재밌지만 쓸데없는 과학교실(01)
왜 벽을 통과할 수 없는가_전자기력(01)
우주는 가장 근본적인 수준에서, 더 이상 나눌 수 없는 작은 단위들로 이루어져 있습니다. 우리 몸을 구성하는 세포를 큰 현미경으로 들여다보면 세포는 분자로 이루어져 있다는 걸 알 수 있습니다. 그리고 이 분자는 원자로 이루어져 있고 원자는 원자핵(양성자(+)와 중성자)과 주변을 도는 전자(-)로 이루어져 있습니다.
이 입자들 간의 상호작용은 네 가지 기본적인 힘으로 설명할 수 있습니다: 강한 핵력, 약한 핵력, 중력, 그리고 전자기력입니다.
이 중에서 우리가 경험하는 세계에서 가장 많은 영향을 미치는 힘은 바로 전자기력입니다. 벽을 통과할 수 없는 이유, 숙취로 머리가 아픈 이유, 직장에서 스트레스를 받는 이유, 그리고 자동차 엔진이 작동해 앞으로 나아가는 이유 등, 이 모든 것에는 전자기력이 작용하고 있습니다.
중력이 없다면 우린 가 날수는 있지만 산소가 없고 지구도 없어지게 됩니다. 전자기력이 없다면 세포들이 우리 몸을 구성할 수 없습니다. 미시 세계에서 보면 이 두 가지 힘이 서로 상호작용하거나 같은 원리를 가지고 있습니다. 일단 이해하게 쉽게 나누어서 즐겨봅시다.
1. 왜 우리는 벽을 통과하지 못할까? 전자 때문에
벽을 통과하지 못한다는 사실은 직관적으로 이해하기 쉽습니다. 벽은 단단하고, 우리 몸도 단단하니까요. 하지만 과학은 우리가 인식하지 못했던 더 깊고 놀라운 이야기를 들려줍니다.
과학자들이 더 큰 현미경으로 물질의 입자를 더 자세히 관찰하면서 밝혀낸 사실은, 우리가 '고체'라고 느끼는 물질의 대부분이 사실은 빈 공간으로 이루어져 있다는 점입니다. 현대과학을 한마디로 정리하면 '우주의 모든 것은 입자로 이루어져 있다' 정도로 할 수 있습니다. 그리고 비유하자면, 한 개의 원자를 서울 크기로 확대한 경우, 원자의 핵은 축구공 크기에 불과하고, 전자는 먼지 수준입니다. 나머지는 전부 빈 공간으로 이루어져 있는 셈입니다.
그렇다면 왜 이 빈 공간을 통과하지 못할까요? 답은 전자기력에 있습니다. 이 먼지처럼 작은 녀석의 힘과 속도가 엄청나서 체급 차이를 극복하고도 남습니다. 방사선 피폭도 일종의 전자총알입니다
원자를 구성하는 전자는 핵 주변을 엄청난 속도로 이동하며 일종의 전자구름을 형성합니다. 이 전자구름은 빠르게 움직이며 하나의 연속적인 장벽처럼 작용합니다. 우리가 손을 벽에 가까이 가져가면, 손의 원자에 있는 전자와 벽의 원자에 있는 전자들이 강하게 서로 밀어내는 힘을 발휘합니다. 이 힘은 우리가 '단단함'이나 '저항감'으로 느끼는 것입니다. 마찰력도 그렇습니다.
이 힘의 하나의 실체로 존재하지만 물리학적적인 측면으로 볼 수도 있고 화학적인 측면으로 볼 수도 있습니다.
아이유가 윤하가 멋진 노래를 부를 때 그 소리는 공기나 매질의 파동으로 이루어져 있으며 그 진동의 원인은 양자역학으로 설명할 수 있으나 그 부분에 집중하지 않습니다. 사람들에게 그 아름다음을 설명하기에 양자역학은 효과적이지 못합니다. 하지만 그 아름다운 소리가 공기나 매질의 파동으로 이루진 사실에는 변함이 없습니다.
