'핵 발전 이해하기' 에너지란 무엇인가?_최무영 교수(녹취록)

[cyclem]

'핵 발전 이해하기' 에너지란 무엇인가? (녹취록)

최무영 교수(서울대 물리천문학부)

- 오늘은 이정윤 대표님 오셨고, 최무영 서울대학교 물리천체학부 교수님 오셨습니다. 이 분 광장하신 분이세요. 오늘 어려운 이야기를 쉽게 해 주실 건가요? ㅎㅎ

▶ 뭐 노력하겠습니다. 안녕하십니까? 최무영입니다. 서울대 물리학부에 지난 봄까지 재직하다가 지난 여름부터 퇴직을 해서 지금은 명예교수로 있습니다.

최무영 교수


1987~ 서울대물리천문학부 교수
미국워싱턴 대학교 객원교수
로스알라모스 국립연구소연구원
포항공과대학교객원교수
아시아태평양 이론물리센터 연구원
1981-1984 스탠퍼드대학교 대학원 박사
1979-1981 서울대학교 대학원 물리학 석사
1975-1979 서울대학교 물리학 석사

이: 그동안에 핵에 대해서 우리가 핵이란 것이 정확하게 무엇인가에 대해서는 말씀을 못드리고 원자력발전소와 방사능에 의한 문제점에 대해 주로 말씀을 나누었는데, 오늘은 진짜 전문가입니다. 우리 최무영 교수님 모시고 진짜 그 핵 안을 들여다보는 아주 흥미로운 시간을 시청자 여러분들과 함께 가져보도록 하겠습니다.

- 오늘 내용을 간단하게 말해서 핵발전에 대한 기술적인 문제점을 해 왔다면 이게 도대체 뭔지 어떻게 일어나는 현상인지 이런 것들. 기초이론들을 고급지게 배우신다고 생각하시면 되겠습니다.

▶ 더 탐사에서 저를 초청해 주셔서 영광으로 생각합니다. 항상 즐겨보는 매일 즐겨보는 프로그램이고, 앞으로 제가 몇 번 더 출연하게 될지 모르겠습니다만, 첫 시간이라서 가장 기본적인 에너지란 과연 무엇인가부터 말씀을 드리겠습니다. 본격적인 핵발전 핵에너지에 대해서 길게 말씀드리기는 어려울 것 같고 에너지란 무엇인가 정말 기초부터 말씀드리려고 합니다.

에너지는 물질과 직결되어 있는 개념이기 때문에 처음에 물질과 에너지를 말씀드리고, 시간이 되는대로 핵에너지와 방사선 문제를 조금 말씀드리려고 합니다.

이: 그동안 발전소 이야기를 하다보니 핵에 대해서는 제대로 말씀 못드려서 시청자분들이 궁금해 하시는 분들이 있더라구요. 거기에 대해서 시원하게 설명을 못드렸었는데...교수님 오셔서 아주소상하게 쉽게 설명해 주실 것 같습니다.

▶대개 현대인의 일상이 바쁘고 그러니까 깊이 있는 생각을 잘 안하게 되는데...습관적으로 그러면 좀 어려워질 수 있을 것 같습니다. 논리적으로 가만히 깊이있게 침착하게 생각하시면 따라오는데 어려움이 없지 않을까 기대를 합니다.

오늘 제가 말씀 드릴 것은 에너지가 과연 무엇인가? 우리가 세상에서 너무나 익숙한 용어죠. 언론에도 흔히 맨날 나오는 에너지 문제. 에너지 위기 등등 여러 가지가 나오는데 도대체 ㅇ러한 것이 무슨 뜻인가? 하는 것을 말씀을 드리려고 합니다. 그것을 위해서는 에너지는 물질하고 직결되어 있는 문제이기 때문에 처음에 물질과 에너지를 말씀드리고, 시간이 되는대로 핵에너지와 방사선 문제를 조금 말씀드리려고 합니다.

물질과 에너지

▶처음에 물질과 에너지를 먼저 말씀드리겠습니다. 어려운 얘기가 될 수 있겠습니다만...

먼저 역사적인 문제를 잠깐 드려볼까 합니다. 고대에는 물리학이라고하는 것이 다 아시다시피 서양 유럽에서에서 먼저 만들어졌기 때문에 아무래도 유럽 이야기를 말씀드려야 할 것 같습니다.

옛날 고대 그리스 시대 현대의 형이상학이라는 개념이 나왔는데...(문제있는 번역어이기는 합니다만) 아래 화면 형이상학 옆에 그리스 알파벳으로 썼는데, 아리스토텔레스를 지칭합니다.

고등학교 때 혹시 들어보셨겠지만, 아리스토텔레스의 질료와 형상 들어보셨을 것 같습니다만

질료라는 것이 마티어리어(materia : 물질) 와 형상이란 에에도스 혹은 포르마(forma : 만들어 빚어 내는 것)라고 하는데.. 조금 더 나아가면 아리스토텔레스 철학에서 4개의 원인이 있어서 질료인, 작용인, 목적인, 형상인 이란 말을 합니다만, 여기서 중요한 것은 질료와 형상인데...대개 질료는 글자 그대로 재료 같은 것을 생각하시면 되겠고..

-물질이란 얘기죠?

▶네, 물질 같은 겁니다. 형상이란 어떤 형상을 만드는 빚어내는 것을 생각하시면 되겠습니다. 이것과 관련해서 가능태와 현실태를 구분합니다.

가능태는 디나미스(dynamis), 영어로 포텐셜리티(potentiality)가 되겠고, 현실태는 원래 라틴어로 에네르게이아(energia), 영어로 액추얼리티(actuality)라서 가능태는 말 그대로 가능한 잠재적인 것을 말하는 거고, 현실태는 그것이 현실적으로 구현된 것을 의미해서 대개 질료가 가능태 성질을 갖고 있고, 형상은 현실태로 실제로 구현이 되는 것으로 이렇게 보통 연결된다고 생각할 수 있습니다.

그리고 시간이 조금 지나서 중세에 들어오게 되면, 유럽에서 중세는 스콜라 철학이 가장 대표적인 사상이라 할 수 있습니다. 그리스 아리스토텔레스 생각하고 헤브라이즘이니까 혹은 기독교적인 전통이 합해져서 생긴 거고, 스콜라 철학자로 대표적으로 꼽히는 사람이 토마스 아퀴나스라고 하는 분입니다. 이 분이 물질에 대한 생각은 했었지만 다분히 종교적인 것이라서 지나가겠습니다.

이른바 근세로 넘어 오면서 철학에서는 대표적인 사람이 르네 데카르트가 등장을 하고, 물리학에서는 다 아시다시피 아이작 뉴튼이 등장해서 고전 역학이란 것을 만들어 내죠.

실질적으로 발달된 이론 체계를 처음으로 만든 사람이 아이작 뉴튼이고, 그 이론 체계를 뉴튼 역학이라고 부르고 고전역학의 하나라고 할 수 있겠습니다.

거기에 대한 철학적 바탕은 데카르트가 연결된다고 할 수 있겠는데, 거기서 물질이라는 개념이 나타납니다. 영어로 매터 matter라는 거죠. 연장은 extension 일정한 모양이 있고, 일정한 부피가 있고, 그것을 꿰뚫을 수도 없고...그런 성질을 갖고 있는 대상을 연장이라고 부르고 그런 속성을 갖고 있는 것이 물질이라 말한 거죠.

