E=mc² 의 의미를 알 수 있는 책 (아인슈타인 역시 천재!!)

E=MC2 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

 

 

 

 

단편적으로 알고 있던 과학 지식들을 모두 꿰뚫어 (一以貫之) 원자 부터 별들의 탄생과 죽음 같은 우주까지, 전기와 자기, 질량과 에너지 등 모든 것 들이 이 단순해 보이는 공식으로 통합되어 설명이 된다는 것이 너무 놀랍습니다.

저자 보더너스는 에너지, 등호, 질량, 빛의 속도 에 담긴 의미와 유래를, 수많은 과학자들의 일생과 발견을 통하여 생생히 묘사합니다. 아인슈타인은 수많은 과학자들의 발견과 연구를 토대로  단지 머리속에서 단순한, 너무 단순한 하나의 공식  E=mc² 로 만들었습니다.

아인슈타인은 항상 감사하다고 말하면서 살았다고 합니다. 그럴 법도 한 것이 앞선 수많은 과학자들의 실험과 연구에 따른 발견들이 없었다면, 머리속에서만 이러한 공식을 만들 수는 없는 것이니까요. 

 

E=mc² 

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

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

 

에너지

19세기 중반이후, 영국의 패러데이는 전기를 자기로 바꾸었고, 이는 전동기의 기초가 되었습니다.

이를 시초로 별개로 보인는 힘들이 점점 연결되어 에너지의 거대한 통일이 이루어졌습니다.

 

질량

프랑스의 라부아지에는 밀봉된 상자에 여러 물질을 넣고 태우거나 녹슬게 하는 실험을 진행하였습니다.

그 결과, 녹슨 금속은 이전보다 무거워졌으며, 이는 줄어든 공기의 무게만큼 금속이 무거워졌음을 보여주었습니다. 이를 통해 물질이 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨갈 수 있지만, 결코 사라지지 않는다는 사실을 증명하였습니다.

17세기에 뉴턴이 모든 물질은 질량이라는 성질을 가지고 있으며, 이 질량이 물체의 움직임에 영향을 미친다는 위대한 업적을 남긴 데 이어, 18세기에는 라부아지에가 물질의 구성 요소들이 결합하고 분리되는 방식을 정확히 발견하였습니다.

이로써 라부아지에는 ‘질량보존의 법칙’을 확립하였고, 방대한 물리적 대상들이 서로 연결되어 있음을 증명하였습니다. 물질은 태워지거나 찌그러지고, 부서지거나 조각날 수 있지만, 결코 사라지지 않는다는 것을 보여준 것입니다.

 

아인슈타인

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

아인슈타인의 통찰은 이 두 세계를 연결하여 하나의 세계관으로 만들었습니다.

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

 

왜 빛의 속도일까요?

 

빛의 속도

C는 라틴어로 "빠르다"는 뜻의 Celertias에서 첫 글자를 따온 것입니다.

오랫동안 빛의 속도를 측정하는 것은 불가능하다고 여겨졌으나, 최초로 이를 시도한 사람은 갈릴레오였습니다. 

그는 약 1마일 떨어진 골짜기 양쪽에서 등불을 사용해 빛이 골짜기를 건너오는 시간을 측정하려 했습니다.

이후 프랑스의 카시니는 목성의 이오 위성이 약 42시간 30분마다 목성을 한 바퀴 도는 주기를 관찰하며, 시간이 일정하지 않다는 사실을 발견했습니다. 

덴마크의 뢰머는 이 차이가 지구의 공전에 의해 발생한다는 것을 깨닫고, 빛의 속도를 계산해냈습니다. 그 결과, 빛의 속도는 시간당 약 10억 8천만 km로 나타났습니다.

한편, 전기와 자기를 통합한 연구로 유명한 패러데이는 수학자인 맥스웰을 통해 갈릴레오와 뢰머가 이해하지 못했던 빛의 본질을 완전히 설명했습니다.

맥스웰의 관점에 따르면, 빛의 내부에서는 끊임없이 변화가 이루어집니다. 빛이 앞으로 나아갈 때 전기의 한 조각이 생성되고, 전기는 진행하면서 자기의 한 조각을 만들어냅니다. 이어서 자기장은 다시 전기를 생성하며, 이렇게 전기와 자기가 서로를 넘나들며 꼬인 형태로 진행합니다.

 

 

맥스웰 역시 자기가 만든 것에 대해 설명할 수 없었습니다.

"왜 이상하게 서로 얽혀서 진행하는 파동이 생기는가?"

 

아인슈타인의 천재성은 날아가는 광파가 무엇을 뜻하는지에 대해 주목한 점에 있습니다.

"빛은 움질일 때만 존재한다."

"빛을 따라잡을 수 있는가?"

입자가속기에서 양성자가 정지할 때 무게가 1이라면,  점점 에너지를 가해서 빛의 속도의 99.9998퍼센트까지 이르면, 양성자는 원래 무게의 500배에 이릅니다. 이 때 발전소에서 엄청난 양의 에너지를 끌어와야 합니다.

