물리로 이루어진 세상

물리로 이루어진 세상

장미셸 코르티, 에두아르 키에를릭 지음

에코리브르 / 2008년 5월 / 238쪽 / 16,500원

눈꽃: 육각형 눈 결정과 여전히 풀리지 않는 눈의 신비

눈송이는 그 형태가 작은 판 모양이든 별 모양이든 커프스 단추 모양이든 가늘고 긴 면 모양이든 제각기 유일무이하다. 이렇게 독특한 속성을 보이는 눈송이에 대해 여러 학자들이 호기심을 가졌다. 맨 처음 그 사실에 놀라움을 나타낸 사람은 요하네스 케플러와 르네 데카르트였는데, 일찍이 데카르트는 눈송이를 '얼음 뭉치'라고 표현했다. 오늘날 물리학자들은 얼음 결정인 눈송이가 어떤 메커니즘에 따라 성장하는지 잘 알고 있다. 이제부터 그 매커니즘을 알아보기 위해 형성 단계에서 성숙 단계까지 눈 결정의 성장 과정을 따라가 볼 것이다. 그러면 놀랍도록 다양한 눈송이의 구조를 이해하게 되고, 어떻게 곳곳에서 60도 또는 120도의 각도가 형성되는지 파악할 수 있을 것이다.



대기의 씨앗들

성장 초기에 얼음 결정의 크기는 100분의 1밀리미터 정도이며, 분자 차원에서 그 표면이 매우 불규칙하긴 해도 결정의 형태는 구형에 가깝다. 성장이 계속되면서 울퉁불퉁한 표면은 재빨리 매끈해진다. 물 분자들은 특히 서로 결합관계를 가장 많이 맺을 수 있는 곳, 즉 움푹 파인 곳을 선호해 자리를 잡기 때문이다. 성장하면서 서서히 결정면들이 생겨나고, 결정면의 표면과 방향에 따라 규칙적인 대칭 형태가 갖춰진다. 물 분자는 어떤 원리로 이런 놀라운 형태를 띠는 것일까? 대기압 상온에서 물 분자는 제각기 이웃한 물 분자 네 개에 의해 형성된 사면체의 중심에 위치해 있고, 얼음 결정은 육각형 대칭 구조를 띤다(사면체를 '위에서' 바라보면 이러한 기하학을 이해할 수 있다. 이때 그것은 여러 개의 정삼각형 꼴로 나타나며, 서로 연결되어 육각형을 형성하는 것이다).



성장 과정에 따라 모양이 결정된다

주된 성장 방식은 세 가지로, 처음 두 가지는 기온에 의해 좌우된다. 기온에 따라 어떤 경우에는 육각형 바닥면이 가장 빨리 자라나고 어떤 경우에는 옆면이 더 빨리 자라난다. 섭씨 영하 10도~영하 5도에서 육각형 바닥은 옆면보다 더 많이 성장한다. 예컨대 섭씨 영하 6도에서 바닥의 성장 속도는 옆면의 두 배이며, 이 경우 눈송이는 기둥 모양을 띤다. 반대로 섭씨 영하 5도 이상이나 섭씨 영하 10도 이하에서는 옆면이 육각형 바닥 면보다 더 빨리 성장한다. 세 번째 성장 방식은 대기의 수분 농도에 따라 좌우된다. 과포화도가 클수록 결정은 더 빨리 성장한다. 성장 속도가 너무 빠르거나 결정이 너무 클 때, 쌓이는 물 분자들은 자리를 잡기 전에 결정 표면에서 이동할 시간이 전혀 없다.