데카르트는 다 아시겠습니다만, 물질에 대비되어서 ‘정신’이라는 것은 이른바 ‘사유’라는 속성을 갖고 있다 해서 연장과 대비시켰는데, 어쨌든 이 중에 물질에 해당하는 것은 연장이란 속성을 갖고 있고, 기본이 알갱이란 속성을 갖고 있는 것들이 많이 모여서 물질이란 속성을 이룬다고 생각한 겁니다. 그런 물질의 양을 우리가 질량이라고 이름을 붙인 겁니다. 영어로는 매스(mass)라고 합니다.

이렇게 보면 물질이라는 것은 고대 아리스토텔레스의 형이상학적 관점에서 보면, 질료와 형상이 합쳐져서 약간 현실태적인 느낌이 듭니다.

한편, 한참 뒤 나중에 17-18세기가 되면 에너지라는 개념이 생기게 되면서...에너지라는 것은 다분히 가능태적인 거다. 물질이라는 것은 뭔가 현실태적인 거고, 에너지라는 것은 뭔가 가능태적인 의미에서 에너지란 개념이 들어오게 되었습니다.

-이 내용만 보더라도 상당히 함축적이고 중요한 내용이네요. 물질이 이렇게 다양한 근원적인 것을 갖고 있다는 거고, 이것이 에너지 형태로 가야 된다는 거죠.

▶네 그래서 에너지라는 개념은 좀 이따가 다시 말씀드리겠습니다만, 강조하고 싶은 거는

대개 물리학하면 물질이라는 것은 대개 고정된 개념, 절대 불변의 진리같다는 생각을 하실지 모르겠지만, 전혀 그렇지 않습니다. 역사가 변하면서 당연히 이것도 같이 바뀌는 거거든요. 그걸 조금 다시 한번 강조하겠습니다.

-지금 이제 예전에 보면 고대에는 우리가 생각하는 물리학 개념인데, 아리스토텔레스가 정의한 게 있고, 중세에 토마스아퀴나스, 데카르트도 철학자잖아요. 과거에는 이게 과학자와 철학자의 구분이 명확하지 않았었던 거...

▶ 중요한 점을 정확하게 말씀하셨는데...구분이 명확하지 않았던 게 아니라 구분이 아예 없었습니다. 아리스토텔레스가 철학자라고 보통 이야기하지만, 그 당시로서는 당연히 자연철학이라고 불렀습니다. 물리학이라는 말이 나오기 전이지만, 자연을 다루는 학문 체계를 자연철학이라고 불렀고, 아리스토텔레스는 당연히 자연철학의 핵심이라고 할 수 있는 거고, 데카르트가 철학자라고 하고 뉴튼은 물리학자라고 하겠지만, 이건 지금이 시각이고, 당시에는 데카르트와 뉴튼의 구분이 없었습니다. 두 사람 다 철학자이자 물리학자입니다. 당시엔 물리학이란 말이 없었지만..

-지금의 철학과 물리학은 뉴튼과 데카르트에서 시작되었다고 보시는 건가요?

▶그 전에 갈릴레이가 중요한 기여를 하기는 했습니다만...

뭐 물리학만 따로 떼어낸다고 보면 갈릴레이에서 뉴튼으로 왔다고 할 수 있겠지만, 실제로 여기 담겨진 의미와 개념을 깊게 파고 들어가 보면 사실 데카르트가 중요한 구실을 한 겁니다.

-과거에 물리학이라는 개념이 없었다고 할 수 있을 때 변화하는 과정이 저걸 다루는 사람의 변화하고 비슷한 것 같습니다. 뉴튼은 왜 일반적으로 다 과학자로만 알려져 있잖아요.

-저희 같은 사람이 보면 데카르트는 수학자적인 느낌이 강하고 뉴튼은 물리학자 느낌이 강합니다.

▶사실 그렇지가 않은 게 뉴튼이 미적분을 만들었거든요. 수학에서 중요한 기여를 한 것으로 보면 수학자로 볼 수 있고, 데카르트도 수학에서 중요한 기여를 했습니다, 실제로 그렇지만 또 한 가지 뉴튼은 물리학만 한 것이 아니라, 사실 신학도 상당히 했고(타당하다고 할 수 없지만)..이 영역이 여러 가지예요.

-어떻게 보면 인류가 가진 지식의 폭이 넓거나 깊지 않다 보니까, 한 명이 다양하게 섭렵하고 그게 분화가 되면서 지금과 같은 깊은 지식으로 온 것 같습니다.

▶학문이 깊어지고 전문화되면서 다 갈렸는데 거기에 대한 부작용이 굉장히 심하게 된 것이 사실은 현대 사회죠. 현대 사회 대부분의 문제가 거기서 나왔다고 해도 과언이 아니라고 생각합니다. 그것이 잘못되었기 때문에 어떤 면에서 보완할 필요가 있다고 생각하는 거고, 기회가 되면 사실은 제가 물리학자이긴 하지만, 생명이나 사회도 사실은 많이 생각을 했고 인문학에 대단히 관심이 있는 이유가...그것 때문인데 아무튼 다른 얘기네요.

-유전공학 쪽에도 관심이 많으시고 글도 쓰시고..

▶농담이지만 오래 전이기는 하나, 제가 미국 당뇨병학회에 초청강연도 받았습니다...ㅎ ㅎ

-뉴튼 같으신...

▶그건 아닙니다.

-결국에는 인류가 어떻게 구분을 해 왔나? 인식에 대한 가정인데, 한 단계 더 나가신 말씀은 세분화된 지식만을 갖고 전문화가 되면서 오히려 융합이 되는 게 약해진 거죠. 서로를 이해하는 게 약해지고 자기 우물만 파고 있는 느낌?

▶그렇습니다. 우리가 대상을 이해하고 있는 것을 조각을 낸 것이거든요. 대상이 조각날 수가 없는 하나의 대상인데, 굉장히 조각을 내 보니까...말하자면 그 한 조각 안에 갇혀서 조각에서 끝내는 게 아니라 또 조각 사이에 벽을 쌓기 때문에 우물 안에 갇혀 있는 격이 되버린 거죠. 전체 모습을 볼 수가 없게 돼서 그게 상당히 문제라고 생각합니다. 여기서 말씀드릴 수는 없을 것 같고, 기회가 생기면 다른 프로그램에서 말씀드려야 할 것 같습니다.

현대사회에는 통합학문이 필요합니다. 핵발전, 코로나, 인공지능 문제라든가 등 사실 거의 모든 문제가 하나의 문제가 아니라 실제로는 여러 분야에 걸쳐 있는 것들이거든요. 자연과학 문제만이 아니라, 여러 가지 기술들, 사회 현상들, 여러 가지 인간, 그런 게 다 걸쳐 있기 때문에 좀 통합적으로 볼 필요가 있다. 전 그렇게 생각합니다.

-과거에 철학이랑 과학이랑 구분이 크지 않았는데, 지금은 완전히 다른 영역처럼...너무 세분화해서 들어가니까 그것도 이제

▶이러다가 한이 없을 거 같아서 에너지에 관한 이야기를 집중하겠습니다. 자 이제 어려운 게 보이기는 하지만 어려운 이야기라고 겁 먹으실 필요는 전혀 없고

자 이제 근대에 오면, 20세기가 보통 현대라고 하지만, 저는 근대가 더 적절한 표현이라고 생각합니다. 마던 modern이라는 의미를...왜냐하면 현재, 지금 21세기를 말해야 한다고 생각하기 때문에 그렇게 표현했는데. 어쨌든 보통은 현대물리학이라는 표현을 쓰지만 사실 근대물리학이 더 적절한 표현이라고 전 봅니다만,

어쨌든 대개 20세기 물리학의 가장 근본적인 토대를 보통 아인슈타인의 상대성 원리, 양자역학 이 두가지는 많이 들어보셨겠죠. 그리고 우주론이라고 생각합니다. 그 중에 상대성 이론을 잠깐 말씀드리면 자세한 건 전혀 모르셔도 걱정하실 거 없고.

