E=MC2의 조상들

[장끼]

* 줄 거 리 *

1부. 탄생

1905년 생계를 위해 특허청에서 일하던 중 틈틈히 연구를 하던 아인슈타인은 갑자기 '위대한 흥분'에 휩싸였고

5~6주만에 E=MC2라는 방정식이 들어있는 30여 쪽에 달하는 논문 초고를 작성하여 <물리학 연보>에 투고하였다.

2부. E=MC2의 조상들

E, =, M, C, 2

이 다섯 기호, 즉 다섯가지의 개념이 있기까지 분투했던 과학자들이 있었다.

에너지 E

19세기 전기까지 힘의 존재는 알고 있었지만 그 힘들을 아우르는 '에너지'라는 개념은

패러데이가 늘어뜨린 전선 한 가닥이 수직으로 세운 자석 주위를 빙글빙글 도는 것을 발견한 후에야 만들어졌다.

나아가 과학계는 에너지는 형태만 바뀔 뿐 그 전체의 값은 그대로 유지된다는 것을 알게 되었다.

이것이 바로 에너지 보존 법칙이다.

등호 =

기호의 등장은 인쇄업에서 시작되었는데,

"=" 은 교과서 저술가 로버트 레코드가 ~같다는 말의 지루한 반복을 피하기 위해 사용한 것이었다.

질량 M

라부아지에의 실험을 통해 물질의 질량은 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨갈 수 있으며 사라지지 않는 다는 것이 증명되었는데, 이것이 바로 질량 보존 법칙이다.

빛의 속도 C

1905년에 아인슈타인은 파도를 타는 사람에게는 파도가 정지해 있는 것처럼 보이는 것과 달리,

빛의 파동은 맥스웰이 밝혀냈듯 전기와 자기가 서로를 타넘는 파동이기 때문에

따라잡아서 정지해 있는 모습을 볼 수 없다는 생각을 해냈다.

(그렇기에 빛의 속도 10억8천만 km/h 보다 빠른 물질은 있을 수 없다.)

또한 물체에 에너지를 투입하여 속도를 빛의 99.9998%에 이르게 하면 원래보다 500배 더 무거워지는데,

이로서 에너지와 질량은 서로 변할 수 있다는 것도 알아냈다.

C가 에너지와 질량의 변환 인자였음을 알아낸 아인슈타인의 연구는 19세기의 산물인 에너지 보존의 법칙, 질량 보존의 법칙을 바꿔놓았다.

제곱 2

1730년 대에 뒤 샤틀레는 물체들의 접촉을 분석하기 위해서 물체의 질량과 속도 즉 mv를 살펴보다가, 뉴턴의 mv 보다 라이프니츠의 mv2가 더 효과적인 에너지의 정의라는 것을 증명했다.

여기에서 속도를 계속 높여 빛의 속도가 되면 물체는 최대의 에너지를 가지게 되는데,

이때의 에너지값은 mc2이 되는 것이다.

3부. 유년 시절

1905년 아인슈타인이 E=MC2라는 방정식을 알아냈지만, 현실에서 어떻게 이런 일이 일어나는 지에 대해서는 아무도 몰랐다.

이후 1910년 경에 러더퍼드에 의해 물질을 이루는 가장 작은 단위인 원자가 사실은 텅 비어 있고 그 속에 아주 작은 핵이 있음을,

1932년에는 러더퍼드의 조수 채드윅에 의해 원자 속 핵 안에 갇혀있는 중성자의 존재가 발견되었다.

그리고 1938년 자연상태에서 가장 무거운 원소인 우라늄에 중성자를 쏘아 더 무거운 물질을 만들려던 마이트너가 핵이라는 것은 터지기 직전의 물방울과 같아서 중성자 하나를 추가함으로써 무거워지는 것이 아니라 오히려 쪼개진다는 것을 알아냈다.

이것은 아인슈타인의 방정식을 이용해 핵을 쪼갤 만큼의 에너지가 핵 속에 들어있음을 증명해 낸 것이다.

알파벳 점 하나에 우리 은하 속의 별보다 더 많이 들어있을 만큼 조그마한 양성자 한 개의 1/5가

200MeV의 어마어마한 에너지를 만들어 낼 수 있다는 것이며,

질량이 에너지로 바뀌면서 C2에 의해 1,200,000,000,000,000,000(120경)배로 커진다는 의미였다.

4부. 성년 시절

불행히도 아인슈타인의 방정식이 에너지의 비밀임이 알려졌을 때, 세계는 사상 최대의 전쟁중이었다.

