년 윌슨산 천문대에 직접 방문해 망원경을 들여다보고 “내 일생일대의 실수는 우주상수다”라고 말했다고 합니다.

 

 

 

3. 빅뱅이론과 우주배경복사

 빅뱅이론은 우주팽창과 논리적으로 같은 말입니다. 우주가 팽창한다는 말을 거꾸로 돌리면 ‘우주는 한 점에서 시작했다’는 결론이 나오기 때문이죠. 유리 구슬이 깨져서 파편이 흩뿌려지는 화면이 있다고 해 봅시다. 이 영상을 뒤로 돌려보면 어떻게 될까요? 결국 하나의 단단한 유리 구슬로 다시 돌아가겠죠?

 

 1940년대 들어서 여전히 정상우주론자들과 빅뱅우주론자들과의 대립이 계속되던 가운데 러시아의 조지 가모프는 빅뱅이론을 주장하면서 놀랍게도 다음과 같은 예측을 합니다. “빅뱅 초기에 에너지가 매우 큰 파장이 공간의 팽창으로 시간 여행을 하였다면, 지금쯤 아주 작은 전파로 발견될 수 있을 것이다.” 빅뱅의 흔적을 발견할 수 있다는 예견인데.. 실제로 얼마 지나지 않아 그 증거가 발견됩니다!

 

 1964년 벨 연구소의 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 전파천문학 연구용으로 극저온 마이크로파를 감지할 수 있는 전파 안테나를 개조하려고 했습니다. 정확한 수신을 위해 잡음을 제거하려 모든 소음을 다 제거해도 한 가지 정체불명의 잡음이 계속 남아있었습니다. 안테나도 수리하고 심지어 비둘기 똥도 청소해보았지만 소용이 없었는데요. 그러던 와중에 그들은 그 잡음이 바로 옆에 있는 프린스턴 대학교의 천체물리학자들이 찾고 있던 우주 마이크로파 배경 복사(CMB : Cosmic Microwave Background radiation)임을 알게 되었습니다. 어떻게든 없애고 싶었던 잡음이 우주배경복사였던 것이죠!

  

 빅뱅 38만년 후 우주 온도가 3000K정도로 식자, 전자의 속도가 느려지면서 양성자에 끌려 포획됩니다. 전자와 양성자의 재결합으로 우주가 투명해지자, 그동안 플라즈마 상태에서 갇혀 빠져나오지 못하던 광자가 드디어 우주로 뻗어나가게 되는데요. 그 빛(광자)이 바로 펜지어스와 윌슨이 우연히 발견한 우주배경복사입니다. 우리가 관측할 수 있는 우주를 균일하게 가득 채우고 있는 마이크로파 복사입니다. 어렸을 적 흑백 진공관 TV에서 애국가가 끝나면 나오던 지지직하는 화면의 소리나, 전자레인지의 마이크로파도 바로 CMB입니다. 우리는 우주의 먼 과거와 함께하고 있는 것이죠. 

 

<우주배경복사 관측을 위해 쏘아올려진 인공위성과 우주배경복사의 정밀도, 출처 : Mars At School>

 

 

 

우리는 어디에서 와서 어디로 가는가

 우주가 가속 팽창 한다는 것은 관측으로 확증이 되었습니다. 우주 공간은 무한히 팽창하는데, 우리는 빛의 속도로 도달할 수 있는 거리까지의 우주만 볼 수 있습니다. 점차 팽창된 공간과 측정 가능한 공간 사이의 갭이 커지고, 우리와 가장 가까이 있던 천체마저도 그 지평선을 넘어가 버리면 어떻게 될까요? 만약 우리가 그 때까지 생존해 있고 어떤 기록도 없다면, 아마도 우리는 100년전에 우리가 믿었던 것과 똑같이 생각하고 있을 것입니다. 이 광활한 우주에 오직 우리 밖에 없다고.. 왜냐하면 밤하늘에 단 하나의 별빛도 없을 테니까요. 별들도 더 만들어지지 않고, 블랙홀들이 은하를 잡아먹다가 증발하고, 거기서 나온 방사선만이 존재하다 결국 우주는 절대 온도 0도에 근접하는 열적 죽음을 맞이하게 될 것입니다. 