대개 보통 상대성 이론을 크게 두 가지로 나눕니다.

하나는 특수상대성 이론, 또 하나는 일반 상대성 이론인데, 잘못 생각하시면 특수는 뭔가 특수하니까 어렵고, 일반은 쉽겠다고 생각하실지 모르지만, 반대입니다.

특수상대성 이론은 특수한 경우만 성립하기 때문에 좀 쉽게 만든 거고, 일반 상대성 이론은 일반적으로 성립해야 하기 때문에 훨씬 더 어렵습니다.

https://namu.wiki/w/%ED%8A%B9%EC%88%98%20%EC%83%81%EB%8C%80%EC%84%B1%20%EC%9D%B4%EB%A1%A0

특수상대성이론의 핵심은 하나만 생각하시면 됩니다. 여기서는..물질이라는 것이 본원적으로 에너지랑 같은 거다. 라는 겁니다. 정체가 같은 거다. 다만 옷만 다르게 입은 것 뿐이다. 그래서 많이 들어 보셨죠? E=mc2

E가 에너지를 말하는 거고, m은 질량, 질량이란 물질을 말하는 거고, C는 여기서 빛의 빠르기를 말합니다. 둘 다의 환산관계를 말하는 것 뿐이고 E는 M과 같다, 즉 에너지와 물질은 같은 거라는 것을 처음으로 보여준 것이 바로 아이슈타인의 특수 상대성이론이라는 것을 말씀드릴 수 있습니다. 이것에 의해서 핵에너지가 성립할 수 있게 된 것이죠. 핵발전이니 핵폭탄이니 모두 아이슈타인의 특수상대성 원리에 의해서 나왔다고 할 수 있겠습니다.

-여기서 c가 광속인데, 저기서 초속을 말하는 거죠?

▶그건 어떻게 하든 관계가 없는데...단위가 달라지는 것 뿐입니다. c를 시속으로 하든 초속으로 하든 뭘로 하든 단위만 달라지는 거지 똑같습니다.

-제가 알기로는 광속이 초속 30만 킬로미터인데...30만의 제곱이잖아요.

▶그렇죠. 사실은 이제 표준단위로 하려고 하면, 우리가 이제 국제단위라고 해서 미터/초가 표준단위입니다. 그렇게 하면 30만이 아니라 30만x1000을 해야 되니까 3억m/sec죠. 3억의 제곱이니까 굉장히 크죠. 따라서 만약 m이 1kg 이었다 그러면 그것을 에너지로 환산하면 1kg에다가 9×억×억을 해야 되니까....어마어마한 에너지인거죠.

-여기에서 어떻게 아인슈타인이 빛의 제곱을 할 생각을 했는지... 그게 참 특이해요.

▶조금 공부를 해 보시면 알 수 있는데 처음에 저런 생각을 한 것이 아니라, 상대성 이론을 만들게 되니 배경을 따라가 보면 저절로 저런 게 나오게 되어 있습니다. 사실은..자연스럽게 나오게 되어 있거든요, 저것이

- 아 그렇군요.

▶그게 조금 이해가 안가겠지만,

-빛의 제곱이란 것이 아주 독특하거든요.

▶독특한 게 빛이란 것이 워낙 독특하거든요. 사실 저것이 처음 나오게 된 것은...시간이 넘어갈 것 같은데...괜찮아요?

-괜찮아요. 궁금한 거 다 여쭈어 볼 거예요.

▶기준틀의 문제인데 기준틀이란 게 무엇을 말하느냐 하면 자연현상이 있다 하면 그것을 관측할 거 아닙니까? 관측해서 이게 이런 거다 하고 기술을 할텐데...제가 관측할 수도 있고 최감독께서 관측할 수도 있고, 아니면 이대표님께서도 관측하실 수도 있지 않습니까?

그래서 사람마다 관측하는 관점이 좀 다를 수도 있는 거죠. 최감독이 관측하신 것도 맞고, 저나 이대표님이 관측하신 것이 틀렸냐? 그럴 수가 없지 않습니까? 그건 말이 안되니까

누가 관측해도 다 똑같아야 된다는 것을 전제로 해서 출발한 것이 바로 상대성 이론입니다.

다시 말씀드리면 여기 가만히 앉아서 관측하나 달리면서 하나 자동차를 타고 달리면서 하나 똑같아야 된다. 누가 더 우월할 수가 없다. 그것을 전제로 한 것이 바로 상대성 이론이거든요. 그것을 하나 전제하고

또 하나 가정이 뭐냐하면, 빛이란 놈은 좀 특이해서 빛의 빠르기는 항상 똑같다. 언제나 3억미터/초, 30만 킬로미터/초는 누가 보나 일정하다. 제가 재도 30만 킬로미터/초 이고, 이대표님이 재도 똑같고, 최감독님이 재도 똑같다. 내가 움직이면서 재도 똑같고...우리가 그것만 받아 들이면

두 가지 전제가 있는 것이죠. 모두가 동등하다. 누가 우월하지 않다. 다 똑같다. 다 평등하다 그게 한 가지고, 또 한 가지는 누가 보나 빛의 속도는 30만킬로미터/초로 똑같다. 그 두 가지만 전제하면 상대성의 모든 결과가 틀림없이 자동으로 나오게 됩니다. 그 중의 하나가 저것이거든요. 그 중에 하나가 질량과 에너지는 같다. E=mc2 저겁니다.

사실 그것만 이해하시면 됩니다. 사실 수학적 과정은 중요한 것이 아니고 전제를 생각하면 나오는 것만 이해하시면 됩니다.

-결국 질량은 에너지다?

▶에너지가 여러 가지 형태로 옷을 입을 수가 있는데...그중의 한 형태가 질량이라고 생각하시면 됩니다. 질량은 에너지의 한 형태인 것이죠. 지금은 역사적인 이야기만 말씀드리려고 한 것이라서 자세한 것은 나중에 대시 말씀드리겠습니다.

그 다음에 아인슈타인이 특수상대성이론을 만든 다음에 10년 정도 있다가 일반상대성 이론을 만들었습니다. 이거는 훨씬 더 어려운 개념인데, 여기서 결과는 아주 희안한 결과를 얻어냈는데 그것이 뭐냐 하면, 물질이 움직인다고 하면 일반적으로 외부에서 어떤 힘을 주어야 움직이거든요? 힘을 주면 가속도가 생겨서 운동이 변화가 되고 하는 것이 정상인데...

일반상대성 이론이란 뭘 말해주고 있느냐 하면 물질이 움직이는 것은 시공간이 평평하면 움직이지 않을텐데..평평하지 않고 굽어져 있기 때문에 말하자면 시공간이 평평하면 움직이지 않을텐데...예를 들어 경사가 진 것이기 때문에 내려가고 움직이는 것이다. 이렇게 해석을 하는 겁니다. 특히 중력이란 것을.

옛날 중력에 대한 생각은 해가 중력으로 지구를 잡아당기기 때문에 지구가 해로 떨어져야 하는데 떨어지는 만큼 원운동을 하게 되는 것이 거든요. 이렇게? 지구가 해 주위를 도는 이유는 해가 지구를 잡아당기기 때문에 돈다. 이것이 전통적인 생각이고 뉴턴의 생각인거죠.

