E=mc²

저자 : 데이비드 보더니

웅진지식하우스

1부 탄생 01 베른 특허청, 1905년 2부 E=mc²의 조상들 02 에너지 E 03 등호 = 04 질량 m 05 빛의 속도 c 06 제곱 ² 3부 유년 시절 07 아인슈타인과 방정식 08 원자의 중심 09 눈 덮인 길 위에서 비밀을 풀다 4부 성년 시절 10 독일에서 원자폭탄 움트다 11 노르웨이 습격 12 미국의 반격 13 오전 8시 16분, 일본 상공 5부 영원한 삶 14 태양의 불꽃 15 지구 창조하기 16 블랙홀의 어둠을 본 브라만 소년

 

E=mc² 

세상에서 가장 유명한 방정식이지만,  이것이 무엇을 의미하는지 생각해 본 일이 있는가?

이책은

질량보존의 법칙, 에너지보존의 법칙, 뉴턴, 패러데이, 라부아지에, 퀴리부인, 아인슈타인, 하이젠베르크, 오펜하이머 등등단편적으로 배우고 들어왔던 이 모든 것을 하나의 심지로 꿰뚤어 연결시킨 이야기로, 정말 정말 재미있게 읽은 책이다. 이 방정식의 의미 뿐아니라, 관련된 많은 과학자들의 삶까지도 생생하고 뚜렷이 보여주고 있다.

 

에너지

19세기 중반이후, 영국의 패러데이는 전기를 자기로 바꾸었고, 이는 전동기의 기초가 되었다. 이를 시초로 별개로 보인는 힘들이 점점 연결되어 에너지의 거대한 통일이 이루어졌다.

질량

프랑스 라브아지에는 밀봉한 상자에 여러 물질을 넣어서 태우거나, 녹슬게 하였다. 녹슨 금속은 전보다 무거워졌다. 줄어든 공기만큼 금속이 무거워졌다. 물질이 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨갈 수 있으며, 사라지지 않는다는 것을 보여주었다. 

17세기에 뉴턴이 모든 물질은 질량이라는 성질을 가지며, 이는 물체의 움직임에 영향을 준다는 대단한 업적에  이어, 18세기의 라브아지에는 물체의 부분들이 결합하고 분리되는 방식을 정확하게 발견한 것이다.

질량보존의 법칙을 만들어 낸 것이다.

방대한 물리적 대상들이 서로 연결되어 있음르 보여주었다. 타고, 찌그러지고, 부서지고, 조각날 수 있지만, 결코 사라지지 않는다.

아인슈타인

19세기 중반, 과학자들은 에너지와 질량이 돔으로 덮여 완전히 분리된 두 도시와 같다는 결론에 도달했다.

아인슈타인의 통찰은 이 두 세계를 연결하여 하나의 세계관으로 만들었다.

더우기 빛의 속도의 제곱을 상수로 사용하는,  책을 다 읽고도 이해할 수 없는 방정식을 완성했다. 

왜 빛의 속도일까?

빛의 속도

 c는 Celertias 빠르다는 뜻의 라틴어의 첫글자오랫동안 빛의 속도를 재는 것은 불가능하다고 생각했다. 최초를 시도한 사람은 갈릴레오 였다. 1마일 떨어진 골짜기 양쪽에 등불로 빛이 골짜기를 건너오는 시간을 측정했다.프랑스 카시니는 목성을 42 1/2시간에 한번씩 도는 이오 위성을 측정하는데, 시간이 조금씩 달랐다.덴마크의 뢰머는 지구의 공전으로 인해 달라짐을 깨닫고, 빛의 속도를 계산해 냈다. 10억8천만 km/h 이다.앞서 전기와 자기를 통합한 패러데이는 수학자인 맥스웰을 통해 갈릴레오와 뢰머가 이해하지 못한 것을 완전하게 설명한다.맥스웰이 보기에 빛의 내부에서도 앞뒤로의 변환이 끊임없이 일어난다.빛이 앞으로 나갈 때 전기 한조각이 생기고, 전기는 앞으로 나가면서 한조각의 자기를 만드로, 자기장은 나가면서 전기를 만든다. 이렇게 꽈배기처럼 진행하며, 전기와 자기가 서로를 타넘으면서 나아간다.

