과학 이야기

​찻잔을 스푼으로 빙글빙글 휘저으면 찻잎은 어디로 모일까요? 원심력 때문에 컵 가장자리로 밀려날 것 같지만, 실제로는 바닥 정중앙에 소복하게 모입니다. 이를 유체역학에서는 '찻잎의 역설'이라고 부릅니다. ​알베르트 아인슈타인이 이 기묘한 현상을 명쾌하게 풀어냈습니다. 물이 회전할 때 컵 바닥과의 마찰 때문에 물살이 느려지면서 압력 차이가 발생합니다. 그 결과 바닥에서는 가장자리에서 중심을 향해 안으로 빨려 들어가는 '이차류'라는 미세한 흐름이 생겨납니다. ​바로 이 바닥의 흐름이 무거운 찻잎들을 컵 중앙으로 쓸어 담는 것입니다. 당연해 보이는 원심력을 이겨내는 마찰력의 마법, 평범한 찻잔 속에도 놀라운 유체역학이 숨어 있습니다.

조석고정 이라고도 하는데 1번공전하는중에 1번의 자전만 합니다 대표적으로 달이 이런 운동을 합니다 항상 앞면만 보여주는거죠 원인은 압도적인 중력을 가진 모행성에 너무가까운 궤도에 위성이 위치하면 그 위성의 모든 물질에 모행성 중력의 영향을 받아서 자전운동하던중 오는방향은 더 세게 올테고 가려는방향은 브레이크가 걸리고 해서 최종적으론 한면만 보여주게됩니다. 지구외 달관계에서 달만 영향을 받는건 아니고 지구도 달의 중력에 영향을 받는데 대표적인게 밀물과 썰물입니다. 그리고 지구자전도 느려지죠 10만년에 2초정도.. 고생대 땐 하루가 21~22시간이었습니다.

바나나가 SF 영화에나 등장하는 '반물질'을 만들어낸다는 사실을 아시나요? ​바나나에는 칼륨이 풍부한데, 그중 자연 상태에 극미량 존재하는 방사성 동위원소 '칼륨-40'이 붕괴하며 놀라운 일이 일어납니다. 평균적으로 75분에 한 번씩 전자의 반물질인 '양전자(Positron)'를 뿜어내거든요. ​물론 건강을 걱정할 필요는 전혀 없습니다. 이 양전자는 방출되자마자 주변의 전자와 충돌해 순식간에 소멸하니까요. 우리가 즐겨 먹는 평범하고 달콤한 과일 속에서 지금 이 순간에도 입자 물리학 현상이 조용히 일어나고 있습니다.

제가 신기한 과학 이야기를 매우 좋아하는 편입니다. 과학은 정말 신기하면서 못 할 것 같은 것들도 할 수 있게해주는 것이 너무나 도 흥미로운 것 같습니다. 흥미로운 과학 이야기를 짧고 이해하기 쉽게 알려주세요. 기다리고 있겠습니다.

힉스 보손은 모든 공간에 존재한다고 여겨지는 힉스 장의 양자화된 들뜸 상태로, 표준모형에서 스핀 0을 가진 유일한 기본 스칼라 보손이다. 다른 기본 입자들이 힉스 장과 상호작용하는 정도에 따라 질량을 갖게 되는 힉스 메커니즘과 관련되어 있다. 다만 모든 질량이 힉스 보손 자체에서 직접 만들어지는 것은 아니며, 양성자와 중성자의 질량 대부분은 쿼크와 글루온 사이의 강한 상호작용 에너지에서 비롯된다. 힉스 보손의 질량은 약 125GeV/c²이며, 2012년 CERN의 대형 강입자 충돌기에서 ATLAS와 CMS 실험을 통해 발견되었다. 힉스 장은 우주 초기의 매우 높은 에너지 상태에서 현재와 다른 대칭성을 가지고 있었으며, 우주가 냉각되면서 자발적 대칭성 깨짐이 일어나 현재의 상태가 형성된 것으로 설명된다. 힉스 보손의 성질을 정밀하게 측정하는 연구는 표준모형의 완전성을 검증하고 암흑물질이나 새로운 기본 입자 등 표준모형을 넘어서는 물리 현상을 탐색하는 데 중요한 역할을 한다.

W 보손과 Z 보손은 약한 상호작용을 매개하는 기본 입자로, 표준모형의 게이지 보손에 속한다. W 보손은 양전하를 가진 W⁺와 음전하를 가진 W⁻ 두 종류가 있으며, 전하를 바꾸는 약한 상호작용을 일으킨다. 대표적으로 중성자의 베타 붕괴에서 다운 쿼크가 업 쿼크로 변하는 과정에는 가상의 W⁻ 보손이 관여한다. Z 보손은 전기적으로 중성이며, 입자의 전하를 바꾸지 않는 중성 전류 약한 상호작용을 매개한다. 두 보손 모두 질량이 매우 커 W 보손은 약 80GeV/c², Z 보손은 약 91GeV/c²의 질량을 가진다. 이처럼 질량이 크기 때문에 약한 상호작용의 작용 범위는 약 10⁻¹⁸m 정도로 매우 짧다. W 보손과 Z 보손은 1983년 CERN에서 실험적으로 발견되어 전자기력과 약한 힘을 통합한 전약 이론을 뒷받침했다. 이들은 스핀 1의 보손이며, 힉스 장과의 상호작용을 통해 큰 질량을 얻는 것으로 설명된다.