 

 사실 이것은 도저히 상상도 안되는 오랜 후의 이야기입니다. 아름답고 찬란한 결말이 아니라 슬픈가요? 슬프다는 감정조차 흔적도 없이 사라져버릴 시간입니다. 우주는 거의 무한한 시공간을 제공하고 있습니다. 그런데 우리는 이 광활한 시공간 속에서 어디서 어느 만큼 있다가 가는 것일까요? 지금 내가 있는 이 공간, 이 순간만이 내가 우주를 알고 느낄 수 있는 유일한 기회입니다. 지금 매 순간 경험하고 있는 ‘그저 상식적인’ 내 주변은 우주적으로 보면 얼마나 비정상적이고 흔하지 않은 일인지.. 어둠을 통해 빛을 알고, 죽음을 통해 삶을 배우듯이 우주를 통해 나를 바라볼 때, 나는 예전의 내가 아니게 됩니다.

 

<관측 가능한 우주의 일부인 화로자리의 허블 울트라 딥필드 사진. 가장 작고 크게 적색편이화 된 빛은 거의 138억년 된 은하이다.
우주에는 최소한 2조개의 은하가 있다. 출처 : 위키랜드>




[참고문헌]

『시간은 흐르지 않는다』, 카를로 로벨리

위키피디아

『경이로운 우주』, 브라이언 콕스

『세상을 바꾼 우주』, 원정현



기고 | 엑셈 아카데미 김현미
편집 | 사업기획팀 박예영





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Wonderful Science | 왜 과학인가?

정보/Wonderful Science 2019.05.08 13:39

 

 

 

과학은 ‘비판적 사고’라는 방법론

 중세에 마녀 사냥을 할 때, 누가 마녀인지 어떻게 판정했을까요? 간단합니다. 물에 빠뜨려 보면 됩니다. 만약 물에 뜬다면 마녀입니다. 그녀는 물에 빠져 죽던지, 아니면 마녀이니 불에 타서 죽게 됩니다. 최소 50만 명이 희생되었던 마녀 사냥의 시대는 장중한 바로크 음악이 배경으로 흐르고 있었습니다. 신을 중심으로 모든 질서가 돌아갔으며 질병과 자연 재해와 같은 재앙은 마녀라는 희생양의 책임으로 돌렸습니다. 

 

 뉴턴역학이 등장하면서 근대가 출발하고, 기득권층은 깊은 좌절을, 신흥 세력은 사회적 비판 의식을 키우게 됩니다. 귀족을 골탕 먹이는 모차르트의 오페라 ‘피가로의 결혼’은 그 시대 정신을 반영합니다. 우리나라 조선 후기 판소리가 그랬듯이 말입니다. 

 

 사람들은 우리 공간을 밝게 채우는 빛의 정체에도 관심을 둡니다. 빛은 파동일까요 아니면 입자일까요? 색깔과 이미지는 어떻게 구성되는 걸까요? 빛을 해체하여 인상 만을 남기는 인상파가 나타났고, 시민은 클로드 드뷔시의 음악에서 보듯 달빛의 인상을 그대로 선율에 담는 시대에 살게 되었습니다. (드뷔시 ‘달빛’ 들어보기)

 

<그림1 | 인상, 해돋이(1872) 인상주의 화가 클로드 모네>

 

 세계 대전과 현대 물리학의 탄생으로 대표할 수 있는 격동의 20세기를 거치면서, 이제 인류는 생물과 무생물의 공진화를 넘어서 '신의 경지'까지 넘보게 되었습니다. 여러분은 어느 시대에 살고 계신가요? 우리는 같은 시대에 살고 있을까요? 아직도 좌-우 대립을 내세우고, 맹신을 내걸고 있는 중세 고전주의 시대를 살고 있지는 않나요? 이정표 없이 표류하며 즐거움만을 탐닉하는 낭만주의 시대? 분명 같은 시대를 살고 있지만, 우리는 또한 각자 다른 시대를 살고 있는 것이 분명해 보입니다. 과학과 기술로 일상을 살아가는 현대에도 비과학, 유사과학에 둘러싸여 눈을 감고 여전히 지난 시대를 살아가는 사람들이 있습니다. 그런데 이런 사람들조차도 자신의 잘못된 욕심을 감히 과학이란 말로 포장을 합니다. 

