풍성화의 글

원자핵과 전자 사이가 훨씬 멀리 떨어져있고, 그 사이에는 아무것도 없습니다. 마블의 영화 앤트맨에서 바로 이 원리를 이용해서 몸의 크기를 늘리거나 줄이게 됩니다. 원자핵과 전자 사이가 원래 떨어져 있기 때문에 그 사이를 줄이면 개미만큼 작아지고, 늘리면 항공모함보다 더 커지는 것입니다. 물론 영화적인 상상력이지만 그 발상은 굉장히 양자역학적입니다. 아이슈타인은 훨씬 과감했습니다. 변화 외에는 불변하는 것이 없다던 그리스의 철학자 헤라클레이토스의 말처럼 시간과 공간은 사실 인간이 이해할 수 있게 만들어진 편리한 개념이며 절대적인 우주의 본질은 아니라고 생각했죠. 오히려 빛의 속도야말로 우주에 존재하는 보편적인 질서다 그리고 우리는 신이 만든 이 불변의 언어를 이해하기 위해 시간과 공간이라는 번역을 거쳐야하..

우리는 일상 생활에서 많은 사람을 만납니다. 그러나 우리가 그 사람의 몸은 구성하는 산소, 탄소나 원자핵 주위를 도는 전자가 눈에 보이지는 않습니다. 존재하나 보이지 않는 세계. 오늘은 양자역학에 대해서 설명드리도록 할게요. 덴마크의 물리학자 닐스보어는 이런 말을 했습니다. "양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그걸 제대로 이해 못 한 것이다" 영화 인셉션의 스토리를 만든 영국의 물리학자 로저 펜로즈는 "이론과 실험이 일치하며 동시에 심오한 수학적 아름다움을 갖추었지만 이건 전혀 말이 안된다"고 말할정도로 양자역학은 어려운 세계이죠. 너무 작은 세계이기 때문에 상상하는 것이 쉽지 않습니다. 우리가 사용하고 있는 전자제품은 모두 양자역학의 원리로 만들어졌고 스마트폰과 컴퓨터도 양자역학이 없었다면 존재하지 않..

아이슈타인은 시공간과 질량에 대한 자신의 주장을 발견시켜나간 위대한 과학자였죠. 만약 질량이 있는 물체가 시공간이라는 면을 휘어 중력을 만들어내는 것이라면 커다란 질량을 가진 두 물체가 그 면 위에서 급격하게 움직이며 엄청난 물결을 만들어낼 때 그 물결은 시공간이라는 면을 따라 쭉 퍼져나가지 않을까요? 아이슈타인은 상대성이론으로 중력파의 존재를 정확히 예견했고 100년이 지난 지금 우리는 드디어 중력파의 존재를 입증해냈습니다. 지난 2015년 LIGO팀이 처음으로 발견한 중력파는 13억 광년 떨어진 두 개의 거대한 블랙홀이 서로를 향해 빠르게 공전하다가 합쳐지는 순간 시공간을 비틀며 만들어낸 중력파입니다. 다시 말해 지금 지구에 도달한 이 중력파가 13억 년 전 두 개의 블랙홀이 만들어낸 중력파라는 것입..

시공간이 뒤틀리면 어떤 일이 일어날까요? 21세기 최대 발견이라면 아무래도 전 세계 과학계를 흥분시킨 '중력파' 를 빼놓을 수 없겠네요. 아이슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 통해 시공간이 뒤틀릴 때 발생하는 중력파의 존재에 대해 예견했지만 이론으로만 존재하고 기술적으로는 발견할 수 없을 것이라는 것이 아이슈타인의 생각이었습니다. 그로부터 딱 100년이 지난 지난 2015년 경이로울 정도로 놀라운 과학 기술로 만들어낸 중력파 관측소 LIGO(Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory) 에서 중력파를 발견해냈습니다. 이것은 시공간의 뒤틀림으로 일어난 우주의 물결을 감지해내는 힘이었습니다. 연구팀은 LIGO 에서 2016년 두 번째 중력파를 발견했고 ..

블랙홀은 우주에 난 검은 구멍이라고 많이들 알고계십니다. 지금까지 미디어에서 블랙홀은 검은 구멍으로 많이들 묘사하거나 다뤘기 때문입니다. 하지만 사실 우주에 그런 구멍은 없습니다. 미국의 이론 물리학자 존 휠러가 블랙홀이라고 이름을 붙이기 전까지는 유명하지도 않았습니다. 블랙홀은 사실 죽은별인데 이 죽은별이 가지고 있는 독특한 특성 때문에 우리는 별의 시체를 블랙홀이라고 부르기 시작한 것입니다. 이 별의 시체는 어쩌다가 별의 빛까지 빨아들이는 우주의 개미지옥이 되어버린것일까요. 그 전에 별에 대한 이해가 필요합니다. 별이 빛나는 이유에 대해 최초로 밝혀낸 천체물리학자 한스 베테는 질량이 있는 모든 물체는 중력으로 인해 서로 끌어당기고, 별 내부도 서로 뭉치기 시작하고, 그러나 너무 과하게 부딪히게 되면 ..