우리가 물건을 잡거나 누군가와 손을 맞잡을 때, 실제로 두 표면이 닿는 것은 아닙니다. 물리학적으로 우리는 태어나서 단 한 번도 무언가와 진짜로 '접촉'한 적이 없습니다. ​모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 그 겉은 전자가 둘러싸고 있습니다. 전자는 마이너스(-) 전하를 띠기 때문에, 두 물체가 가까워지면 자석의 같은 극처럼 서로를 맹렬하게 밀어냅니다. ​우리가 의자에 앉아 느끼는 압박감이나 스마트폰을 쥔 손끝의 촉감은 사실 물체와 피부의 원자들이 만들어내는 전자기적 반발력을 뇌가 착각해 해석한 결과일 뿐입니다. 우리는 평생 세상의 모든 사물 위를 아주 미세하게 떠다니고 있는 셈입니다.

비가 올 때 나는 특유의 흙냄새를 맡아본 적 있나요? 이 냄새의 이름은 '페트리코(Petrichor)'입니다. ​건조한 날씨가 이어질 때, 식물은 발아를 늦추는 기름을 분비해 흙에 저장하고, 토양 박테리아는 '지오스민'이라는 화합물을 만듭니다. ​마침내 비가 내리면 빗방울이 바닥에 부딪히며 미세한 기포가 생깁니다. 이 기포가 터지면서 흙 속에 갇혀 있던 식물의 기름과 지오스민이 에어로졸 형태로 공기 중에 퍼지게 됩니다. ​우리가 비 오는 날 맡는 상쾌한 냄새는 바로 이 화학물질들이 섞여 코로 들어온 결과입니다. 빗방울이 대지와 만나 피워내는 자연의 향수인 셈이죠!

광자는 전자기력을 매개하는 기본 입자로, 전자기장의 양자화된 에너지 단위이다. 질량과 전기적 전하가 없는 게이지 보손이며, 진공에서는 항상 빛의 속도로 이동한다. 광자는 가시광선뿐 아니라 전파, 적외선, 자외선, X선 등 모든 전자기파를 구성한다. 에너지는 진동수에 비례하며 플랑크 상수를 이용해 E=hf로 나타낼 수 있다. 광자는 스핀 1을 가지지만 질량이 없기 때문에 두 가지 편광 상태만 존재한다. 전자기력은 전하를 가진 입자들이 광자를 교환하는 과정으로 설명되며, 전자와 같은 하전 입자가 가속하거나 에너지 준위가 변할 때 실제 광자가 방출되거나 흡수될 수 있다. 광자는 다른 기본 입자와 달리 정지 상태를 가질 수 없으며, 진공에서 고유시간도 흐르지 않는다. 또한 광자는 보손이므로 같은 양자 상태에 여러 개가 존재할 수 있다. 양자역학적으로 광자는 파동성과 입자성을 동시에 나타내며, 광전 효과와 이중슬릿 실험 등은 이러한 빛의 양자적 성질을 보여주는 대표적인 사례이다.

글루온은 쿼크 사이에 작용하는 강한 상호작용을 매개하는 기본 입자로, 표준모형에서 게이지 보손에 속한다. 광자가 전자기력을 전달하는 것처럼 글루온은 쿼크 사이의 강한 힘을 전달한다. 질량과 전기적 전하가 없는 것으로 알려져 있지만, 색전하라는 양자적 성질을 가지고 있어 스스로도 강한 상호작용을 한다. 이 때문에 글루온은 서로 직접 상호작용할 수 있으며, 이러한 성질은 강한 힘의 독특한 특징이다. 표준모형에서는 여덟 종류의 글루온이 존재하며, 쿼크와 글루온은 색가둠 현상 때문에 단독으로 관측되지 않는다. 쿼크 사이의 거리가 멀어질수록 강한 상호작용은 약해지지 않고 오히려 결합 에너지가 증가하며, 충분한 에너지가 공급되면 새로운 쿼크와 반쿼크 쌍이 생성된다. 반대로 매우 가까운 거리에서는 쿼크 사이의 상호작용이 약해지는 점근적 자유 현상이 나타난다. 글루온은 양성자와 중성자의 질량 대부분을 만들어 내는 강한 상호작용의 에너지와도 관련되어 있다.