 
과학은 확실한 답이 아니라 최선의 답이다.
 
 과학은 누군가 아이디어를 세우고, 이를 뒷받침할 만한 이론을 만들고, 이 이론을 검증할 실험이나 관측 데이터를 확보하고, 이것이 검증 가능함을 보일 때, 처음엔 가설이었던 것이 드디어 보편성을 얻고 이론이 됩니다. 이 과정 속에서 견지해야 할 핵심적 태도가 ‘비판적 사고’입니다. 그래서 과학은 단순히 과학지식을 익히는 것이 아니라, 합리적 사고의 방법론을 갖추는 것을 말합니다.
비판적 사고가 왜 과학의 핵심일까요? 물리학자 카를로 로벨리는 ‘존재론적 물리학 여행’이라는 부제를 단 『보이는 세상은 실재가 아니다』라는 책에서 비판적 사고란 “우리 지식의 한계를 인정하고, 우리가 틀릴 수도 있다는 사실을 받아들이는 것”이라고 합니다. 그것이 우리가 새로운 것을 배우고, 더 나아질 수 있는 유일한 태도라는 거지요. 과학은 지금의 것이 확실하다고 고집하는 데서 신뢰를 얻는 것이 아니라, 더 정확한 솔루션으로 언제든 교체될 수 있음을 인정하기 때문에 믿을 수 있는 것입니다. 과학은 ‘현재까지 최선의 답’입니다.
 
“어느 것도 당연한 것으로 받아들이지 말라(Nullius in verba).” (영국 왕립학회)
 

  <그림2 | 영국왕립학회>

 

 The Royal Society 영국왕립학회의 정식 명칭은 ‘The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge’이며, 자연 과학 분야의 지식 탐구를 목적으로 합니다. 1660년 소수의 자연철학자와 물리학자로 출발했고, 뉴턴, 아인슈타인, 다윈, 와트, 패러데이등 80여명의 노벨상 수상자를 배출했습니다. 외국의 과학자들에게도 개방되어있고 현재 1600명의 회원이 있습니다. 문장에 학회의 모토가 선명합니다.

 
 한편, 정말 많은 사람들이 이런 질문을 합니다. 가설, 이론, 검증, 원리를 세워 연구를 하는 과학자도 아니고, 평범한 일상을 살아가는 데 별 불편함도 모르겠는데, 내가 왜 굳이 어려운 과학을 알아야 하지? 
 
 
 
우선, 속고 살지는 말자.
 점점 더 복잡해지는 초연결사회, 과학과 기술이 고도로 발달한 사회에서 기본적인 과학 지식도 없고, 비판적 사고도 하지 않는다면 넘쳐나는 비과학, 유사과학, 가짜뉴스로부터 자신을 지켜내기란 거의 불가능 합니다. 혹시 콜라겐이 좋다고 따로 사 먹거나 얼굴에 바르고 계신가요? 효소와 천연 비타민과 글루텐 프리 빵을 비싸게 사 드시나요? 전자레인지 돌면 무섭고, TV옆에 전자파 차단 선인장이라도 두면 마음이 놓이나요? B형 남자는 성격이 안 좋으니까 사귀지 않고, 결혼 날짜는 점집에서 잡으시나요? 요즘 같은 세상에 심지어 지구가 평평하다고 유튜브에 당당히 올리는 사람도 있습니다. 
 
