가장 작지만 가장 강력한 것
씨줄과 날줄, 사유의 확장 27. 프로메테우스, E=mc² 2부
씨줄과 날줄, 사유의 확장 27. 아메리칸 프로메테우스, E=mc² 2부
(연관성이 있는 2권 이상의 책을 엮어 사유의 폭을 확장하는 이야깃거리를 전달하고자 합니다.)
[먼저 읽으면 좋은 글]
씨줄과 날줄, 사유의 확장 27. 아메리칸 프로메테우스, E=mc² 1부
그날 하늘에서 떨어진 것
1945년 8월 6일 8시 14분, '땅꼬마'가 히로시마의 하늘에서 내렸다. 우라늄 64kg을 머금고.
떨어지던 중 머금고 있던 우라늄 0.7g을 흘렸는데, 그로 인한 폭발로 순식간에 건물 7만 채가 파괴됐고 8만여 명이 즉사했으며, 반경 약 4㎞ 지점에 있던 사람들 대부분이 전신 화상을 입었다.
고작, 0.7g의 질량이 에너지로 바뀌면서 일어난 일이었다.
출처: 애니 '맨발의 겐'그날 하늘에서 떨어진 것은 평범한 '리틀 보이가 아니었다.'
그건
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E=mc² 라 불리는 '이 세상을 움직이는 법칙'이었다.
질량 m
라부아지에 부부는 금속이 녹이 슬면 무게가 어떻게 변하는지 알고 싶었다. 대부분 사람들은(심지어 오늘날까지도) 무게가 가벼워진다고 생각하지만, 그들의 실험에 의하면 녹슨 금속은 가벼워지지 않았다. 똑같지도 않았다. 처음보다 더 무거워졌다. 도대체 무슨 일이 있어난 것일까?
세심한 실험광인 부부는 공기의 무게를 측정했고, 정확하게 줄어든 공기만큼 금속이 더 무거워진 걸 발견했다. 진정으로 사라지는 것은 아무것도 없었다. 타고, 찌그러지고, 부서지고, 조각날 수 있지만, 결코 사라지지 않는다. 전체 질량은 보존되는 것이다. (17세기 질량보존의 법칙 발견)
에너지 E
"전기의 힘이 어떻게 전선 밖으로 튀어나와 나침반의 자석 바늘을 돌리는가?"에 골몰하던
패러데이는 자석 주위에 보이지 않는 원형의 선들이 소용돌이치고 있다고 생각했다. 그건 자기와 전기가 서로 왔다 갔다 하는 일종의 터널이었다. 전기가 늘어나면 자기가 줄어들고, 자기가 늘어나면 전기가 줄어든다. 전선과 자석 사이를 왔다 갔다 하는 이 '에너지'란 놈은 하나로 연결되어 있어 전체의 합은 변하지 않는다. 단지 형태만 바뀔 뿐. (19세기 에너지보존의 법칙 발견)
에너지⇄질량?
에너지와 질량은 오랫동안 완전히 분리된 것으로 여겨졌다. 에너지는 마력이나 킬로와트시로, 질량은 파운드나 킬로그램으로 나타냈다. 아무도 이 둘을 연결할 생각을 하지 못했다.
이때 등장한 것이 과학계에서 우리에게 가장 익숙한 이름, '아인슈타인'이다. 그는 어느 날 불쑥 이렇게 말했다.
에너지 영역과 질량의 영역은 연결되어 있다. 에너지는 보존되지 않으며, 질량도 보존되지 않는다. 그렇다고 모든 것이 엉망이 되지는 않는다. 질량이 늘어나면 그만큼의 에너지가 사라지지만 그 합은 언제나 일정하다.
평범한 세계에서는 확인할 방법이 없기에 댕댕이(?) 소리로 들리는 '에너지와 질량의 연결'을 설명하기 위해, 생뚱맞게도 아인슈타인은 '빛의 속도 c'를 가져온다.
빛의 속도 c
빛은 언제나 전기와 자기가 서로를 타 넘으면서 빠르게 전진하며, 따라잡으려는 어떤 것보다 앞서 나간다. 이것이 빛의 속도가 궁극의 속도제한이 되는 이유이다. 그렇다면 빛에 가까운 속도로 날아가는 우주선이 빛을 따라잡으려고 하면 무슨 일이 벌어지는가?
엔진이 아무리 에너지를 뿜어대도 우주선은 더 빨라지지 않는다. 물리적 한계로 빛보다 빠를 수는 없기에. 그런데, 이때 신기한 일이 벌어진다. 뿜어진 에너지가 그냥 사라지지 않고 질량으로 바뀌는 것이다! 우주선의 질량이 계속 늘어난다. 언제까지? 에너지를 내뿜는 걸 멈출 때까지.
평범한 세계에서는 효과가 미미해 숨어있는 것처럼 보이지만, 빛의 세계처럼 극한의 상황에서는 에너지와 질량의 연결이 더 확실해지는 것이다. 이제 어떤 비율로 서로 변환되는지만 남았다.
제곱 ²
스흐라베산더는 무거운 추를 무른 진흙에 떨어뜨리는 실험을 했다.
작은 놋쇠 공을 두 배 빨리 떨어뜨리면, 진흙은 네 배 깊이 파였다. 추를 세 배 빠르게 떨어뜨리면, 아홉 배 더 깊이 파였다. 에너지가 속도(v)의 제곱에 비례하는 것이다. 뒤 샤틀레가 이 실험결과와 라이프니츠의 이론을 종합하여 하나의 방정식을 발표하였다.
E=mv²
어디서 많이 본듯해 보이는가? 맞다!
E=mc²
v는 일반적인 물체의 속도, c는 그러한 속도의 끝판왕 빛의 속도를 나타낸다.
그런데 참 이 빛의 속도라는 게 일반적인 속도 단위로 따지면,
1,080,000,000km/h이다.
여기에 제곱을 하면...
1,166,400,000,000,000,000이다.
변환 인자 c²은 0이 아닌 아주 작은 량의 물질이라도 '='을 넘어가면 얼마나 큰 에너지로 바뀌는지 알려준다.
E=mc²의 의미
E=mc², 이것은 질량이 단순히 압축된 에너지라는 뜻이다. 에너지는 그 반대이다.
아인슈타인이 발견한 E=mc² 방정식의 등장으로
인류는 가장 평범한 물질 속에도 막대한 에너지가 숨어 있다는 것을 알게 되었다. 더 이상 쪼개어지지 않는 원자(atom)를 쪼갤 수만 있다면... (3부에서 계속)
오늘 읽은 책 한쪽이
내일의 나를 만듭니다.