아인슈타인의 생각은 그것이 아니라 지구란 놈은 지구가 놓인 공간이 평평하지 않고 굽어져 있는 공간이기 때문에 굽어진 것을 따라서 자연스럽게 가게 된다.라는 것이 일반상대성이론의 생각입니다. 그럼 왜 굽었느냐? 하는 것은 물론 해가 있기 때문에 해가 자기 주의의 공간을 굽게 만든 겁니다. 지구는 해에서 직접 힘을 받는다는 것 대신에 (물론 해 때문에 공간이 굽어져 있기는 하지만, 그것은 생각하지 않아도 되고) 지구는 자기가 놓인 자리에 공간이 굽어져 있기 때문에 그 굽은 공간을 자연스럽게 따라가게 된다. 그래서 지구가 해 주위를 도는 것 같이 된다.

-그럼 굽어진 공간이 일정하지 않고 움직이면서 공간이 따라가는 건가요?

▶만일 해가 일정하게 있다면, 그러면 그 공간이 일정하게 굽어져 있습니다. 굽어진 공간에서 가장 빠른 길을 찾아서 가는 겁니다. 어느 것이 옳다 그르다 하는 것이 아니라, 똑같은 것을 보는데도 우리가 다르게 해석할 수 있는 것이죠. 뉴튼의 해석은 뉴튼의 해석이고

-지금까지 학생 시절에 배운 것을 이해하기로는, 해는 큰 돌맹이고 지구는 작은 돌맹이인데 둘이 고무줄로 연결되어 있어 뺑뺑돌리면 고무줄은 잡아당기고 지구는 원심력으로 밖으로 튀어나가려고 하고 해는 잡아당기는데 힘이 균형점을 찾아 도는 것이다. 이렇게 배웠거든요.

▶그건 뉴튼의 해석이고 고적적 해석이지요. 틀린 것은 아닙니다. 훌륭한 설명인데, 아인슈타인 생각은 한 걸음 더 나아간 건데...굳이 생각할 필요가 없고 해와 지구 사이는 굉장히 멀지 않습니까? 대략 거리가 1억 5천만 km정도인데 그렇게 먼 거리에서 어떻게 중력이 영향을 미치는가? 바로 옆에서 영향을 미치는 것은 이해가 가지만 1억 5천만km가 떨어져 있는데...그렇게 멀리 떨어진 곳에서 어떻게 중력이라는 것을 주고 받을 수 있느냐?

뉴튼은 그래서 먼거리 상호작용이다. 순식간에 주고 받는다 이렇게 생각하는 거지만, 그게 뭔가 좀 떨떠름하거든요. 왜냐하면 우리가 영향이란 것은 대개 국소적으로 자기가 있는 자리에서 영향을 주고 받는 것이 아무래도 좀 자연스럽지, 엄청나게 멀리 떨어져 있는데 어떻게 그것을 주고 받는가, 좀 이상하지 않습니까?

-직선 거리가 될 수 없는데... 공간이 휘었다고 하면? 직선 거리가 또 안되잖아요.

▶중요한 질문을 하셨는데, 우리가 지구 표면을 생각하시면... 서울에서 다른 나라까지 거리를 뚫고 지나간다면 직선이 되겠지만, 표면을 따라가면 그것이 사실 가장 가까운 거리거든요. 전문용어로는 ‘측지선’ 이라고 하고, 영어로는 지오데식 Geodesic 이라고 합니다. 그것이 가장 짧은 거리가 됩니다. 시공간 자체가 굽었기 때문에 굽은 데를 따라서 최단 거리를 가는 것이죠. 그것이 바로 지구의 운동이라고 하는 겁니다.

-듣고 보니 그건 그러네요.

▶그래서 이렇게 해석을 하는 것이 더 있어 보이지 않겠습니까?

-제가 예전에 봤던 기억으로는 지구에서 관측이 될 수 없는 항성이 보이니까 저 뒤에 가렸는데 어떻게 보이냐? 그러니까 공간 자체가 휘었다. 빛이 똑바로 보려면 태양을 지나와서 봐야하니까. 그럴 경우에는 당연히 안보이겠지만, 그것이 보일 수 있는 이유는? 공간 자체가 휘어 있기 때문에 빛이 이렇게 뒤를 돌아 지나온다.

▶그렇습니다. 그것도 이것과 같은 맥락이죠. 그것을 보통 중력렌즈라고 부르는데, 뒤에 언젠가 우주 이론을 말할 기회가 있으면 자세하게 말씀드리겠습니다. 상대성 이론이 맞다면 중력파라는 것이 있어야 합니다. 중력파라는 것이 시공간의 출렁임이거든요. 해가 그대로 있으면 시공간도 그대로 있지만, 만일에 해가 갑자기 없어졌다던가 하면 공간도 굽은 것이 일정하지 않고 변해야 되겠죠. 그것을 시공간의 출렁임이라 하고 중력파라고 부르거든요. 그것이 있어도 너무 너무 약하기 때문에 검출이 어려운데...그것을 2015년에 검출을 했습니다. 아인슈타인이 일반상대성이론을 만든 것이 1915년인데, 딱 100년만에 검출해서 그 때 엄청나게 떠들썩했고, 검출한 분들은 다 노벨상을 받았죠. 그것을 만족하는 방정식이 (28:52) 화면에 보이는 식인데... 

황당하게 보이는 것이 정상입니다. 걱정하실 필요 없으시고 저런 이상한 방정식으로 써 진다.

-읽는 것도 모르겠네요.

“알 뮈뉴 빼기 이분의 일에 알지 뮈뉴 더하기 램다 지뮈뉴 는(=) 팔 파이지 나누기 씨 네제곱에 티 뮈뉴”인데.. 말씀으로 드리면

알 뮈뉴-공간이 어떻게 줄었나 하는 겁니다. 지 뮈뉴라고 하는 것은 시간과 공간을 하나로 생각하는데...시간과 공간을 하나로 합쳐서 사차원이라고 하는 것이거든요? 그 때 그 시간과 공간의 관계를 준다고 생각하시면 되겠고, 저기 램다라고 하는 것은 우주상수라 부르는 것인데, 이거는 원래 아인슈타인은 처음에는 램다라는 것이 없다고 생각했다가..나중에 억지로 집어 넣었다가 괜히 넣었다고 후회한 건데.... 오른 쪽에 가서 대문자 G는 뉴턴의 중력상수라 부르는 겁니다. 많이 배우셨죠. 분모의 c는 빛의 빠르기, 티뮈뉴라고 하는 것은 우주에 물질이 얼마나 있는가는 말하는 겁니다. 물질이나 에너지 같은 것이 얼마나 많은가.

우주에 물질과 에너지가 같은 것이지 않습니까? 우주의 물질과 에너지가 적절히 있으면 거기에 맞추어져서 그것이 오른쪽이 물질이고 왼쪽이 시공간의 굽음. 시공간의 굽음과 물질이 서로 연결되어 있다는 것을 보여주는 식입니다. 저 식이 바로. 물질이 있으면 시공간을 굽게 해준다는 것을 기술해 주는 식이 바로 저 식이죠. 저것을 아인슈타인의 마당방정식 (Field Equation)이라고 합니다.

-우주가 하나의 마당이다. 어려운 이야기네요.

▶이건 뭐 전혀 아실 필요가 없습니다. 잊어버리시고. 그 다음에는 상대성 이론 다음에 양자역학이라는 것을 추정하게 되는데...양자역학 굉장히 이상한 거죠. 여기서 양자역학을 상세하게 말씀드리지 못하겠습니다만...물질과 관계되는 것만 잠깐 말씀드리겠습니다.
양자역학에 따르면 우리가 보통 물질이라고 하면 입자들이 모여 있다고 보통 생각했는데...입자라는 것은 원자나 이런 것들이죠? 이런 것들이 모인 것이라고 생각했는데...