 “과학이 아닌 것은 더 있다. 대표적인 유사과학 상품인 게르마늄 팔찌에 관련된 논리 구조는 그 자체로도 흥미롭다. 1. 게르마늄은 반도체로 이용된다.(이건 맞다 O) 2. 반도체를 적절히 이용해 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 할 수 있다.(이것도 맞다 O) 3. 따라서, 게르마늄 팔찌를 착용하면 혈액이 한쪽 방향으로 잘 흐르는 정류 작용이 생겨, 혈액흐름을 개선할 수 있다(삑! 엄청난 비과학적 비약이다 X). 이처럼 많은 유사과학 상품은, 과학으로 시작해 도중에 엉뚱한 샛길로 살짝 빠져 사람들을 현혹한다. 집 아래에 수맥이 있어 잠을 못 잔다는 것도 거짓, 조상 묘의 위치가 후손의 성공을 결정한다는 것도 거짓이다. 혈액형과 성격이 관계가 있다는 얘기, 태어난 시점이 미래를 결정한다는 사주팔자 얘기, 뇌 호흡, 텔레파시 얘기도 하나같이 황당한 비과학적 주장이다.” (성대신문 인용) 
 

<그림3 | NASA를 방문한 영국의 엘리자베스 여왕이 WMAP 인공위성이 찍은 우주배경복사에 대해 설명을 듣고 있다.

서양 지식인들에게 과학은 가장 기본적인 소양이고 최고의 교양이다.>

 

 

 

과학은 최고의 교양이다

 과학과 기술이 사회를 지탱해주고 있는 시대에 과학은 최고의 교양입니다. 교양이란 널리 통용되는 상식과 다릅니다. 교양이 ‘의미지각의 범위와 정확성을 부단히 확장, 향상시켜 나가는 능력’이라면, 과학만큼 이에 들어맞는 것은 찾기 힘들 것입니다. 과학적으로 검증되지 않은 이야기를 지어내고 믿는 일은 어리석을 뿐 아니라 위험하기까지 합니다. 얼마 전 독서계를 강타했던 ‘사피엔스’의 저자 유발 하라리는 과학자가 아닌 이스라엘의 역사학자입니다. 그 책의 스토리 전개 패턴을 보자면, 인문학자들 조차도 얼마나 과학에 의지하고 적어도 그렇게 보이고자 애를 쓰는지 알 수 있습니다. 


 과학자뿐 아니라 그 누구라도 합리적 사고를 위한 노력과 중요한 과학 지식을 습득하는 것이 반드시 필요한 세상이 되었습니다. 특히 일반인들은 먼저 과학을 알아야 합니다. 과학 지식을 갖추고 있을 때, 과학적 방법론으로서의 비판적 사고도 가능할 테니까요. 더구나 교양으로서의 과학은 그 자체가 큰 즐거움입니다. 현대사회는 과학을 기반으로 하지 않고는 그 어떤 지식 체계도 쌓아 올릴 수 없습니다. 과학과 기술, 인문학, 예술이 새롭게 조립되고 융합되는 시대에 과학은 주춧돌이자 지렛대입니다.

 

“진정한 무지는 지식의 부재가 아니라

그것을 얻는 것을 거부하는 것이다.” (칼 포퍼)

 

 

 

인용 및 참고자료

성대신문, 과학인 것, 과학이 아닌 것

『보이는 것은 실재가 아니다』, 카를로 로벨리

[EBS 인문학특강] 장하석의 과학, 철학을 만나다

『과학이라는 헛소리』, 박재용

다음 웹툰, 유사과학 탐구영역

 
 
 


 
기고 | 엑셈 아카데미 김현미
편집 | 사업기획팀 박예영


Wonderful Science | 새로운 'Kg'과 플랑크 상수

정보/Wonderful Science 2019.04.10 14:56

 

 

 

 '어벤져스 엔드게임'을 진짜 재밌게 볼 수 있는 방법은 무엇일까요? 바로 과학을 '쫌' 하는 것입니다. 과학을 모르면 즐길 수도 없는 세상. 더구나 ‘기술과 인간지능의 융합’(레이 커즈와일)이란 진화의 맨 앞줄에 서 있는 IT인들에게, 과학은 아이언맨의 슈트와 같은 것이 아닐까요?