암흑물질은 우주에 널리 분포하는 물질로서, 전자기파 즉 빛과 상호작용하지 않으면서 질량을 가지는 물질입니다. 암흑 물질의 존재는 그 중력적인 효과를 통해 유추할 뿐 정확한 성질과 정체는 알려지지 않아 이를 검출하려는 여러가지 실험들이 활발히 진행되고 있죠. 애드혹가설이란 어떤 이론이나 학설을 반박하는 사실을 설명하기 위해 임시로 만들어낸 가설이죠. 실제 천문학자 도널드 사리는 2012년 뉴턴 법칙이 은하 구조와 회전 곡선에 관한 이론에 잘못 적용되었을 가능성을 제시했습니다. 도널드 사리가 지적한 모형에서 의심할 만한 측면은 크게 두 가지였습니다. 하나는 모든 별의 궤도를 원으로 간주한다는 가정이었고, 다른 하나의 별의 수프 모형에 관한 의심이었습니다. 간략하게 별의 수프 모형에 관해 설명드리도록 할게요...

우주는 무엇일까요? 명확히 정의할 수도 없는 이 '우주'는 지구 대기권 밖의 모든 공간을 의미합니다. 표준 우주 모형에 따르면 우주의 4.9%는 파악할 수 있는 물질로 구성되어 있다고 하고, 26.8%는 암흑 물질이고 나머지 68.3%는 암흑 에너지로 구성되어 있다고 합니다. 그러니까 우리가 우주의 성분 중 파악할 수 있는 것은 약 5%가 전부라고 할 수 있겠죠. 이 암흑 물질은 무엇이고 어떻게 발견되었을까요? 먼저 암흑물질에 대해 설명하기 전에 '은하'에 대해 잠깐 설명드리도록 할게요. '은하'는 별들의 집단입니다. 우주에는 수천만개에서 수백조 개의 별을 가진 은하가 무수히 존재합니다. 그 중 태양계가 속해있는 은하를 '우리 은하'라고 하고 '우리 은하' 밖의 은하를 '외부 은하'라고 하죠. 이런 은하..

뉴턴은 코페르니쿠스로부터 촉발된 17세기 과학혁명이라는 거대한 역사적 사건을 대표하는 인물입니다. 오늘은 뉴턴의 대표적인 저서를 한 권 소개해드리도록 하겠습니다. 뉴턴은 1687년에 출판된 (자연철학의 수학적 원리)를 통해 근대 역학과 근대 천문학을 확립했습니다. 이 책은 어려운 기하학적 방법을 사용하여 서술되었습니다. 라틴어로 쓰여졌기 때문에 일반인들이 이해하기에는 매우 어려웠죠. 당시 유럽에서는 데카르트의 기계론적 철학의 영향으로 모든 현상을 접촉된 힘과 기계적 운동으로 설명하려고 했는데, 이러한 분위기에서 뉴턴이 주장한 '인력'이라는 개념은 당시 학자들이 이해하기 힘든 분위기였습니다. 그러나 그는 이러한 어려움에도 불구하고 지구와 사과 사이, 지구와 달 사이, 태양과 목성 사이에 거리의 제곱에 반비..

오늘은 천문학 최근 소식에 대해 잠시 말씀드리도록 하겠습니다. 지난 8월 19일 찬드라 X선 우주망원경을 운영하는 미국 항공우주국(NASA) 우주비행센터(MSFC)와 '찬드라X선 센터'에서 찬드라 X선 망원경으로 '케플러 초신성'의 잔해를 관측했다고 발표했다고 합니다. 케플러 초신성은 1604년 10월 9일 지구에서 약 2만 광년 떨어져 있는 뱀주인자리에서 처음 관측됐고, 당시 천문학의 거장이라고 불리던 요하네스 케플러의 이름을 따왔습니다. 태양 질량의 10배를 넘지 않는 항성이 백색왜성으로 진화한 뒤 동반성의 가스를 흡수하면서 폭발해 주변으로 물질을 날려보내는 'la형'으로 분류된다고 합니다. 밤하늘에서 맨 눈으로도 관측될 정도로 밝아서 우리 역사의 조선왕조실록에서도 케플러 초신성의 관측 내용이 기록되..

떨어지는 사과를 보면서 만유인력의 법칙을 만들어낸 뉴턴. 이 법칙으로 우리는 지구가 어떻게 태양의 둘레를 돌며, 무거운 물체나 가벼운 물체가 어떻게 같은 시간에 떨어지는가에 대해서 설명할 수 있습니다. 과연 뉴턴은 떨어지는 사과를 보고 갑자기 만유인력법칙을 생각해낸 것일까요? 그러나 이것은 잘못 알려진 꾸며낸 이야기일 뿐입니다. 1664년 페스트가 유행하여 많은 사람들이 영국의 케임브리지를 떠났고, 18개월 동안의 휴교가 시작되었습니다. (마치 최근의 코로나19로 휴교령이 1년 6개월 이상 지속된 것이고 이 때 뉴턴은 귀향을 하면서 수학과 철학을 마음에 두고 중요한 발견을 하게 된 것이지요) 이때 그가 가장 몰두한 연구 중 하나는 달이나 행성이 어떻게 원(또는 타원) 궤도로 움직이는가 하는 것입니다. 그..