낙하

이제 '얼음 뭉치'인 눈송이의 다양한 형태를 파악했으니 눈송이의 여정을 한번 생각해보자. 춥고 고도가 높은 곳에서 탄생한 눈송이는 성장하는 동안 바람에 실려 간다. 다양한 대기층을 통과하면서 온갖 상황에 부딪히는 눈송이는 점점 더 무거워져서 땅에 사뿐히 내려앉는다. 그런 식으로 각 대기층과 대기 중의 곳곳을 거치면서 전체 성장 메커니즘이 유리하게 돌아간다. 섭씨 영하 15도에서 구름을 통과하는 육각형 눈송이에는 곧 반짝이는 뾰족한 돌기가 달릴 것이고, 섭씨 영하 2도에서 하층부의 상당히 높은 습도를 만난 눈송이에는 재빨리 돌기 끝에 작고 가느다란 판이 걸릴 것이다. 데카르트 이후 상당한 진전이 이루어졌음에도 눈은 여전히 많은 수수께끼를 간직하고 있다. 눈송이는 거의 언제나 완벽한 대칭을 이룬다. 눈송이가 제아무리 복잡해도 그 가지는 완벽하게 동일하다. 왜 그럴까? 어떤 메커니즘이 전체 결정의 성장을 조정하는 것일까? 각각의 가지가 동일한 여건에서 성장한다는 사실이 그런 놀라운 유사성을 설명하기에 충분한 것일까? 눈송이는 여전히 우리의 호기심을 자극한다.

검은색 옷을 입는 베두인족: 사막의 유목민들은 왜 검은색 옷을 입을까

뜨거운 태양빛을 차단하기 위해서는 어떤 색의 옷을 입어야 할까? 우리는 흰색이 태양의 복사열을 거의 흡수하지 않는다고 알고 있기 때문에 '흰옷을 입어야 한다!'고 생각한다. 그렇지만 사막의 유목민들은 검은색 옷도 입는다. 어두운 색의 옷도 밝은 색의 옷만큼 햇빛 아래에서 쾌적할까? 다양하게 교류되는 에너지의 작용을 검토하면 이러한 흥미진진한 의문이 명확히 밝혀진다. 표면의 색에 따라 그 표면이 우리에게 다시 보내는 빛의 양은 물론, 상호보완적으로 표면 자체가 흡수하는 빛의 양도 달라진다. 표면의 색이 어두울수록 빛, 즉 빛에너지를 더 많이 흡수하며, 흡수되는 빛은 열로 바뀌게 된다. 하늘 높이 떠 있을 때 태양은 지면에 1제곱미터 당 약 1000와트의 에너지를 가져다준다. 검은색 물체는 이 에너지를 90퍼센트까지 흡수한다. 어두운 색의 '태양열 집열판'은 물을 순환시켜 아주 적은 비용으로 물을 데운다.



에너지 수지

체온이 섭씨 4도 이상 오르면 치명적이므로 검은색 옷은 자칫 위험해 보인다. 그런데도 사막의 유목민들은 검은색 옷을 입는다. 그 이유를 알아보기 위해 그들의 천막에 관심을 가져보자. 이 천막 역시 검은색이며 아주 쾌적하다. 편안하고 쾌적한 천막에는 두 가지 물리작용, 즉 천막으로 만들어지는 그늘과 천막의 통풍 시스템이 관여한다. 태양열을 더 잘 흡수하는 검은색 직물로 만든 천막은 동일한 두께의 흰색 천막보다 훨씬 더 좋은 그늘을 만들어낸다. 그렇지만 태양 때문에 온도가 많이 올라간 천막은 자체 열을 천막 내부의 공기에 전달할 우려가 있다. 그렇게 되지 않도록 베두인족은 천막을 활짝 열어둔다. 검은색 천과 접촉한 공기는 온도가 상승하고 팽창하며, 주변 공기보다 밀도가 떨어져 높이 올라간 다음 천막을 빠져나간다. 그 공기가 천막에서 전달된 열을 실어가면서 덜 더운 외부 공기를 천막 안으로 끌어들인다.