양자역학에 따르면 입자라는 것이 종래의 입자들이 아니고 그 자체가 말하자면 파동같은 것이다. 옛날에는 입자와 파동이라고 할 때 파동하면 물결파나 소리같은 것은 생각하시면 되는데... 그거하고 종래 입자라고 생각하는 원자라는 것들이 서로 관계없다고 생각했는데...양자역학에 따르면 그 둘이 구분될 수 있는 게 아니다. 입자라는 것이 파동같은 성격을 갖고 있다 이야기를 합니다. 사실 그 말이 좀 오해하기 쉬운 표현이라서 제가 기회가 되면 양자역할을 자세하게 말씀드리겠습니다만, 지금은 대충 지나가겠습니다. 그리고 ‘불확정성 원리’라고 해서 저것도 오해의 소지가 많은 것입니다만, 그것이 어떤 입자의 위치와 입자의 운동량, 빠르기, 속도 하고 위치하고 무관하다고 생각을 해 왔지만, 사실은 그렇지 않다는 거. 그리고 에너지와 시간이라는 것도 사실은 무관하지 않고 관련이 있다는 거. 이런 것들이며...심지어 가상입자라고 해서 입자라는 것이 있으면 꼭 있는 것이 아니라 없어질 수도 있고, 생겨날 수도 있고, 그럴 수도 있는 거고...그리고 더 흥미로운 거는?

- 홍길동?

▶네 그럴 수도 있는 거고. 더 흥미로운 거는 우리가 측정을 하게 되면 옛날 생각은 물질이란 대상이 있으면 그것을 측정하는 거 하고 이 대상 상태하고 아무런 관련이 없어야 되는데...그렇지 않고.

우리가 측정을 하게 되면 대상 자체가 필연적으로 바뀔 수가 있다는 거를....말합니다.
그게 무슨 얘기냐 하면, 측정을 하다는 건 우리가 여기서 어떤 정보를 얻어 인식을 바꾼다는 이야기인데...그리고 인식을 하는 안하느냐가 존재에 영향을 준다는 얘기가 되는 거니까 이상한 말이 되는 거죠. 그래서 이건 따지고 보면, 그 전에는 현실태, 가능태 문제가 얽혀있다는 이야기가 되어서...측정을 하느냐 아니냐가 바뀌게 되니까 가능태와 현실태가 엵여져 있는 거죠 사실은. 그래서 굉장히 이상하게 되고...

최근에는 우주론을 보게 되면, 20세기 말 후반부터 우주론에서 보면, 우주란 굉장히 이상한 것이... 우주가 어떻게 구성되었냐 하는 것이. 우주가 우리가 알고 있는 물질로 이루어진다? 그런데 우주는 우리가 알고 있는 물질은 불과 5%도 안된다는 것이 알려져 있습니다. 불과 4.9%정도...물질은 물질인데 우리가 전혀 전혀 모르는 이상한 물질이 27% 정도가 되고, 그럼 나머지 70% 가까운 것은 뭐냐? 우리가 정체를 전혀 알 수 없는 에너지같은 건데...정체를 전혀 모르는 에너지 그래서 우리가 어둠에너지라 부르거든요. 그것이 한 68%다. 이것들이 합쳐지면 100%가 되는 거죠.

재미있는 것은 물질과 에너지는 기본적으로 같은 것이기 때문에 옷이 에너지 형태로도 있을 수 있고 물질 형태로도 있을 수 있는 거죠. 전체를 100이라고 보면, 우주 전체에서 우리가 알고 있는 익숙한 물질은 5%도 채 안되고, 우리가 알지 못하는 이상한 종류의 물질이 27% 정도고, 나머지 68%는 에너지 형태인데....정체를 전혀 모르는 이상한 에너지.

-그러니까. 저기 (영상 34분 44초) 나오는 어둠물질, 어둠 에너지라는 것은 인간이 관측을 하거나, 관측을 할 수가 없는...전체 질량을 재 보면, 뭐가 있기는 있는데...실제로 관측이 되는 것은 5%밖에 안되고, 나머지 뭐거 있다. 그래서 상정해 놓은 것이 어둠 에너지, 어둠 물질, ...

▶그런 것이 있는 줄은 어떻게 알았냐 하는 것은 뒤에서 다시 말씀드리겠습니다. 일단 지나가겠습니다. 결론은 뭐냐 하면, 현대로 오면 물질과 에너지는 본원적으로 정체가 같은 거고, 어떻게 보면 물질보다 에너지가 더 근본적이라고 생각할 수 있습니다. 오히려. 물질은 에너지의 한 형태일 뿐이거든요. 에너지가 옷을 특별하게 입은 것 뿐이고. 에너지는 더 가능태적인 것이다. 물질이란 것은 에너지가 구체적 옷을 입어서 현실태가 되었다고 하면, 가능태가 더 본원적이라고 볼 수 있다. 고대부터 현대까지 물질과 에너지 개념의 변천을 보면, 현실태, 가능태가 서로 왔다 갔다 하고 개념 자체가 변하고...앞으로 아마도 앞으로도 바뀔 겁니다. 물리학이 더 발전하게 되면...

-양자역학에서 말씀하신 것을 보면, 위 화면에 세 줄 써 놓으셨지만, 굉장히 복잡한... 이런 거죠. 과거에는 물질하고 에너지하고 구분되어 있다고 생각했는데, 그게 아니라 물질 자체가 에너지의 한 형태로 있는 거고. 변환도 가능하고 이렇게 생각하시면 될 것 같아요. 우리가 개념적으로 알고 있는 물질과 에너지는 차이가 없다.

▶네, 맞습니다. 상대성 이론에서는 물질과 에너지는 이미 같은 거라고 얘기했는데, 양자역학으로 넘어오면 한 걸음 더 나아가서 기본적으로 물질이라고 생각했던 것이 물질성이라고 하는 게 옛날에 생각했던 것처럼 전혀 확고하지 않다는 것. 물질이라는 개념 자체가 바꾸어야 한다는 것. 사실은 물질이라는 개념 자체가 적절하지 않다는 것을 말해 주는 겁니다.

-그러니까 입자라는 것이 우리가 알고 있는 입자가 알갱이가 이가 아니라 하나의 파동이다 워낙 아주 작고 단단하게 보이니까...우리 눈에는 원자라던가 하는 결정체처럼 느껴지는 거다 하는 얘기 같은데...

▶입자의 파동성이라는 것은 우리가 알고 있는 물질에 해당하는 겁니다. 물질도 옛날에 생각하는 물질 개념을 바꾸어야 된다는 겁니다. 그러니까 물질과 에너지가 좀 다른 건데...형태가 좀 다른 건데...물질과 에너지가 서로 옷을 갈아 입을 수 있는 정도가 아니고, 그것보다 더 나아가서 물질이라는 것 자체가 사실은 그 의미가 희미하다고 보시면 되겠고...

입자의 파동성이라는 말이 사실은 조심스러 게... 여기서 자세한 말씀은 못드리겠고. 나중에 혹시 양자역학을 강의할 기회가 생기면 그 때 좀 자세하게 말씀드리겠습니다.

-해 주세요. 저는 그것도 이중 스위치 개념을 하잖아요 그것도 재미있더라구요. 근래에는 분자 정도 형태로 통과시켜서...

▶상당히 커다란 분자도.

-저는 그 얘기가 더 재미있기는 한데...그 얘기는 오늘은 여기까지만 하고 넘어가기로 하죠.

▶다시 물질로 돌아와서 물질을 잠깐 설명드리겠습니다. 물질이라는 것은 현대 물리학의 관점에서 보면, 결국 물리학이란 자연현상을 우리가 어떻게 이해하고 해석할 것인가?가 물리학이 하는 일인데...