 

맥스웨 역시 자기가 만든 것에 대해 설명할 수 없었다. 왜 이상하게 서로 얽혀서 진행하는 파동이 생기는가?

아인슈타인의 천재성은 날아가는 광파가 무엇을 뜻하는지에 대해 주목한 점에 있다.

빛은 움질일 때만 존재한다.

빛을 따라잡을 수 있는가?

입자가속이에서 양성자가 정지할 때 무게가 1이라면,  점점 에너지를 가해서 빛의 속도의 99.9998퍼센트까지 이르면, 양성자는 원래 무게의 500배에 이른다. (이 때 발전소에서 엄청난 양의 에너지를 끌어와야 한다.)

제곱

프랑스의 뒤 사를레는 볼테르와 연인이자 학문적인 동반자이다. 그녀는 E= ​mv2 이 더 효과적인 에너지의 정의라고 밝혔다.

일정하게 축적되는 것들은 대개 제곱에 따라 증가한다는 것이다.

속도를 높여서 빛의 속도가 되면 물체는 최대의 에너지를 가질 것이고, 이 때의 에너지는 E=mc² 이 될 것이라고 아인슈타인은 생각한 것 같다.

상수가 c² 이 된다면,  아주 작은 질량이 엄청남 에너지가 된다는 의미가 된다. 

이 것은 질량이 압축된 에너지라는 뜻이다!!

방사능

질량이 압축된 에너지라는 증거에는 방사능이 있다.

마리 퀴리는 콩고와 체코슬로바키아에서 캐낸 몇몇 광물에서 이상한 에너지선이 나오는 것을 연구하고, 방사능이라는 이름을 붙였다.

광석 한 줌이 1초에 고속 알파 입자 수십억개를 뿌릴 수 있고, 몇 시간, 몇 주, 몇 달 동안 계속 뿌려도, 중량 손실은 측정 불가능할 정도였다.

 원자의 중심

영국의 러더퍼드는 원자의 내부가 텅 비어있다는 것을 알아냈다.

원자에는 전기가 많이 있는데, 절반은 전자들로 궤도를 따라 멀리 퍼져있고,

절반은 중심에 엄청나게 밀도가 큰 핵에 몰려 있다.

러더퍼드의 조소인 채드윅은 핵속에 양성자와 크기가 같고 전기적으로 중성인 중성자를 발견했다.

방사능 물질은 종성자를 내뿜는데, 이 것으로 원자에 쏘아서, 원자구조를 파악하려고 했다.

이탈리아의 페르미는 중성자를 느리게 쏘아 핵에 도달할 방법을 알아내었다.

오스트리아의 고독한 여인 리제 마이트너는 우라늄을 중성자로 쪼개면서 방출한 에너지와 줄어든 질량으로 아인슈타인의 방정식을 입증했다.

우라늄 핵이 쪼개져서 생긴 두핵이 원래의 우라늄핵보다 대략 양성자의 1/5 만큼 가벼워지며 200MeV의 에너지를 만든다. c² 이라는 어마어마한 상수가 아니라면 불가능한 양이다.

마이트너가 깨달은 것은 핵속의 강력한 전기가 강한 핵력의 용수철 또는 접착제로 한데 붙어있기 때문이라는 것이다.

여분의 중성자 때문에 핵이 떨기 시작하면, 이 용수철은 힘을 잃고, 내부의 조각들이 엄청난 에너지로 날아가 버린다. 

2차세계대전으로 어느 나라가 먼저 이 방정식의 힘을 꺼내는지를 두고 경쟁이 시작되었다.