두 겹으로 겹쳐 입는 베두인족

통풍 시스템 덕택에 베두인족은 검은색 의상에 열이 축적되어도 덜 괴로운 걸까? 그렇다. 한데 그 점을 설명하기에 앞서 햇빛 아래에서 어떤 옷이 쾌적한지 먼저 살펴보자. 늘 주변과 같은 온도를 유지하는 천막과 마찬가지로, 쾌적한 의상은 외부 온도가 어떻든 간에 체온을 한결같이 섭씨 37도로 유지시켜준다. 이를 위해 그런 의상은 외부 열로부터 신체를 보호하고 신진대사로 인해 계속 만들어지는 열(사람은 휴식을 취할 때도 적어도 100와트의 열을 낸다)을 밖으로 내보낸다. 이러한 조정 작업은 발한 과정을 통해 이루어진다. 땀은 피부에서 열을 흡수해 증발한다. 체온이 상승할 때는 어떻게든 땀을 많이 내서 올라간 체온을 상쇄해야 한다. 열대 지역에서는 기온이 가장 많이 올라가는 순간에 시간당 0.5리터 이상의 체내 수분을 잃게 된다. 그래서 땀을 더 쉽게 증발시켜 시원한 느낌을 주는 옷이 편안하고 쾌적한 옷이다.



지진파와 모호면

지구 내부는 어떤 구조로 되어 있을까

데카르트는 과거에 지구가 태양이었으며 '태양체'의 핵 주위에 땅, 물, 대기가 여러 층으로 쌓여있다고 생각했다. 묘사에 오류가 있긴 해도 원리적인 측면에서 데카르트는 틀리지 않았다! 오늘날에는 지구 내부 구조를 내핵, 외핵, 맨틀, 지각으로 구분하고 있다. 지구물리학자들은 지진파를 활용해 이러한 층을 확인했으며, 지구 내부와 지표면에서 주기적인 변형이 확산되고 있음을 알아냈다. 학자들은 지구의 속성과 지진의 특성을 밝히기 위해 지진파를 연구한다.



실체파

고체는 소리와 같은 종파 외에 횡파도 전달한다. 전단력은 결합 지지 부위의 축에 수직으로 길항해 작용하는 힘으로, 이 힘의 특성은 물질의 형태는 변화시켜도 부피에는 영향을 미치지 않는다는 것이다. 액체는 전단력에 저항하지 않으므로 가위로 물을 '자른다고' 해도 흘러가고 만다. 반대로 고체는 전단력을 받으면 대항한다. 다시 말해 가위로 철판을 자르려면 에너지가 필요하다. 고체는 탄성이 있고 전단력에 저항하기 때문에 전단력을 진동하는 반면, 횡파는 수직으로 진동한다. 횡파의 속도를 어떻게 소리의 속도와 비교할 수 있을까? 어떤 물체든 전단력과 같이 부피에 변화를 주지 않는 작용보다 자신을 압축하는 작용에 더 많이 저항한다. 그래서 고체는 압축력보다 전단력에 덜 저항하며, 고체 내에서 횡파는 종파보다 속도가 느리다. 땅속에서 횡파는 초속 3킬로미터로 확산되는데, 소리의 속도는 초속 6킬로미터이다. 지구물리학자들은 이 두 유형의 파를 이용해 지구의 구조를 연구한다. 지진이 일어나면, 지면이 급격하게 변형되어 종파는 물론 횡파가 만들어진다.



표면파

지진이 일어나면 표면에서 확산되는 세 번째 유형의 역학파가 만들어진다. '레일리파'로 알려진 이 표면파는 해수면이 넘실거리는 파랑과 유사하다. 표면파는 수평으로 움직이는 종파와 수직으로 움직이는 횡파가 결합된 것이다. 그래서 레일리파가 지날 때 지상에 있는 물체는 타원형으로 움직인다. 그 물체는 아랫부분에서 파의 방향으로 움직인 다음, 그 꼭대기에서 반대 방향으로 이동한다. 레일리파는 표면에서 확산되기 때문에 그 파가 압축하는 물질이 위쪽으로 빠져나갈 수 있다. 레일리파가 지구를 압축하는 곳에서는 땅이 솟아오르고, 잡아늘이는 곳에서는 땅이 움푹 꺼진다. 그와 같이 자유롭게 움직이는 것은 지상에 있는 물질 때문이 아니라 대기층이 존재하기 때문이다. 그런 움직임으로 인해 지면의 강도는 약해진다. 전파 속도가 초속 2.7킬로미터에 불과한 레일리파는 횡파보다 느리다. 레일리파는 파랑과 마찬가지로 표면에 머물며 자기 파장에 해당하는 깊이의 표면을 변형시킨다.