현상이라는 것이 왜 일어나는가 하는 거는? 현상을 일으키는 실체가 있다고 생각합니다. 그 현상의 실체로서 전제하는 것이 물질이란 개념이죠. 그 출발은...역사적으로 보면 물질이란 결국 원자들로 이루어져 있다고 생각한 건데...효시는 그리스 철학에서 데모크리투스라고 얘기를 한겁니다만 사변적인 거죠. 원자의 실체성을 생각한 건 전혀 아니고

그게 그게 근대로 오면서 돌턴이란 화학자분이 화학반응을 할 때, 예를 들어 탄소와 수소가 반응해서 물이 되는데...언제나 산소와 수소가 부피를 1:2로 반응을 해서 물이 되더라는 것을 조사하면서 이게 뭔가 기본단위가 있는 게 아닌가 하는....생각을 해서 원자라는 것을 생각하게 되었는데...그렇지만 돌턴이 생각한 거는 화학반응에 있어서 그렇게 일어난다는 거지. 원자의 실체성을 생각한 것은 아닙니다.

원자로서 실체성을 처음 생각한 사람은 볼츠만이라는 분입니다. 볼츠만 물리학자는 19세기 말에서 20세기초까지 활동한 분인데...물리학에서 가장 중요한 업적을 남긴 분이죠. 세 손가락 안에 꼽힐 수 있는. 대부분 사람들이 뉴튼과 아인슈타인은 잘 아시는데...볼츠만은 잘 모르시지만....생각에 따라 다르겠지만, 제 생각에는 아인슈타인보다 더 중요한 업적을 남겼다고 생각합니다. 사실은...

-아인슈타인보다요?

▶예, 그건 미인대회에서 누가 더 예쁘냐 하는 말이 안되는 이야기이긴 합니다.

-그만큼 업적을 남겼다는 것이죠. 볼츠만 상수가 생각이 나네요.

▶왜냐하면 볼츠만 중요한 업적이 볼츠만 상수, 통계역학을 처음 만들고 한 업적도 크기만 제일 중요한 업적은 역시 원자라는 개념을 처음 확립한 것이라는 그런 의미입니다. 농담으로 하

는 말입니다만 제가 볼트만의 5대손이라고 주장하는데...사실은 의붓자식으로 가서...농담입니다.

물질이라는 것은 대개 분자들로 이루어져 있고 혹은 원자들로 이루어져 있고. 분자도 원자로도 이루어져 있죠. 원자라는 것은 원자핵이 있고 주위에 전자로 이루어져 있다고 보통 생각합니다.

원자 핵이라는 건 더 기본적인 기본 입자로 이루어져 있다고 우리가 생각합니다. 그게 우리가 보통 생각하고 있는 개념인데...

그럼 기본입자라는 게 뭐냐?

기본입자는 여러 가지가 있는데....우리가 대칭성에 의해 기본입자를 분류합니다. 대개 많은 수가 있기 때문에. 기본입자를 크게 두 가지로 나눕니다. 하나는 랩톤(lepton: 전자,중성미자,뮤온, 뮤온중성미자,...)이라는 것과 하드론(hardron:양성자, 중성자, 중간자, 야룻한 입자들,...)으로 구분된다. 보통 렙톤하면 전자라는 것은 많이 들어 보셨죠? 그리고 중성미자, 뮤온, 뮤온중성미자, 하드론이란 양성자 중간자가 대표적입니다. 그 외에 중간자. 등 여러 가지 야릇한 입자들이라고 해서 굉장히 이상한 녀석들이 많이 있는데...

-저게 공식 명칭인가요?

▶ 그렇습니다. 영어로하면 스트레인지 파티클이고 (strange particles) 우리 말고 번역하면 야릇한 입니다.

야릇한 입자들을 모두 합치면 200가지가 훌쩍 넘습니다. 너무 많으니까... 기본입자들이 너무 많다는 것은 좀 이상하지 않습니까? 말이 안돼서 기본 입자가 기본이 아니라, 뭔가 더 기본적인 것으로 이루어진 게 아닐까? 자연스레 생각하게 되었고.... 쿼크(quark)가 아닐까? 라고 생각을 해서... 쿼크는 여섯 가지에 있다. 여섯 가지의 맛깔이 있고, 각 퀴크들은 세 가지 빛깔이 있어서...그렇게 생각을 하는데... 200 가지가 넘는 하드론들은 여섯 가지의 쿼크들로 이루어져 있다고 생각을 하는 거죠. 그러면 200가지 입자들의 성질들을 굉장히 간단하게 이해할 수가 있습니다. 쿼크라는 아이디어가 성공적이죠.

기본입자들이 있으면 그것들이 서로 상호작용을 합니다. 상호작용이라는 것이 모두 네 가지가 있다고 생각합니다. 대체로. 하나가 중력이고, 또 하나는 전자기력, 전자기 상호작용, 또 다른 하나는 약상호작용, 그리고 강상호작용이라고 부릅니다. 혹은 약력, 강력이렇게도 부를 수 있습니다. 자연계에 작용하는 상호작용은 모든 것이 저 네 가지 중의 하나라고 생각하면 됩니다. 저 중에서 중력이 가장 잘 이해한다고 생각이 되시겠죠. 그런데 실제로 보시면 저 네 가지 중에서 중력을 가장 우리가 잘 모르고 있습니다. 알기 어려운 거고. 우리가 전자기, 약상호작용은 꽤 잘 알고 있고, 강상호작용은 알 듯 말 듯 하고 중력은 아직 본원적인 이해는 잘 모르겠다 하는 정도라고 볼 수 있습니다.

-쿼크로 구성되어 있는 물질들이 중력, 전자기력, 약력, 강력으로 상호 연결되어 있다.

▶그렇게 상호작용하는데 흥미로운 거는 상호작용이 다 다릅니다. 그런데 보시다시피 강상호작용은 말 그대로 엄청나게 강합니다. 어마어마하게 강하고 그 다음에 강한 것이 전자기 상호작용입니다. 그 다음, 약은 약하기 때문에 약이라고 붙였는데...그래도 약상호작용이 중력보다 훨씬 더 강합니다. 중력이 제일 약하거든요.

-중력이 약하다고요?

▶네 제일 약합니다. 얼마나 약하냐? 전자기력하고 비교하면 중력이 10-40 정도로 약합니다. 우리 현실 세계에서는 중력만 중요하지요. 그게 왜 그러냐?

강상호작용은 무지하게 강하지만 둘 사이가 무지하게 가까울 경우에만 작용합니다. 원자핵 내에 있을 때만. 그게 10-15 m일 경우에만 작용하니까, 우리 일상 생활에서는 별로 의미가 없습니다. 그리고 약상호작용도 마찬가지입니다. 핵 내에서만 작용해서 일상에서는 안보입니다.

-핵분열 시킬 때, 중성자가 때리는 힘은 결국 이것을 해체시키는 힘...

▶맞습니다. 핵 에너지가 왜 엄청난가 하는 거는 바로 강상호작용하고 관계가 있기 때문이라고 생각할 수 있습니다. 약상호작용이라는 거는 우리가 베타 붕괴라고 원자핵이 저절로 쪼개져서 다른 것으로 바뀔 때 그럴 때 작용을 합니다. 그 다음에 전자기 상호작용은 다 아시다시피 전기를 띈 것들끼리 작용을 하거든요.

