이 세계는 무엇으로 이루어졌는가? (1/2)

이 세계는 무엇으로 이루어졌는가? (1/2)

--2000년 논쟁 끝의 <의외의 답>-

 

 

-일러두기-

138억 년 전 점에도 차지 않는 극소한 에너지 덩어리에서 우주는 탄생했다. 거기서 물질, 지구, 생명이 태어나 우리들의 존재에 이른다. 그러나 잠시 냉정히 생각해보면 누구도 본 일이 없는 <우주의 기원> 어떻게 해명하려고 하는지 의문이 나지 않는가?

본 연재에서는 제1선의 연구자들이 기초부터 최첨단까지를 철저히 해설한 <우주와 물질의 기원>에서 우주의 커다란 수수께끼 풀이에 안내하고자 한다.

 

　* 이 기사는 고에너지가속기연구기구 소립자원자핵연구소 편 『우주와 물질의 기원 <보이지 않는 세계>를 이해한다.』를 발췌 재편집한 것임.

 

책----우주와 물질의 기원

1, 우주는 무엇으로 되어 있는 것일까?

 

<우주는 무엇으로 되어 있는 것일까?> 이 근원적인 의문에 오랜 옛날부터 많은 사람이 생각을 했었다.

고대 그리스철학자들은 이 우주 곧 태양이나 지구라는 것이 무엇으로 되어 있는가 하고 생각했다. 이 우주는 화(火), 수(水), 토(土), 공기로 되어있다고 생각한 사람도 있고 점점 가늘게 하면 이 이상 분할할 수 없는 가는 입자에 닿을 것이라고 생각한 사람도 있다.

 

그 중에서도 고대 그리스철학자 데모크리토스(라틴어 : Democritus、BC460년경－BC370년경, 고대 그리스의 철학자)는 이 우주에 있는 것은 매우 가는 입자로 되어 있다고 생각하여 이 이상 분할할 수 없는 데까지 가늘게 해 가는 기술은 없었으므로 그의 머릿속에서만 그렇게 생각하여 믿었음에 지나지 않다.

우주는 무엇으로 되어 있는가 하는 문제는 오랜 동안 해결하지 못한 채로 있었다. 생각하기는 했지만 이 이상 분할할 수 없는 입자가 있었다고 해도 너무 작아서 실제로 볼 수 없어서 답을 정할 수가 없었다.

 

19세기 초에 영국의 과학자 존 달톤（John Dalton, 1766-1844, 영국의 화학자, 물리학자, 기상학자, 원자가설을 제창) 박사가 등장하였다. 그는 기체가 작은 입자로 되어 있다고 생각하면 기체의 화학반응을 잘 설명할 수 있다는 것을 깨달아 <물체는 원자로 되어 있다.>고 주장하였다.

단 달톤박사도 실제로 원자를 본 것은 아니다. 화학반응을 생각하는 단위로서 원자라는 사고방식을 도입하면 화학반응 전 후에 무게가 변하지 않는 이유나 반응의 전후의 양을 설명할 수 있으므로 원자가 있다고 하자고 하는 <원자가설>이었다.

 

당시에도 아직 이 우주에 있는 것이 원자와 같은 입자로 되어 있는지 어디까지 가늘게 하여도 최소의 단위는 없고 연속으로 같은 모양의 존재가 계속하는지는 과학 세계를 2분하는 대 문제였다.

달톤 박사의 <원자가설>은 화학반응을 설명할 수 있었지만 물질은 매우 작은 입자로 되어 있다고 모두를 납득시키는 증거를 나타내지는 못하였다.

 

이 세계는 입자로 되어있는지 어떤지 하는 논쟁에 결과를 맺은 것은 20세기를 대표하는 과학자의 한 사람인 아인슈타인 박사였다. 졸졸 연속하고 있다고밖에 보이지 않는 물이 실은 입자의 모임이라는 것을 나타내었다. 1827년에 영국의 식물학자 로버트 브라운 （Robert Brown、1773-1858, 영국의 식물학자) 박사에 의하여 발견된 <브라운운동>의 고찰이 계기가 되었다.

 

===브라운 운동(영: Brownian motion）=액에나 기체 중에 부유하는 미립자(예; 코로이드/（colloid）/교질)가 불규칙(Random)하게 운동하는 현상, 1827년에 로버트 브라운 박사가 발견했다.===

 

브라운 박사는 물에 화분을 띄웠을 때 화분에서 나오는 입자가 물속에서 뽀글뽀글 불규칙적으로 움직이는 것을 발견하였다. 그것이 브라운운동이다. 브라운 박사는 처음 < 무엇인가의 생명현상에 의하여 뽀글뽀글 움직이는 것일까>하고 생각했는데 화석의 가루, 광물의 가루, 연기의 입자 등의 살아있지 않는 것에도 같은 모양으로 불규칙하게 움직이므로 그 이유를 몰랐던 것이다.

 

아인슈타인 박사는 1905년에 발표한 논문에서 브라운 운동이 일어나는 것은 움직여 도는 입자 측에 이유 가 있는 것이 아니고 물이 매우 작은 입자로 되어있기 때문이라고 결론지었다.

그렇게 생각하면 화분에서 나오는 입자의 불규칙한 운동이 설명된다고 논문에 적었다.

 

조용히 멈추어 있다고 보이는 컵 속의 물도 혹시 물이 작은 입자로 되어있다면 그 입자는 움직이고 있을 터이다. 컵 속의 물의 입자는 온도가 높으면 격하게 낮으면 천천히 쉬지 않고 움직이고 있다. 물 입자가 여기저기서 누르기 때문에 화분에서 나오는 입자가 부글부글 불규칙적으로 움직이고 있는 것처럼 보이는 것이라고 아인슈타인은 발표하였다.

논문에는 화분의 움직임 관찰에서 물 입자의 크기나 수를 예측하는 수식도 적혀있다. 아인슈타인 박사의 논문은 <이 수식을 실험으로 확인하기 바란다.>고 끝맺고 있다.

 

아인슈타인 박사에 호응하여 프랑스의 물리학자 장 베랑(Jean Baptiste Perrin, 1870- 1942, 프랑스 물리학자) 박사가 화분에서 나온 입자의 운동을 세밀하게 기록하고 물 입자의 크기나 수를 계산하였다. 이 실험에 의하여 물 입자가 실제로 존재하고 있음과 달톤 박사가 나타낸 원자가설이 바르다는 것이 증명되었다.

베랑 박사는 이 공적으로 1926년에 노벨 물리학상을 수상했다.

베랑 박사의 실험으로 확인된 물의 입자의 크기는 1억분의 1센티미터 정도였다. 18 g(크기 1배정도)의 물속에는 6.02×10²³개라는 엄청나게 많은 입자가 존재하고 있음을 알았다. 이것은 다른 어떤 실험보다도 물 입자의 수를 정확하게 계산되었다.

 

이리하여 아인슈타인 박사의 논문과 베랑 박사의 실험에 의하여 물질을 만들고 있는 작은 입자, 원자의 존재가 결정적인 것이 되자 다음으로는 흥미를 끈 것이 그 모습이다.

출처=https://news.yahoo.co.jp/articles/