하늘을 수놓은 300개의 불꽃

불꽃으로 하늘에 숫자와 글자를 새기다!

<과학을 위하여(Pour la Science)> 창간 25주년! 300호 출간을 성대하게 기념하기 위해 퓌를롱 교수와 미노 박사는 불꽃으로 하늘에 '300'이라는 숫자를 쓸 불꽃놀이용 폭탄을 발사하는 방법에 대해 연구했다. 여러 번의 실험을 통해 그들은 불꽃놀이용 화약 관련 기술은 미묘하고 정교해서 전문가에게 맡겨야 한다는 사실을 이해하게 되었다. 어쨌든 두 사람은 기술자들에게 연소 활용법을 새로 배우게 되어 무척이나 기뻤다. 두 사람의 행보를 좇아 전문 기술자들이 어떻게 불꽃 폭탄을 고안하고 사용하는지 알아보도록 하자.



발사

불꽃놀이가 펼쳐지는 동안, 화약 기술자가 하늘에 수많은 폭탄을 쏘아 보내면 반짝이는 입자들이 하늘에 좍 흩어진다. 퓌를롱 교수와 미노 박사는 지름 15센티미터의 원통형 폭탄을 선택했다. 그 폭탄에 실린 1킬로그램의 폭발물이 '불꽃놀이 공연'을 펼치는 것이다. 먼저 사람들이 볼 수 있어야 하고 또 구경하는 사람들에게 절대 해를 입혀서는 안 되기 때문에, 폭탄을 240미터 높이로 쏘아 올려야 한다. 기술자들은 두꺼운 원통 판지 같은 1미터 길이의 화포를 땅속에 수직으로 박아놓고, 이 화포를 이용해 폭탄을 그 높이로 쏘아 올린다. 폭탄은 발포되자마자 빠른 속도로 화포를 벗어난다. 두 사람이 선택한 폭탄의 경우, 요구되는 240미터 높이에 도달하는 데 필요한 속도는 초속 100미터이다(마찰이 없으면 초속 70미터로 충분하다). 발포용 화약의 성분은 무엇일까? 고대 중국 이래로 그 성분은 질산포타늄(KNO3) 75퍼센트와 목탄 15퍼센트, 황 10퍼센트로 된 고형 혼합물, 이른바 '흑색화약'이다. 질산포타늄이 조연성 물질의 구실을 하기 때문에 이 화약은 산소 없이 연소한다. 방출되는 가스 온도가 2500~3500도에 달해 '폭연', 즉 폭음과 불꽃을 동반한 급격한 폭발(연소될 때 불꽃의 속도가 초속 1미터 이상인 경우)을 일으킨다.



장전된 화약의 성분

기술자들은 화약의 성분과 입자로 이루어진 속성을 제어해 그와 같은 조정 작업을 수행한다. 연소는 화약 입자의 표면에서 일어난다. 그러므로 이 표면이 클수록, 다시 말해 입자가 가늘수록 더 강렬하고 신속하게 연소된다. 스스로 탄약을 제조했던 고대의 병사들은 그 사실을 잘 알고 있었다. 그들은 탄화의 성질에 따라 입자 크기가 다른 화약을 사용했다. 지나치게 무거운 발사체에 입자가 너무 가는 화약을 사용한 사람에게는 불행이 닥쳤다. 불활성 탄환 때문에 부피가 줄어들어 연소가 너무 빨리 일어나면 대포가 폭발해버릴 수도 있었다! 실전에 적용되는 또 다른 세부 사항은, 발사로부터 3.5초 후에 폭발물에 불이 붙어야 한다는 것이다. 기술자들은 발포용 화약에 불을 붙이는 동시에 폭발물에 뇌관을 장치한다. 원통형으로 화약을 쌓아올린 뇌관은 폭죽의 도화선과 같은 구실을 하면서 천천히 타오른다. 적정한 높이에서 폭발이 일어나기 위해서는 뇌관의 길이가 알맞아야 한다. 이러한 '세부 사항들'을 따르면 폭탄의 발사 문제가 해결된다.