-양이온 음이온 하는 식으로

▶그렇습니다. 사실은 양성자도 전기를 띄고 전자도 전기를 띄고 있다. 원자핵과 전자가 안정되게 하는 것은 전자기력이 중요한 역할을 하기 때문입니다. 핵 자체를 만드는 것은 강상호작용이 하는 것이고 원자핵과 전자가 모여서 전자기의 힘이 작용을 하는 것이고 분자도 마찬가지고 근데 현실에서는 물질에서는 엄청나게 많은 원자가 모여 있는데 여기에 양성자수와 전자의 수는 사실상 거의 같습니다. 사실상. 전기적으로는 음전기와 양전기가 똑같은 거죠. 그래서 두 컵의 경우 설 전자기력이 상호작용하지 않습니다. 서로 사실상 같기 때문에 서로 비겨서 없어지는 것이죠.

그러나 중력이란 놈은 질량만 갖고 있으면 계속 작용을 하거든요. 따라서 다른 놈이 작용하면 중력이 맥을 못추지만 다른 놈이 작용하지 않기 때문에 중력이 작용하는 거죠. 현실 세계에서는 약상호작용, 강상호작용이 적용될 일이 없습니다.

그러니까 전자기력이냐 중력이냐 인데...전지기력은 현실 세계에서 전기적으로 대부분 중성이기 때문에 작용만 안하면 중력만 남는 거죠. 천체에서 지구와 해가 작용하는 것은 중력이 남게 되는 것입니다. 입자 하나 하나를 볼 때에는 중력이 굉장히 약하지만, 지구와 태양같이 엄청나게 큰 대상에서는 중력이 엄청나게 커지는 겁니다. 현실 세계에서는 전자기력도 사실 중요합니다. 제가 이 탁자 모서리를 손바닥으로 누를 때 살도 좀 들어가고 대부분 다 전자기력이 작용하는 겁니다.

화면(영상 49:00~)은 원자 현미경으로 금의 표면을 본 것입니다.

왼쪽 그림은 한 번의 길이가 100 나노미터. 나노미터는 10-9 이니 10억분의 1이니까 저 한 변의 길이가 대략 1억분의 1미터를 보는 겁니다. 엄청나게 자세히 보는 거죠. 오른쪽의 그림은 그것을 입체적으로 보여준 겁니다. 금의 실제 모습을 보는 것이고.
다음 사진(영상 49:27~)은 원자를 보는 현미경입니다.

(AFM atomic force microscope) 원자력 현미경이라고 하는 건데, 제가 알기로는 파크시스템스라는 한국 회사에서 만든 건데, 세계에서 제일 좋은 원자력 현미경입니다. 개인이 살 수 있는 것은 아니고, 연구실이나 회사에서 사용합니다. 특히 반도체에서 굉장히 중요하죠. 반도체 표면을 관찰할 때.

이건 (영상 50:10~) 흑연의 표면을 본 것입니다.

정육각형 벌집 모양 같은 것이 보이시죠? 벌집의 꼭지점이 탄소원자 하나 하나입니다. 탄소 원자들이 벌집처럼 규칙적인 모양을 이루는 것이 바로 흑연의 표면입니다. 영어로 Seeing is understanding를 써 놓았는데... 보는 것이 믿는 거다. 보는 게 이해하는 거다. 여담을 하면, 볼츠만이 처음으로 원자라는 것이 존재한다고 생각했죠. 그런데 1900년 초이기 때문에 그 당시 못 봤죠. 그런데 요새는 보시다시피 볼 수가 있는 거죠.

이건 뭐냐 하면 (영상 51:00~) 물리학자들이 만든 표와 그림인데, 기본 입자들과 그들 사이의 상호작용을 표로 만들어 보여주는 겁니다.

잘 안보이겠습니다만, 왼쪽 위에 보시면 기본 입자들 여섯 가지 종류들이 쭉 써 있습니다. 랩톤 여섯 가지, 쿼크 여섯 가지가 서로 다 짝을 이루게 됩니다. 그게 둘 둘씩 짝을 지어서 세 쌍이 되는데 그걸 우리가 보통 세대라고 해서... 예를 들어서, 우리 세대, 부모님 세대, 조부모님 세대 보통 이렇게 부릅니다. 이것들이 서로 맞게 되어 있어 묘한 대칭이 있고, 자세한 것은 생략하겠습니다만, 이것이 아무렇게 나 늘어놓은 것이 아니라 대칭을 잘 만족하면서 표로 만든 겁니다.

그리고 (영상 51:54~) 가운데 약간 아래를 보시면 네 가지 상호작용이 성질이 잘 기술되어 있습니다. 중력, 약상호작용, 전자기력, 그 다음에 강상호작용. 그런 것이 있고. 그 다음에 오른쪽 위를 보시면 네 가지 상호작용을 잘 전달해 주는 이상한 알갱이가 있다고 생각이 되는데 보통 게이지 입자라고 부릅니다. 어려운 내용인데..이것이 어떤 것인가를 설명해 주는 내용이 있고. 그런 것들을 잘 보여주는 표입니다. 그림을 잘 만든 거라서...자세하게 말씀을 못드리겠습니다만, 재미있는 대칭이 잘 숨어 있어서 물리학 하는 사람들은 이것을 보고서 ‘참 아름답다!’ 고 느낍니다. 멋진 대칭이 있기 때문에....자연이란 게 이렇게 아름답게 잘 짜여져 있다고 생각하게 됩니다. 물리학자들도 사실 아름다움을 참 좋아합니다.

이제 (영상 52:43~) 유명한 주기율표가 나오는데

주기율표

기본입자들이 모여서 원자핵을 이루고, 원자핵과 랩톤이라는 전자가 모여서 원자를 이룹니다. 원자들이 하나가 있을 수도 있지만 여러 개가 모여서 원소를 이루는데...그런 원소들을 보여주는 표이죠. 자연스럽게 보는 원자 혹은 원소가 대략 90가지 정도라고 알려져 있습니다. 90가지 원소들을 규칙성이 있기 때문에 규칙성을 갖고 잘 배열을 한 것을 주기율표라고 부르죠. 영어로는 피어리어딕 테이블(Periodic table of the Elements).

왼쪽 맨 위에 수소입니다. 수소라는 놈은 굉장히 간단해서 핵이라는 놈은 양성자 하나가 원자핵 하나고 양성자 한 개만 딱 있는 거죠. 주위에 전자 딱 하나만 있는 겁니다. 양성자가 딱 한 개만 있기 때문에 우리가....음 보통 원자핵 안에 양성자와 중성자가 있기 마련인데 양성자와 중성자는 질량이 거의 같습니다. 엄밀하게 말하면 중성자가 조금 더 무겁습니다만 거의 같기 때문에 양성자와 중성자를 합한 것이 몇 개가 있느냐가 바로 그 녀석의 질량을 결정합니다. 그것을 질량수라 부르거든요.

그 다음에 양성자 몇 개가 있느냐는 건 바로 그 녀석이 전기를 얼마나 띄느냐는 것이죠. 중성자는 전기를 안띄고 있고 양성자만 띄고 있기 때문에 예를 들어 양성자가 다섯 개가 있다면 전기를 다섯 개 띄고 있다고 생각할 수 있습니다. 양성자 개수를 우리가 원자번호라고 부릅니다. 수소 같으면 원자번호가 1 인거죠.

그 다음에 질량수도 양성자 1개만 있기 때문에 보통은 1입니다. 양성자는 1개만 있어야 수소원자인데...그러나, 수소원자에 따라 희안하게도 어떤 것은 중성자도 1개 가질 수도 있거든요. 그런 경우에는 양성자와 중성자가 있기 때문에 질량이 2배가 됩니다. 질량수가 둘이 되는 그런 것을 무겁기 때문에 중수소라고 부릅니다. 드물기는 하지만, 심지어 어떤 놈은 중성자를 2개 가진 것도 있습니다. 양성자가 하나 밖에 없으니 수소는 맞는데 중성자가 2개가 있어서 질량은 3배가 되는 거죠. 그것을 우리가 삼중수소라고 합니다. 그런 놈들을 총칭해서 동위원소라고 부릅니다.

