미시와 거시의 세계

[황골농장]

《우주와 인간》민영기, 까치, 2005년, 269쪽의 한 절(節)이다.

길이나 크기의 국제단위로 우리는 미터(meter)를 사용한다. 미터는 인간의 크기를 비롯해서 우리가 일상생활에서 접하는 물체의 크기나 거리를 표시하는데 편리한 단위이다. 미터는 18세기부터 서양에서 사용되기 시작했다. 당시 1미터는 지구의 극에서 적도까지 프랑스 파리를 통과하는 자오선길이의 1,000만분의 1과 같도록 정의되었다.

미터보다 큰 거리단위로 1,000미터를 1킬로미터라고 하여 사용하고 있고, 천문학에서는 이보다 훨씬 큰 단위가 필요하기 때문에 태양계의 거리를 나타낼 때에는 지구와 태양 사이의 평균 거리인 1억 4,960만 킬로미터를 1천문단위 또는 AU(Astronomical Unit)라고 하여 사용한다. 이보다 더 큰 거리를 나타낼 때에는 초속 약 30만 킬로미터인 빛이 1년 걸려서 달리는 거리인 광년과 3.26광년인 파섹(parsec)을 사용한다.

미터보다 작은 길이의 단위로는 100분의 1미터를 1센티미터(centimeter, cm),1,000분의 1미터를 1밀리미터(millimeter, mm), 100만분의 1미터를 미크론(micron) 또는 마이크로미터(micrometer, μm), 10억분의 1미터를 나노미터(nanometer, nm), 100억분의 1미터를 옹스트롬(angstrom, Å), 1조분의 1미터를 피코미터(picometer, pm)라고 한다.

우주에는 인간의 크기에 비해서 훨씬 큰 거시의 세계와 훨씬 작은 미시의 세계가 공존한다. 천문학에서 연구대상으로 하는 천체와 우주의 크기와 거리가 엄청나게 큰 거시의 세계이고, 우리 주변의 물질을 구성하는 분자, 원자, 핵 등은 엄청나게 작은 미시세계의 물질들이다. 인간은 거시세계와 미시세계의 중간에 해당하는 존재로서  망원경이나 현미경이 없이는 이 같은 양극의 세계를 볼 수가 없다.

거시세계를 보자.
우리가 사는 지구는 적도 지름이 약 1만 3,000킬로미터이고, 질량이 6×10²⁴킬로그램이다. 행성들 중에서 가장 큰 목성의 지름은 12만 8,000킬로미터이고, 질량은 2×10²⁷킬로그램이다. 태양은 이보다 훨씬 커서 지름이 140만 킬로미터, 질량이 2×10³⁰킬로그램이다. 태양에서 명왕성까지의 거리는 약 60억 킬로미터인 40AU이고, 태양계의 끝이라고 생각되는 오르트 구름까지의 거리는 이것의 1,000배는 될 것이다. 독일의 천문학자 베셀이 1838년 연주시차를 이용해서 최초로 거리를 구한 백조자리의 61(61 Cygni) 별의 거리는 11.1광년이고, 태양에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리까지의 거리는 43조 킬로미터인 4.3광년이다. 우리 은하계의 지름은 10¹⁸킬로미터인 10만 광년, 질량은 10⁴¹킬로그램이다. 우리 은하에서 가장 가까운 나선은하인 안드로메다 운하의 지름은 13만 광년이다. 우리 은하에서 가장 가까운 대마젤란 운하까지의 거리는 16만 광년, 소마젤란 운하까지는 20만 광년, 안드로메다 운하와는 220만 광년이다. 우리 은하를 비롯해서 30여 개의 은하들이 속해 있는 국부은하군의 지름은 약 300만 광년이다. 2,500개의 밝은 은하로 이루어진 처녀자리 은하단까지의 거리는 5,000만 광년이다. 거리가 가장 먼 천체는 퀘이사로서 퀘이사 중에는 거리가 1.4×10²³킬로미터, 곧 140억 광년으로 먼 것도 있다. 이 거리가 우주의 가시거리일 것이다.

미시의 세계를 보자.
우리의 눈은 정상 상태에서 10^-4미터인 100미크론까지 볼 수 있다. 동물이나 식물을 구성하는 세포의 크기는 10∼100미크론이다. 10¹²∼10^-14 개의 원자로 구성된 청록색의 조류(藻類)와 박테리아의 세포는 이보다 더 작아서 1∼10미크론이고, 100억 개의 원자를 가진 박테리아는 10분의 1미크론이다. 원자의 크기는 10^-10미터 곧 1옹스트롬이다. 수소원자의 크기는 1.06옹스트롬이다. 원자 내에서 모든 질량이 모여 있는 중심핵의 크기는 원자 크기의 1만분의 1인 10^-4옹스트롬이다.  중심핵에는 크기가 10^-15미터인 양성자와 중성자가 들어있다. 중심핵 주위에는 양성자나 중성자보다 1,840분의 1로 가벼운 전자가 초속 2,000킬로미터로100만분의 1초에 300억 번씩 회전한다. 원자 크기에 비해서 중심핵은 1만분의 1이고, 양성자나 중성자에 비하면 10만분의 1에 불과하다. 그러니까 원자는 거의 빈 공간인 셈이다. 이것은 원자를 큰 체육관이라고 하면 전자는 그 속을 떠도는 구슬만 할 것이다. 이러한 상황은 태양계를 축소해 놓은 것과 비슷하다. 원자의 크기는 산소가 1.10 옹스트롬, 철이 3.2 옹스트롬, 금이 3.6옹스트롬이다. 양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 10^-18 미터 크기의 작은 소립자 세 개로 이루어졌다.

그러니까 우주만물의 크기는 가장 작은 10^-18미터에서 가장 큰 1.4×10²³킬로미터까지이고, 인간은 그 중간에 해당하는 세계에 살고 있다고 할 수 있다.

이제 그림으로 볼까요?

[배낭메go]

신비와 경이가 함께
오늘은 대충 읽었지만
시간 있을때 다시 한번 봐야겠네요
좋은 자료 고맙습니다

[황골농장]

너무 길죠?
다음번에 오실 때는 명상음악과 함께 읽어보세요.
이런 세계에 사는 우리들은 한낱 미물이지요