수분 흡착기: 습기 쏙, 물먹는 염화칼슘과 실리카젤

물은 생명이다. 그러나 물 때문에 생명이 부패할 수도 있다. 건물 기반에 스며들고 벽면이나 밀폐된 공간에 응축되는 등 물은 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다. 그리고 오줌을 싼 아기들은 부모의 잠을 깨운다. 어떻게 하면 수분을 제거할 수 있을까? 해답은 바로 수분 흡수제! 최고의 흡수제는 물과 접촉하는 면이 가장 넓고 물에 대한 갈증이 제일 큰 것이다.



모세관 현상

유년시절, 우리는 잉크를 흡수하는 압지에 얽힌 즐거운 추억을 가지고 있다. 그런 압지의 사례가 수분을 흡착하는 좋은 방법이 아닐까? 그러한 방식은 모세관 현상을 이용하기 때문에 정말 효과적이다. 18세기, 영국의 의사 제임스 주린은 가느다란 관을 물속에 넣어 모세관 현상을 분석했다. 물은 깨끗한 유리에 대해 큰 친화력을 나타낸다. 다시 말해 물은 유리의 표면을 완전히 덮으려 하면서 그 표면을 최대한 '적신다'. 하지만 아래로 끌어내리는 중력 때문에 모세관의 꼭대기까지 올라가지 못한다. 물이 모세관 속에서 올라가는 높이는 그 관의 반지름에 반비례한다. 예를 들어 반지름이 1밀리미터인 관속에 물은 14밀리미터 올라가며, 반지름이 10마이크로미터인 관속에서는 1미터 정도 올라간다. 다시 앞서 이야기한 압지와 그 압지처럼 셀룰로오스 섬유들이 얽혀 있는 직물 이야기를 해보자. 이런 소재에는 물이 들어갈 수 있는 수많은 틈새가 있으며, 물은 모세관 현상으로 그 틈새를 뚫고 지나간다. 물이 스며든 소재를 들어 올릴 때, 물은 여전히 섬유 사이에 흡착되어 있다. 스펀지와 주방용 흡수지도 마찬가지로 모세관 현상에 의해 물을 빨아들인다.



염화칼슘

물을 흡착하기 위해서는 물에 커다란 표면을 제공해야 한다. 어떻게 해야 할까? 우리는 계기 같은 민감한 물품을 보관하는 수납장 속에 때때로 제습제를 놓아둔다. 이런 탈수제는 염화칼슘(CaCl2)결정을 함유한 물질을 용기에 담은 것으로, 내용물은 교체가 가능하다. 이 염화칼슘은 물에 용해되면 칼슘 양이온 Ca++과 염소 음이온 CI-로 분해된다. 칼슘이온은 물 분자의 산소 쪽을 끌어당기고 염소 이온은 수소 쪽을 끌어당기면서 물 분자들을 둘러싼다. 대기 중의 물 분자들을 만났을 때도 동일한 현상이 일어난다. 그렇게 해서 양이온 Ca++와 두 음이온 CI-는 물 분자를 여섯 개까지 끌어 모은다. 만일 주변 습도가 높으면, 염화칼슘 1그램은 최대 물 1그램을 빨아들인다. 실제로는 주머니형 흡수제나 다른 유형의 흡수제 속에 사용되는 결정체의 흡수 용량은 1그램당 물 2분의 1그램이다. 결정체의 일부는 적정 습도 조절에 꼭 필요한 다른 화합물과 결합하기 때문이다. 염화칼슘은 이러한 흡수 용량