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Nov 23. 2023
거시와 미시세계
거시와 미시 그 양 끝을 잡고~
거시와 미시세계는 언제나 내 관심사의 양대산맥이었다.
원자에서 이제는 물질의 최소단위 소립자로 쪼개진 미시세계, 그리고 우주가 있다.
집 우宇, 집 주 宙의 우주 宇宙,
우주는 광대무변하여 시 공간적으로 영원무궁하다.
백년 살기도 힘든데 영원에 비하면 하루도 미시적이다.
우주 안에 모래알보다 작은 지구도 미시적이다.
그러나 여기서는 공간, 물질적인 면만 얘기하고
시간적 차원은 다음에 언급하려 한다.
우리가 굳이 거시와 미시가 뭔가를 따지지 않더라도 산 위에 올라서 잠간 아래 동네를 내려다보면 평소 우리가 생각하던 것과 관점이 확 달라진다. 답답한 건물에서 벗어나면 일단 머리가 상쾌해지는데다 높은 곳에서 멀리 탁 트인 조망을 가지면 절로 생각이 달라진다.
교사 시절 퇴근 후 다니던 학교 뒷산에 올라가서 심호흡을 하며 성냥갑 같은 건물을 바라보면 방금 전까지 그 안에서 지지고 볶고 하던 생각을 하면 웃음이 났었다.
나는 미시와 거시, Micro와 Macro 를 떠올리면 첫 번째로 현미경 microscope와 천체망원경 telescope 이 떠오른다. 미생물을 연구하는 현미경과 우주 천체를 관측하는 도구인 망원경이.
“미시적이라는 말은 자연과학에서 작은 대상에 대한 미세한 관찰과 이러한 관찰을 가능하게 하는 태도와 방법 등을 일컫는 말에서 유래하였다. 이와는 달리 거시적이라는 말은 총체적이고 종합적인 입장에서 대상을 파악하려는 입장을 의미한다.”
자연과학의 이러한 방법이 경제학에 적용되면서 미시경제, 거시경제란 말과 함께 경제학도 나무를 보는 작은 관점과 숲을 보는 관점으로 나누어 거론되고 연구되었다. 그리고 나서 사회학에서도 미시와 거시 사회학 등으로 용어가 확장되어 사용되었다.
우선 과학에서 말하는 거시와 미시세계를 비교해서 살펴보자.
먼저 거시세계는 단연코 우선 가장 큰 우주가 될 것이다.
현재 관측 가능한 우주의 크기는 그 지름이 930억 광년이라 추정한다. 우주 크기가...그냥 억 광년이란 단위에 억! 소리만 나올 뿐이다 ㅎㅎ
우주를 구성하는 기본 단위는 은하라고 할 수 있는데 우주에는 현재로선 천억 개 이상의 은하들이 분포되어 있다고 추측한다. 은하는 별의 집단으로서, 우리 은하계는 대략 3천억 개의 항성으로 이루어져 있으며 태양도 그 항성별 중의 하나다. 항성은 태양처럼 스스로 빛을 내는 별이고 그 항성 주위로 공전하는 별을 지구처럼 행성이라 한다. 태양계란 이름하에 8개의 행성이 있고 각각의 행성 주위로 또 위성이 돌고 있다.
지구의 위성은 달 1개이나 크기가 태양계중 제일 큰 목성은 92개의 위성을 갖고 있다. 우리 은하만 봐도 태양같은 항성이 3천억개라면 그 아래 행성과 위성의 숫자는 어마어마하게 더 많을 것이다. 우리 은하 옆의 은하가 안드로메다다. 그런 은하는 인접한 다른 은하들과 국부은하군을 형성하고 국부은하군들이 모여서 더 큰 은하단을 이루고 있다.
또 은하의 중심에는 은하핵이 있어서 은하는 그 중심을 축으로 하여 회전운동을 하며, 국부은하군을 구성하는 은하들은 또 다른 더 큰 은하군의 인력 중심 주위를 돌고 있다. 그러니 지구가 태양을 중심으로 돌 듯이 태양은 더 큰 중심태양을 돌고 그 태양을 포함하는 우리 은하는 은하핵을 중심으로 회전운동을 하고 있다는 말일 것이다.
이제 우리 내부의 미시세계를 들여다보자.
우리의 몸을 구성하는 기본 단위는 세포다. 몸은 약 60조 개의 세포로써 구성되어 있는데 세포의 기초단위는 원자다. 그런데 세포 하나 안에는 세포의 크기와 종류에 따라 다르지만 대략 백 억개의 원자가 있다니 놀랍다.
원자는 물질의 궁극적인 최소 단위가 아니며 그 내부에는 또 무수한 소립자가 존재 한다. 원자의 중심에는 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있고 분자를 구성하는 원자들은 상호 진동함과 또 동시에 그 인력 중심 주위를 돌고 있다. 이는 마치 은하가 은하핵 주위를 돌고 있는 것처럼 여겨진다.
그래서 우리 몸을 우주를 닮은 소우주라 하나?