 원더풀한 우주에서, 원더풀한 삶을 위해, 원더풀 사이언스를 입어봅시다. 매달 다른 슈트가 배달됩니다. 최신의 주목해야 할 ‘과학 뉴스’슈트, 나를 업그레이드 해주는  ‘과학 도서’ 슈트, 달콤 쌉싸름한 ‘과학 에세이’ 슈트 등입니다. 영화보다 훨씬 놀랍고 원더풀한 자연! 그 탐험을 원더풀 사이언스와 함께 출발합니다.

 

 

이번 달은 2019년 5월 20일부터 시행되는, 국제 기본 단위(SI)의 새로운 정의를 'Kg' 중심으로 알아봅니다.

 

 

화성기후탐사선과 단위

 1999년 9월 무인화성기후탐사선(MCO)이 화성 궤도에서 폭발합니다. 원인은 제작사인 미국의 록히드마틴이 탐사선의 점화 데이터를 yd(야드)로 작성한 것을 NASA의 제트추진연구소가 m로 착각해 생긴 일이었습니다. 탐사선이 예정보다 100km나 낮게 궤도 진입을 하는 바람에 화성 대기와의 마찰로 폭발한 것입니다. NASA는 이 사고로 1400억원의 손실을 입었습니다.

1986년 1월 우주왕복선 챌린저호가 발사 후 73초만에 공중에서 폭발한 사고도 단위 때문에 생긴 참사입니다. 다른 모든 부품은 m를 기준으로 제작했는데, 고무링이 inch(인치)로 제작돼, 이 수치 차이 때문에 연료가 새어 나와 폭발한 것입니다. 이 두 사례는 단위 통일의 중요성을 극단적으로 보여준 예들입니다.

 

 

 

라부아지에의 Kg과 단두대

< Kg 원기, 출처 : ABC NEWS>

 매년 10월이면, 파리 근교에서 반드시 세 사람이 동시에 알현 의식을 치뤄야 하는 세계적인 보물이 있습니다. 바로 백금과 이리듐 합금으로 만들어진 ‘kg원기’입니다. 

 흥미롭게도 이 원기의 탄생에는 프랑스 혁명이 있습니다. 당시 프랑스는 약 800개의 이름으로 25만개나 되는 도량 단위가 쓰이고 있었는데, 이 무질서를 해결하기 위해1791년에 길이와 질량의 단위를 제정합니다. 길이 1m는 ‘북극과 남극까지 길이의 2천만분의 1’로, 질량 1kg 은 ‘얼음이 녹는 온도에서 물 1리터가 갖는 무게’로 정의 했습니다. 

 질량보존의 법칙을 발견한 '근대 화학의 아버지’ 라부아지에는 혁명 바로 전에 프랑스 아카데미의 재무 장관으로 임명되어, 킬로그램(kg) 표준을 만드는 일에 핵심적인 역할을 했습니다. 그러나 안타깝게도 젊은 시절 세금 징수에 관여했다는 이유로, 1795년 단두대에서 처형되고 말았습니다. 감옥에서도 질량연구를 멈추지 않았던 라부아지에가 단두대에서 사라지는 모습을 본 수학자 라그랑주는 “ 그의 머리를 자르는 데는 1분도 걸리지 않았지만, 그와 같은 머리를 만드는 데는 100년이 걸려도 부족할 것이다.”라고 했습니다. 

 지금 국제도량형국(BIPM)은 프랑스 파리 근교 세브르에 있습니다. 국제단위계(SI)도 프랑스어 ‘Le Systeme International d’Units’에서 왔습니다. 라부아지에를 비롯해 18세기 후반 과학자들은 ‘정밀 측정, 수학적 형식화, 통계적 방법, 기하학적 추론 ’(『프리즘: 역사로 과학 읽기』 서울대학교출판부) 등을 둘러싸고 치열하고 처절한 탐구와 논쟁을 벌였습니다. 이런 면에서 측정과 단위의 통일은 사회경제적인 필요를 넘어, 그 자체가 근대과학의 발달과 함께 했다고 할 것입니다.