그 다음에 오른쪽 맨 끝으로 보시면 헬륨이 있죠. 헬륨은 양성자가 2개가 있어서 원자번호가 2입니다. 중성자가 보통 2개 있기 때문에 질량수는 4개 되는 거죠. 그렇지만, 헬륨이란 놈도 때로는 중성자가 1개 없어져서 중성자가 1개 밖에 없는 놈이 있습니다. 동위원소인데 그런 놈은 언제 중요하냐? 나중에 말씀드리겠습니다만, 핵융합반응에서 중요한 구실을 할 수가 있습니다.

순서대로 따지면, 우리에게는 원자번호가 중요합니다. 원자번호가 바로 원자의 특성을 결정하거든요. 양성자가 몇 개 있느냐가 전기량을 결정하기 때문에 보통 대개 원자를 만들고 분자를 만드는 것은 전부 다 전자기력 힘의 문제입니다. 전자기 상호작용의 문제이기 때문에... 양성자수가 그 원자의 성질을 결정하기 때문에 원자의 정체가 무엇이냐 하는 것은 결국은 원자번호가 결정합니다.

즉 양성자 수가... 그렇게 양성자 수대로 배열한 것이 수소 있고, 맨 끝에 헬륨이 있고 그 다음에 리튬, 원자번호가 3인 거죠. 즉, 양성자가 3개 있는 거. 그 다음에 베릴륨. 수헤리베...그 다음 붕소, 탄소, 불소, 네온...그렇게 쭉 가는 거죠. 그 다음에 내려오면, 나트륨, 마그네슘...이렇게 쭉 가는데...

이걸 아무렇게나 놓는 것이 아니라 표를 짝 맞춰 놓은 것이...우리가 하나씩 돌아가면서 맞춰 놓은 것을 주기라고 하며, 이쪽에 세로로 정열된 것을 ‘족’이라고 합니다.

족이라는 건 왜 있냐 하면, 왼쪽 제일 위에 수소가 있고, 리튬이 있고, 나트륨, 칼륨이 있나요? 그런 녀석들은 보통은 다 양성자와 중성자 수가 똑같습니다. 그래야 중성이 되니까요. 수소는 1개 있지요, 리튬 같은 경우, 전자가 3개 있지만 2개는 안쪽에 있고 1개만 바깥쪽에 있습니다. 바깥만 본다고 하면 수소나 리튬이나 전자 숫자가 똑같습니다. 같은 족에 있는 나트륨이나 칼륨도 마찬가지거든요. 속에 있는 전자는 가려지고 맨 바깥에 있는 놈만 중요한 역할을 하는데... 실제 반응 같은 것을 할 때에는 맨 바깥에 있는 수소나 리튬이나 나트륨이나 거의 같거든요. 사실은. 그래서 어떤 면에서는 성질이 비슷해지는 거죠, 그래서 걔네들이 성질이 비슷하다고 해서 이렇게 세로 줄로 같이 성질을 맞춰 놓은 거죠.

-수소 밑에 줄 선 아이들은 실제로는 중요한 역할을 하는 전자가 하나밖에 없는 거다? 나머지가 있기는 한데...

▶나머지는 있기는 한데 안쪽에 감춰져 있는거죠. 말하자면...아 이건 제가 거칠게 얘기한 거라서...정확한 표현은 아니고...하지만 대강 맞는. 그래서 리튬이나 나트륨이나 칼륨은 설징이 비슷합니다. 그 옆 줄의 베릴륨이나 마그네슘이나 칼슘이나 이런 것도 성질이 비슷한 거죠.

여기 빛깔을 다르게 한 거는 상온에서 기체로 있느냐, 액체로 있느냐, 고체로 있느냐. 아니면 금속이냐 비금속이냐 이것을 구분한 겁니다. 파랗게 한 것은 다 금속이고 파랗지 않은 것은 다 비금속이고 중간에 있는 것은 반도체도 있는 거죠.

그리고 쭉 보시면 흥미로운 것 중에 하나가 가운데 쯤에 혹시 Cu라는 구리 보이십니까? 그 밑에 Ag47가 은이고, Au79가 금이죠. 이런 것들이 다 뭡니까? 귀금속이란 겁니다. 이런 것들이 다 특이하고 성질들이 안정되어 있고 화학반응을 잘 안합니다.

그리고 금 바로 옆에 Hg80가 수은인데...이 녀석이 굉장히 특이한 것이 왜 색깔이 빨갛게 표시되어 있느냐? 얘가 유일하게 금속이면서 상온에서 액체로 있습니다. 그리고 왼쪽에서 두 번째 줄에 또 빨간 색으로 표시된 Br35이라고 브롬이 보이십니까? 이 녀석은 유일하게 상온에서 액체인 비금속입니다. 그래서 그 두 개만 유일하게 액체이고 나머지는 비금속입니다. 즉 기체이거나 고체입니다. 아무튼 원소의 성질에 맞춰 일목요연하게 정리해 준 표가 주기율표니까... 요거 하나 있으면 여기에 엄청나게 많은 정보를 담고 있습니다.

-이거 무진장 외웠습니다.

▶수헤리베붕탄질산플네, 나마알규인황염아...이렇게 다 외우셨죠?

여기서 흥미로운 것이 말씀드리고 싶은 것은 맨 아래 내려가시면,

7주기 3족에 보면 분홍색이 하나 나타나지 않습니까? 엑티나이드 계열이라 해서 Ac89부터 Lr103로렌슘까지 쭉 있는데...맨 밑에 줄 보시면 Ac89가 액티늄, Th90가 토륨, Pa91프로트액티늄, U92가 우라늄이고,U는 유명하죠. 우라늄. Np93 넵투늄, Pu94 플루토늄, Am95 아메리슘,....이렇게 쭉 나가는데, 여기서 U 까지만 진하게 되어 있고 Np93넵튜늄부터는 색깔이 연하게 되어 있지 않습니까? 그건 뭐냐하면, 자연에 존재하지 않는 겁니다. 핵반응으로 해서 쉽게 말하면 원자력 발전소에서 만들어 낸 거고 자연에 존재하지 않는 겁니다. 자연에 존재하는 거는 U92우리늄이 끝인 겁니다.

우라늄이란 놈이 원자번호가 92거든요. 양성자가 아흔 두 개나 있는 엄청나게 큰 원자이고, 질량수가 제일 많은 거는 238이니까 무슨 얘기냐 하면 양성자 92개와 중성자까지 합치면 모두 238개가 있다는 얘기죠. 사실 따지면, 굉장히 무거운 겁니다. 그래서 92번까지가 자연에 존재하는 건데.... 중간쯤에 Tc43 테크네튬이라는 건데, 자연에 거의 존재하지 않아서 이것을 빼고 나면 90개 정도 존재한다고 보시면 됩니다. 어쨌든 우라늄이 제일 큰 거고, 그리고 우라늄보다 두 개 더 지나가면 Pu94 플루토늄 이라고 있는 녀석. 우리에게는 유명한 거지만, 자연에는 사실상 존재하지 않는 거라고 생각하시면 되겠습니다. 이 정도하고 지나가겠습니다.

원자에 대해서는...

<출처>

【230119】 [핵 발전 이해하기 1편]

에너지란 무엇인가?_최무영 교수(서울대 물리천문학부)

https://www.youtube.com/watch?v=pElDWz9e4do&t=2689s