 

제곱

프랑스의 뒤 사를레는 볼테르와 연인이자 학문적인 동반자입니다.

그녀는 E= ​mv2 이 더 효과적인 에너지의 정의라고 밝혔습니다.

 

일정하게 축적되는 것들은 대개 제곱에 따라 증가한다는 것입니다.

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

상수가 c² 이 된다면,  아주 작은 질량이 엄청난 에너지가 된다는 의미가 되는 것입니다.

이것은 질량이 압축된 에너지라는 뜻입니다!!

 

 

 

 

방사능

질량이 압축된 에너지라는 증거에는 방사능이 있습니다.

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

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

 

 원자의 중심

영국의 러더퍼드는 원자의 내부가 텅 비어있다는 것을 알아냈습니다.

 

원자에는 전기가 많이 있는데, 절반은 전자들로 궤도를 따라 멀리 퍼져있고, 절반은 중심에 엄청나게 밀도가 큰 핵에 몰려 있습니다.

 

러더퍼드의 조수인 채드윅은 핵속에 양성자와 크기가 같고 전기적으로 중성인 중성자를 발견했습니다.

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

 

이탈리아의 페르미는 중성자를 느리게 쏘아 핵에 도달할 방법을 알아냈습니다.

 

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

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

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

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

 

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

 

원자폭탄

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

 

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

 

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

 

 

태양

E=mc² 으로 우주 전체를 설명한다는 통찰은 갑자기 막혀버렸습니다.

태양이 우라늄이나 비슷한 물질로 되어 있다는 증거가 나오지 않았기 때문입니다.

 

이를 풀어준것은 영국 여인 세실리아 페인이었습니다.

당시 태양의 스펙트럼 분석결과는 태양의 2/3 이상이 철로 이루어졌다는 해석이지만, 페인의 해석으로는 90%이상이 수소로 되어 있고, 나머지도 헬륨으로 이루어져 있다는 것입니다.

 

태양 중심에 가까운 곳에 갇혀서  무거운 무게에 짓눌려 있으면, 수소 핵들은 충분히 가까워 지면서 합쳐져서 헬륨 원소가 됩니다.

수소 네개의 질량은 4가 아니라 3.993 으로 0.007이 가벼워지면서 그에 해당하는 어마어마한 에너지가 발생합니다.

 

블랙홀

태양은 매우 거대한 천체이지만, 영원히 타오를 수는 없습니다. 약 50억 년 후에는 연료가 소진되어 중심부에는 헬륨의 '재'만 남게 될 것입니다.

태양 내부에서 일어나는 E=mc² 반응은 상층부로 이동하며 태양의 외곽 층을 부풀어 오르게 하고, 이로 인해 온도가 약간 낮아집니다. 태양은 계속해서 팽창하여 수성의 궤도까지 도달하고 수성을 흡수한 뒤, 금성의 궤도까지 확장하여 금성마저 흡수하게 됩니다.

이 시기에는 주로 내부에 남아 있는 헬륨 재를 연소시켜 에너지를 방출하게 됩니다. 그러나 시간이 지나 에너지 방출이 약해지면 태양은 점차 줄어들기 시작합니다.

줄어드는 과정에서 태양은 확산을 통해 연료를 보충하여 에너지 출력을 높이고, 표면이 다시 위로 솟구칩니다. 이 단계는 태양이 거성으로서 겪는 마지막 운명입니다. 태양이 위로 솟구칠 때마다 상당량의 질량이 우주로 흩어지고, 결국 수십만 년 안에 태양은 매우 작아지고 중력도 크게 약화됩니다.

힘의 종류

 

 

별이 충분히 크다면 주변 물질을 계속 흡수하며, 강력한 중력으로 인해 내부 압력이 극도로 높아집니다. 이 압력으로 인해 별의 내부가 붕괴하면서, 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 형성됩니다.

블랙홀

우리 은하의 중심에 위치한 블랙홀은 매년 평균적으로 별 하나를 삼키고 있습니다.

약 10의 32승 년 후에는 양성자 자체가 붕괴를 시작할 가능성이 있으며, 이로 인해 우주에 남아 있는 물질의 종류는 극히 제한적일 것입니다.

충분히 오랜 시간이 지나면 블랙홀조차 증발하게 되고, 블랙홀이 삼켰던 모든 것은 다시 방출됩니다. 그러나 그것들은 더 이상 식별 가능한 형태가 아닌, 동등한 양의 전자기파로 방출될 것입니다.

우주의 종말이 가까워지면 모든 것이 점점 더 멀리 퍼지고, 상상할 수 없을 만큼 광범위하게 분산될 것입니다. 이 시점에서는 질량과 에너지가 서로 변환되는 일이 극히 드물어지고, 우주는 거대한 침묵에 잠기게 됩니다.

이때가 되면 아인슈타인의 방정식이 설명하는 우주의 역할도 끝나게 될 것입니다.