국제단위계(SI)

 단위는 ‘어떤 양을 수치로 나타낼 때, 비교 기준이 되도록 크기를 정한 양’입니다. 단위가 보편성과 정확성, 불변성을 갖추고 있을 때, 우리는 측정을 통해 드러난 세계의 현상들을 신뢰하게 됩니다. 

 국제단위계(SI)는 7개의 기본 단위가 바탕을 이루고 있으며, 이들 7개의 기본 단위로부터 유도되는 ‘유도단위’가 있습니다. 7개 기본 단위 중 미터(m), 초(s), 칸델라(cd)는 각각 1983, 1997, 1979년에 ‘불변의 물리 상수’ 값으로 이미 재정의 되었습니다. 나머지 문제가 된 ‘질량’ ‘전류’ ‘온도’ ‘물질량’ 등 4개 기본 단위가, 드디어 2018년 국제도량형총회에서 해결되었습니다. 

 특히 주목 할 점은 ‘kg’의 정의입니다. 지난 130여년 동안 유일하게 ‘kg원기’라는 원시적인 인공물로 기준을 삼았던 ‘kg’의 정의가, 다른 기본 단위와 마찬가지로 불변의 물리 상수를 기준으로 바뀐 것입니다. 이제 ‘kg’은 ‘플랑크 상수 h=6.626 070 15×10−34 kg⋅m2⋅s−1가 되도록 하는 질량’입니다. 

      <SI 로고 공식 이미지, 출처: BIPM 홈페이지>                                              <출처: 나무위키, SI 단위계>

 

 

 

'Kg'과 플랑크 상수

 새로운 ‘Kg’ 정의에 사용된 플랑크 상수h는, 양자역학의 문을 연 막스 플랑크의 양자가설에서 사용되었던 바로 그 상수입니다. ‘양자 quantum’는 ‘띄엄띄엄’ 혹은 ‘덩어리’란 뜻으로, 에너지의 최소 단위입니다. 양자가설이란 ‘특정 진동수의 빛 에너지 값(E)은, 그 진동수(ν)에 플랑크 상수 h를 곱한 값(hν=양자)의 정수(n)배만 가질 수 있다’고 가정한 것입니다. 즉, E=nhν 입니다.

 플랑크 상수는, 광속 c나 중력상수 G처럼 언제 어디서든 같은 값을 갖는 불변의 상수입니다. 이런 불변성이 플랑크 상수를 새로운 질량 정의에 사용하게 된 가장 큰 이유입니다. 

 플랑크 상수를 통해 우리는 에너지가 연속적인 게 아니라 띄엄띄엄 불연속적인 값으로만 존재함을 알게 되었습니다. 자연이 매끄러운 인과로 연결되어 있지 않으며, 고전 물리학의 인과론적 세계관과 결정론적 우주관이 자연의 이치가 아니라고 증명을 한 것입니다. 그래서 우리는 이를 ’양자혁명’이라고 합니다. 양자혁명을 연 플랑크 상수 h로 새로운 질량의 정의를 삼는 것은 현대 퀀텀문명에 아주 잘 어울리는 일입니다.