우리 몸은 약 63%의 수소, 25.5%의 산소, 9.4%의 탄소, 1.4%의 질소 및 0.7%의 기타 원자로 구성되어 있다. 원자가 몇 개 합쳐 물질의 특성을 갖는 최소 단위인 분자를 이루고, 분자들이 모여서 단백질, 핵산 등의 거대분자를 만들며 이 거대분자들이 모여서 세포 내의 형태학적 물질인 리보솜, 미토콘드리아, 핵, DNA 등을 만든다.
이상 살펴본 거시세계와 미시세계의 체계를 간단히 정리하면 다음과 같다.
◆ 거시세계 ==> 항성 < 은하 < 국부은하군 < 은하단 < 우주
◆ 미시세계 ==> 소립자 < 원자 < 분자 < 세포 < 사람
원자의 반경은 옹스트롬인 10의-8승cm 이고 원자핵의 반경은 원자반경의 약 10만분의 1인 10의-13승cm 다.
그리고 은하의 반경은 약 1만 광년에서 5만 광년 사이에 분포되어 있으며 그 평균적인 반경은 약 3만 광년이다.
여기까지 이해된 것을 정리하다가 자꾸 찾아보고 더 들어가니 어려워져서 "문과녀의 이과산책" 이 점점 힘들어지기 시작했다 ㅎㅎ 아무래도 거시와 미시의 갭이 엄청나니 혼미^^해지기 시작했다. 게다가 들으면 알것 같은데 돌아서면 이해가 가물해지는 복잡다단한 과학 물리법칙등 ㅎㅎ
해서 아예 AI에게 물어보기로 했다. 아래 나의 질의응답 결과를 올려둔다.
내가 잘못 이해하고 정리하기보다는 AI가 대답한 데로 올려본다. 혹시 AI가 잘못된 엉뚱한 답변을 한 것이 있으면 눈 밝은 독자님이 댓글로 지적해주길 바라면서...^^;
어쨌든 소우주인 나는 거시 우주와 닮은 점이 분명히 많을 텐데 그를 더 알고 싶어서 시작한 글 속 '산책'이다.
과연 세포 하나 안의 원자 속 이야기와 우주의 이야기가 크기 사이즈로는 대응하면서 본질에서는 어떻게 상응하는 지도 찾아보면 흥미로울 것 같다.
궁극적으로는 우리 모두가 다 지피지기하려고 그래서 하는 공부가 아니던가? 상대나 대상을 알면 나를 더 알게 되기에.... 마찬가지로 거시를 알면 더 보이는 미시세계, 미시를 알면 더 잘 이해가 될 거시세계가 아닐까 한다.
AI와의 질의응답~AI에게 물어봤어요~!
▶과학에서 거시세계와 미시세계에 대해 말해주세요
과학에서 거시세계와 미시세계는 크기와 관측 방법에 따라 구분됩니다. 거시세계는 눈으로 볼 수 있는 크기의 세계이며, 고전 역학의 법칙을 따릅니다. 미시세계는 눈으로 볼 수 없는 크기의 세계이며, 고전역학의 법칙을 따르지 않고, 양자 역학의 법칙을 따릅니다.
거시세계는 일상생활에서 겪을 수 있는 자연현상과 같은 작은 현상은 물론, 그 끝을 알 수 없는 우주나 천체 등 눈으로 보기 힘들 정도로 큰 것들까지 포함합니다. 반면 미시세계는 원자, 분자, 쿼크 등 아주 작은 세계를 말합니다.
▶미시세계에서 일어나는 현상은 어떤 것이 있나요?
미시세계에서는 많은 독특한 현상이 일어납니다.
양자 역학의 법칙에 따르면, 미시세계에서 입자들은 이상한 행동을 합니다. 예를 들어, 입자들은 동시에 두 군데에 있을 수 있고, 서로 뒤섞일 수 있습니다. 이러한 현상은 양자 상호작용, 양자 간섭, 양자 얽힘 등으로 설명됩니다.
(양자 얽힘 quantum entanglement 는 양자역학에서 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다.
예를 들어, 두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 하자. 양자역학에 따르면, 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없다. 하지만 측정을 하면, 그 순간 한 계의 상태가 결정되고 이는 즉시 그 계와 얽혀 있는 다른 계의 상태까지 결정하게 된다. 이는 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보인다 )
하나가 결정되는 순간 다른 것도 결정되는 ‘양자 얽힘’▶미시세계에서의 양자물리학이란 무엇인가요?
미시세계에서의 양자물리학은 원자 이하의 작은 규모에서 일어나는 물리 현상을 연구하는 학문입니다. 양자물리학은 빛, 입자, 에너지 등의 물리적 개체들이 양자라는 불연속적인 단위로 동작함을 이론적으로 설명하고 예측 하는데 초점을 맞추고 있습니다.
양자물리학은 전통적인 뉴턴역학과는 다른 개념과 원리를 갖고 있습니다. 양자역학의 기본 개념 중 하나인 '파동-입자 이중성'은 물질이 동시에 파동 형태와 입자 형태로 나타날 수 있다는 것을 의미합니다. 또한, 양자물리학에서는 물질의 상태를 나타내는 파동함수와 이를 통해 확률적으로 사건이 일어날 가능성을 계산하는 확률분포 등의 개념이 중요합니다.