아인슈타인의 '새로운 형태의 폭탄'에 대한 보고는 미국이 아닌 독일 정부의 관심을 끌었고,

독일의 과학자 하이젠베르크가 실험에 성공했다.

그러나 독일이 점령지인 체코슬로바키아와 콩고에서 대량의 우라늄을 조달할 수 있었음에도

미국이 중성자의 속도를 감속시키는 데에 중요한 역할을 하는 중수의 공급을 차단한 후

오펜하이머를 필두로 E=MC2의 힘을 끌어내는 '기계'를 만드는 일에 먼저 성공했다.

그리고 그렇게 만들어진 원자폭탄은 비행기에 실려 일본을 향했고 히로시마는 죽음의 땅이 되었다.

5부. 영원한 삶

아인슈타인의 방정식은 지구를 벗어나 별의 탄생에서 생명의 사멸까지 우주의 모든 것에 적용될 수 있다.

스펙트럼 분석으로 태양의 66%가 철로 되어있다고 오해하던 과학자들은

페인의 새로운 해석을 통해 태양이 철이 아니라 90%이상의 수소와 나머지의 대분분을 차지하는 헬륨으로 되어 있다는 것을 알게 되었다.

수소의 핵 4개가 합쳐져서 헬륨이 되면 0.7%가 에너지로 바뀌는데,

태양은 1초에 4백만톤의 수소를 순수한 에너지로 바꾸며 우리 은하의 나선 팔에 있는 가상의 행성에서도 보일 정도의 강력한 폭발을 계속하고 있는 것이다.

그 후의 일은 원자폭탄의 원리에서 아이디어를 얻은 호일에 의해 밝혀졌다.

별이 처음 수소를 만든 후 내파를 거듭하여 온도를 높이면서 헬륨, 탄소를 만들어내는데,

연료를 다쓴 다음 큰 별들은 폭발하면서 흩어지는데 이때 그 안에서 만들어지 모든 것들이 쏟아져 나오고 이것들이 지구의 성분이 되었다.

끝없이 내부가 무너지면서 생긴 구멍으로 빛을 포함한 별의 나머지 물질들이 빨려 들어가면서 시간과 공간이 강하게 왜곡되는데, 이것이 바로 찬드라가 찾아낸 블랙홀이다.

그리고 블랙홀이 증발할 정도로 충분한 시간이 지나면

블랙홀이 삼킨 모든 것들이 전자기파의 모습으로 다시 나오고

창조 때와는 반대로 모든 것이 상상할 수 없을 정도로 멀리 퍼져있을 것이다.

에필로그. 아인슈타인의 다른 업적들

1905년 아인슈타인의 방정식 E=MC2 은 중력가속도가 큰 역할을 하진 않을 때로만 한정된다.

그러나 1910년 그는 어떤 점에 더 많은 질량 또는 에너지가 있으면 그 주위로 시공간이 더 많이 휜다는 것을 알아냈고,

<에너지 - 질량 = 시공간>이라는 새로운 방정식을 내놓았다.

이는 에딩턴이 목성주위에서 별빛이 휘는 것을 측정함으로써 증명되었다.

* 나의 감상 *

- 특수 상대성 이론이니.. 일반 상대성 이론이니 하는 것은 잘 모른다.

하지만 E=MC2 이 의미하는 바는 대략 감이 온다.

"질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙은 맞지 않을 수 있다.

빛의 속도에 가깝게 돌리면 질량이 에너지로 변하는데,

이때 에너지의 값은 C의 제곱으로 계산한 값에 가깝다.

그래서 아주 적은 양의 우라늄 핵에 있는 양성자를 이용해 어마어마한 원자폭탄을 만들어 낼 수 있었다.

이 이론은 별의 생성과 소멸에도 똑같이 적용된다."

이런 이야기이지 싶다.

- 여러 날 동안 아인슈타인에게서 상대성 이론에 대한 설명을 들은 하임 바이츠만은

"아인슈타인이 상대성 이론을 확실히 이해하고 있다는 것을 알게 되었다."고 말했다.

우습게도 이 이상으로 더 내 마음을 잘 나타내는 말이 있을 것 같지 않다.

곰곰히 생각해보면 전혀 이해하지 못했는데,

쉬운 말로 여러 역사적 상황들과 함께 풀어주니 마치 아주 쉬운 공부를 한 느낌이다.

- 부록으로 다른 주요 과학자들의 이야기를 담았다.

오늘날의 과학적 성과들은 수많은 과학자들의 힘이 모여 이루어졌다는 것을 새삼 느끼게 된다.

[출처] 데이비드 보더니스 - E=MC2. 세상에서 가장 유명한 방정식의 일생|작성자 하이 곰