원자폭탄

독일에서는 양자역학으로 유명한 당대 최고의 물리학자 하이젠베르크가 중심에 섰고, 미국에서도 로버트 오펜하아머를 중심으로 리처드 파인만과 닐스 보어 같은 천재들이 모여들었다.

많은 재미있는 이야기를 생략하고, 하이젠벡르크는 실패했고, 미국의 오펜하이머는 성공했다.

독일이 패전하고, 일본도 항복할 준비가 되어 있다고 판단할 수 있었으나, 결국 1945년 8월6일 리틀보이가 히로시마에 투하되었다.

 

태양

E=mc² 으로 우주 전체를 설명한다는 통찰은 갑자기 막혀버렸다. 

태양이 우라늄이나 비슷한 물질로 되어 있다는 증거가 나오지 않았기 때문이다.

이를 풀어준것은 영국 여인 세실리아 페인이었다. 당시 태양의 스펙트럼 분석결과는 태양의 2/3 이상이 철로 이루어졌다는 해석이지만, 페인의 해석으로는 90%이상이 수소로 되어 있고, 나머지도 헬륨으로 이루어져 있다는 것이다.

태양 중심에 가까운 곳에 갇혀서  무거운 무게에 짓눌려 있으면, 수소 핵들은 충분히 가까워 지면서 합쳐져서 헬륨 원소가 된다. 수소 네개의 질량은 4가 아니라 3.993 으로 0.007이 가벼워지면서 그에 해당하는 어마어마한 에너지가 발생한다.

블랙홀

태양은 어마어마하게 크지만 영원히 타지는 못한다. 앞으로 50억년 뒤에는 연료가 떨어질 것이고,  중심에는 헬륨 '재' 만 남게 된다.

E=mc² 의 반응은 상층부로 올라가면서, 외곽 층이 부풀어 오르고, 온도가 조금 낮아지게 된다.  계속 부풀어올라 수성궤도에 올라 수성을 흡수하고, 금성궤도에 올라 금성도 흡수한다. 

이때는 주로 내부의 헬륨 재를 연소시키면서 에너지를 내뿜을 것이다.

내뿜는 에너지가 약해지면서 태양이 줄어들기 시작한다. 바로 다음에 확산으로 연료가 보충되어서 에너지 출력이 높아지고 태양의 표면이 위로 솟구친다. 이 단계가 거인의 마지막 운명이다. 위로 튀어오를 때마다 상당량의 질량이 떨어져 나가고, 수십만년 안에 태양이 볼품없이 작아지며, 중력도 약해진다. 

태양이 팽창할 때 지구도 흡수되지 않았다면, 이때 태양으로 부터 놓아져 날아가 버리게 된다.

별이 충분히 크다면 계속 흡수하고, 강한 중력은 압력이 더 높아진다.  별은 압력으로 인해 내부가 뭉개 진다. 텅빈 공간으로 보이는, 빛마져 빨아들이는 블랙홀이 만들어 진다.

우리 은하의 중심에 있는 블랙홀은 1년에 보통의 별하나를 삼킨다.

10의 32승 년 뒤에는 양성자 자체가 붕괴되기 시작할 수 있고, 우주에 남는 물질의 종류는 아주 적을 것이다.

충분한 시간이 지나면 블랙홀도 증발할 수 있다. 블랙홀이 삼킨 모든 것들이 다시 나올 것이다. 하지만  식별가능한 형태가 아닌 동등한 양의 전자기파로 나올 것이다.종말이 가까워 질 무렵, 모든 것이 훨씬 더 퍼져있고, 훨씬 더 번져 있다.이때 존재하는 것들은 상상도 할 수 없을 정도로 멀리 퍼져 있을 것이다.  질량과 에너지가 서로 변환되는 일은 매우 드물어진다. 모든 것이 거대한 침묵에 잠긴다.아인슈타인의 방정식이 하는 일은 끝났다.