(파동과 입자설에 대해 궁금하신 분들은 ‘이중슬릿실험’을 찾아보시면 된다. 개인적으로 '파립자'란 이름으로도 불릴 수 있는 새로운 개념이 충격적이었고 신선했다 )
양자물리학은 미시세계에서 일어나는 현상을 이해하고 설명하는 데에 매우 유용합니다. 양자물리학의 원리와 개념은 원자와 원자 이하의 입자들의 동작, 전자의 에너지 준위, 원자가 반응하는 과정 등을 이해하는 데에 도움을 주며, 현대의 전자공학, 양자 컴퓨팅, 양자 통신 등 다양한 응용 분야에서도 활용되고 있습니다. (양자물리학 없이는 4차혁명의 작품들이 존재할 수 없다, 한마디로 양자 컴퓨터랑 양자통신등, 결론은 이제부터 우리는 양자시대를 살아가는 거라는 )
▶양자역학이란 무엇인가요?
양자역학은 미시세계에서 일어나는 물리 현상을 설명하는 수학적인 이론입니다. 양자역학은 양자물리학의 기본적인 원리와 법칙을 포함하고 있습니다.
양자역학은 수학적인 표현을 통해 물리적 시스템의 상태를 나타내는 파동함수를 사용합니다. 파동함수는 물리적 시스템의 가능한 상태들과 그들이 일어날 확률을 나타내는 확률밀도함수로 해석됩니다. 양자역학에서는 파동함수를 이용하여 물리적 시스템의 에너지, 운동량, 위치 등 다양한 물리량을 계산하고 예측할 수 있습니다.
~~이상 AI와 주고받은 대화들이다. 질문의 답변이 다소 중복되어 겹치는 부분도 있지만 어려운 양자물리학, 양자역학에 대해 조금은 더 이해와 도움이 된 거 같다.
내가 미시세계를 말하면서 떠오르는 또 하나는 나노였다.
우리가 일상생활에서는 거의 느낄 수도 측정할 수도 없는 나노의 세계를 잠시 살펴보면 1나노미터는 10-9승 미터다. 즉 말해서 나노사이즈는 (1/1000000000 meter)다.
21세기를 IT(Information Technology), BT(Bio Technology), NT(Nano Technology) 시대라고 부른다. '나노'는 그리스어로 아주 작다 혹은 난쟁이를 뜻하는데 1나노미터는 10억 분의 1미터라니 상상할 수 있는가? 머리카락 두께의 1/50,000이란 숫자로 표현되는 크기를! 수소원자 지름의 10배 길이다.
이런 나노가 가져온 기술혁명으로 나노 기술이 탄생했다.
10억분의 1미터인 나노미터 크기의 물질을 조작하는 기술인데 이 기술은 원자, 분자 및 초분자 물질을 합성하고 조립한다. 이 기술은 다양한 과학 분야에 포함되어 그 이용 범위가 매우 넓다. 나노 기술로 의학, 전자 공학, 생체재료학에서 처럼 여러 분야에서 새로운 물질과 기계를 만들 수 있다고 한다.
이미 활용되고 있거나 개발되고 있는 기술로 보면 예를 들어, 탄소나노튜브를 기반으로 한 박테리아와 바이러스를 제거할 수 있는 식수 필터, 혈관석을 돌아다니며 손상된 세포를 고치고, 해로운 바이러스를 청소하며 손상된 뼈와 간을 재생하는 나노 로봇, 그리고 탄소나노튜브를 이용한 리본을 이용하여 지구에서 우주까지 6만 2천마일을 연결하는 우주 엘리베이터인 나노 리본등이다.
세포의 핵 속에 들어갈 수 있다는 나노 로봇나는 개인적으로 나노 로봇의 활용으로 조만간 3대 혈액 관련 질환인 고혈압, 당뇨, 고지혈증등과 같은 질병을 퇴치할 수 있다는 말에 희망을 가져 본다.
Ps
* 파동성~ 파동의 성질의 줄임말이다. 파동하면 대표적인 예를들어 방문을 닫고 있지만 방문밖에서 소리가 들리는 현상을 들 수 있다. 만약 입자라 한다면 소리가 문에 막혀서 못 들어오지만 파동의 성질을 지녔기 때문에 방문을 닫아도 빛, 소리 등이 통과할 수 있다
* 입자성~입자는 말그대로 유한한 크기를 지닌 물체다. 주로 전자나 양성자같이 미립자에 쓰인다. 문제는 입자의 가장 대표적인 성질이 한 위치에 두 개의 물체로 존재할 수 없다는 거다. 하지만 파동으로 보면 소리 등이 중첩 되어 시끄러워지듯이 얼마든지 가능하다.
* 미립자~ 미시세계의 아주 작은 입자를 말하는 것으로서 전자, 양성자, 광자, 쿼크 등이다.
아래 동영상을 보면 거시와 미시 두 세계에 대해서 가장 느낄 수 있을 것 같다.