 

<Max Planck, 출처: Flipkart> 
 

 


'Kg' 레시피

 플랑크 상수의 단위는 J·s(에너지의 단위 J’줄’과 s’초’의 곱)로, ‘일정 시간 동안 가해진 에너지’를 나타냅니다. 이를 ‘작용(action, 무척 중요한 개념)이라고 합니다. . 그런데 이 상수를 어떻게 사용한다는 걸까요? 간단하게 보자면, 플랑크 상수의 단위는 J·s이고, 이것은 다시 ㎏·㎡/s로 쓸 수 있습니다. 그런데 이미 m와 s가 정의 되어 있으므로, 플랑크 상수 값만 정확히 알 수 있으면 역으로 kg을 정의할 수 있게 됩니다. 즉, 

 

 

 아래 오른쪽 그림에서 보다시피 SI단위는 서로 긴밀히 연결되어 있습니다. 예를 들어 광속c는 미터m의 값을 정해주고, 미터는 kg과 칸델라(광도의 단위), 켈빈(온도의 단위)의 값을 정하는 데 쓰이고 있습니다. 시간의 단위인 초는 기본단위 다섯가지에나 관련되어 있습니다. 보다시피 Kg은 m(미터)와 s(초), h(플랑크 상수)로 규정됩니다.

<출처: berkeley science review, A TIME TO KILO>


 

 

'키블 저울'

 질량의 기준을 정의하는 것은 정말 어려운 일입니다. 과학 잡지 ‘네이처’가 2012년 판에서, ‘질량 정의 개정’을 가장 어려운 과학 실험 5개중 하나로 뽑았을 정도니까요. 새로운 ‘kg’을 플랑크 상수 값으로 정의한다는데, 사실 이 플랑크 상수값은 실험에 의해서 얻어집니다. 그러니까 실험의 정확도와 정밀도가 보장이 안 된다면, 애초 시도도 할 수 없는 일입니다. 

 키블 저울과 같은 정밀 실험의 기술이 있기에, 물체의 질량과 플랑크 상수를 연결 시킬 수 있게 되었습니다. 물리학과 수학을 활용해 고정된 상수 값으로 물리량의 정의를 바꾼다는 것은 ‘단위’의 패러다임을 바꾸는 것이라고 과학자들은 말합니다.  


 

 

아무런 변화가 없지만 거대한 변화

 2018년 국제도량형총회에서 결정된 국제단위계의 변화된 내용은 올해 2019년 5월 20일 ‘세계 측정의 날’부터 발효가 됩니다. 이렇게 획기적인 사건이라면, 우리 일상에는 과연 어떤 변화가 올까요? 답은 ‘변화 없음’ 입니다. 

 그러나 이것은 분명 거대한 변화입니다. 과학자들은 “논리적이고 오류를 줄이려는 ‘과학적 사고’의 기본은, 표준 단위의 명확한 정의에서 출발한다”(이호성 표준연 시간센터 책임연구원)고 강조합니다. 과학계는 이후, 플랑크 상수로부터 질량을 실현하는 새로운 기술 개발과, 이를 기반으로 하는 나노 및 마이크로 분야, 정밀 측정 분야의 발전을 기대하고 있습니다.

 막스 플랑크는 1900년 플랑크 상수를 통해 양자가설을 세워 양자의 세상을 열었으나, 잘 이해하지도 못했고, 자신의 발견이 세상에 얼마나 큰 변화를 가져올지는 더더욱 알지 못했습니다. 2019년, ‘kg’을 비롯한 국제기본단위 모두가 불변의 물리 상수를 기준으로 바뀝니다. 자연의 이치를 알아가는 자연 과학과, 일상을 바꿔주는 공학의 연결점인 ‘측정’이 정밀도를 점점 높여가는 일은, ‘단위의 통일’을 넘어서 더 큰 변화를 이루어 내는 시작이 될 것입니다.

 

“측정할 수 있는 것은 측정하고, 측정할 수 없는 것은 측정 할 수 있게 하자” (갈릴레이)



새로운 ‘Kg’에 대해 더 알고 싶다면? 아래 참고자료를 보세요!

※ 참고 문헌: 알기 쉬운 SI 기본단위 재정의

※ 참조 논문: 기본상수를 이용한 단위의 재정의

※ 참조 논문: 플랑크 상수를 이용한 킬로그램 재정의 및 실현 

※ 추천 영상: 국제단위계 기본단위 재정의 특집 영상 (한국표준과학연구원KRISS)






기고 | 엑셈 아카데미 김현미

편집 | 사업기획팀 박예영