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왜 토성은 물에 뜰까?

우리가 일상에서 흔히 접하는 물은 물체의 뜨고 가라앉음을 결정하는 중요한 기준이 됩니다. 과거 인류는 무게를 측정하는 정밀한 도구가 없던 시절, 물을 저울처럼 활용하여 질량의 단위를 정하기도 했습니다. 물 1cm³의 무게를 1g으로 정의함에 따라 물의 밀도는 정확히 1g/cm³가 되었고, 이는 모든 물질의 부피당 무게를 비교하는 척도가 되었습니다. 어떤 물체가 물에 뜨기 위해서는 그 물체의 밀도가 물보다 작아야 하며, 반대로 밀도가 크면 가라앉게 됩니다. 거대한 쇠로 만든 배가 바다에 뜰 수 있는 이유도 전체 부피를 키워 평균 밀도를 낮췄기 때문입니다. 태양계의 행성들을 거대한 바다에 넣는다고 가정하면, 암석형 행성들은 예외 없이 바닥으로 가라앉을 것입니다. 지구의 밀도는 약 5.52g/cm³로 물보다 5배 이상 무거우며, 수성, 금성, 화성 역시 각각 5.43, 5.24, 3.93g/cm³의 높은 밀도를 가지고 있습니다. 이들은 태양과 가까운 곳에서 형성되면서 높은 온도와 강력한 태양풍의 영향을 받았습니다. 그 과정에서 가벼운 기체들은 멀리 날아가 버리고 철이나 규소 같은 무거운 물질들이 주로 남게 되었습니다. 결국 단단한 암석 지각을 가진 이 행성들은 물속에서 결코 떠오를 수 없는 운명을 지니고 있습니다. 반면 태양에서 멀리 떨어진 곳에서 탄생한 가스형 행성들은 암석형 행성과는 전혀 다른 특성을 보입니다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 온도가 낮은 환경 덕분에 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소들을 대량으로 끌어모을 수 있었습니다. 이로 인해 이들은 거대한 크기에 비해 밀도가 매우 낮게 형성되었습니다. 목성의 밀도는 1.33g/cm³, 천왕성은 1.27g/cm³, 해왕성은 1.64g/cm³ 수준입니다. 비록 암석형 행성보다는 훨씬 가볍지만, 여전히 물의 밀도인 1보다 크기 때문에 이들 역시 이론적으로는 물속으로 가라앉게 됩니다. 태양계에서 가장 독특한 밀도를 가진 행성은 바로 토성입니다. 토성의 밀도는 약 0.69g/cm³로, 태양계 행성 중 유일하게 물보다 밀도가 낮습니다. 수치상으로만 본다면 토성은 거대한 수조 안에서 물 위에 둥둥 뜰 수 있는 유일한 천체인 셈입니다. 하지만 실제 상황은 상상만큼 단순하지 않습니다. 토성을 담을 수 있는 거대한 수조를 만든다면, 그 수조 자체가 가진 엄청난 중력과 수압으로 인해 물의 상태가 변하게 됩니다. 토성을 물에 넣기도 전에 강력한 중력 상호작용이 발생하며, 토성을 구성하는 물질들이 수조의 중력에 이끌려 빨려 들어가는 현상이 나타날 것입니다. 결국 토성을 물에 띄우려는 시도는 토성이 원래의 형태를 유지하지 못한 채 물과 섞여버리는 결과로 이어질 것입니다. 마치 물에 넣은 솜사탕처럼 토성의 대기를 이루는 수소와 헬륨은 물 위로 떠올라 기름막처럼 층을 형성하고, 중심부의 무거운 금속 성분들은 아래로 가라앉게 됩니다. 비록 우리가 상상하는 것처럼 행성이 공처럼 예쁘게 떠 있는 모습은 볼 수 없겠지만, 이러한 가상 실험은 천체의 구성 성분과 형성 원리를 이해하는 데 큰 도움을 줍니다. 거대한 우주의 신비를 밀도라는 간단한 과학적 원리로 풀어보는 과정은 우리에게 색다른 지적 즐거움을 선사합니다.

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[석학인터뷰] 암흑물질의 실체는?ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁4

우주를 구성하는 물질 중 우리가 눈으로 볼 수 있는 것은 극히 일부분에 불과합니다. 암흑물질은 빛을 내지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 은하의 운동이나 중력 효과를 통해 그 존재가 확실시되고 있습니다. 현재 우리가 보유한 광학이나 전파 망원경은 물리적 세계의 아주 좁은 스펙트럼만을 포착할 뿐입니다. 따라서 관측되지 않는 더 많은 물질이 존재한다는 사실은 과학적으로 매우 당연한 귀결이라 할 수 있습니다. 암흑물질은 현대 천문학이 풀어야 할 가장 거대한 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 초기 연구자들은 암흑물질의 정체를 블랙홀이나 갈색왜성처럼 빛을 내지 않는 거대 천체인 '마초(MACHO)'에서 찾으려 했습니다. 하지만 정밀한 탐사 결과, 이러한 천체들은 필요한 암흑물질 양의 약 20% 정도만을 설명할 수 있다는 한계가 드러났습니다. 이에 따라 과학계의 관심은 '윔프(WIMP)'라고 불리는 약하게 상호작용하는 무거운 입자로 옮겨갔습니다. 윔프(WIMP)는 우주 초기에 생성된 소립자로 추정되며, 전자기적 상호작용은 거의 하지 않으면서도 질량을 가지고 있어 암흑물질의 유력한 후보로 오랫동안 주목받아 왔습니다. 문제는 수많은 실험과 검증 과정에도 불구하고 아직 윔프(WIMP)의 실체가 발견되지 않았다는 점입니다. 입자 물리학자들이 예측한 소립자 형태의 암흑물질을 찾으려는 시도가 잇따라 실패하면서, 일각에서는 근본적인 의문을 제기하기 시작했습니다. 만약 암흑물질이 실재하지 않는다면, 우리가 알고 있는 뉴턴 역학이나 중력 이론 자체가 수정되어야 할지도 모릅니다. '수정 뉴턴 역학(MOND)'과 같은 대안 이론들이 거론되는 이유도 바로 이 때문입니다. 기존의 이론적 틀을 넘어서는 거시적인 관점의 전환이 필요한 시점이 다가오고 있습니다. 암흑물질의 또 다른 가능성은 초기 우주의 뜨거웠던 흔적인 '화석 입자'에서 찾을 수 있습니다. 우주 탄생 직후의 고온·고밀도 상태에서는 오늘날과는 비교할 수 없을 정도로 다양한 입자들이 만들어졌을 것입니다. 대부분의 입자는 우주가 팽창하고 식어가는 과정에서 소멸했지만, 일부 안정한 입자들은 화석처럼 남아 오늘날까지 중력적인 영향력을 행사하고 있을 가능성이 큽니다. 이러한 입자들은 일반적인 방법으로는 검출되지 않기에, 강입자 가속기(LHC)와 같은 거대 장치를 통해 그 흔적을 추적하려는 노력이 계속되고 있습니다. 최근 가장 매력적인 후보로 떠오른 것은 '액시온(Axion)'입니다. 본래 액시온(Axion)은 핵물리학의 강한 상호작용 문제를 해결하기 위해 도입된 가상의 입자였으나, 그 성질이 암흑물질과 완벽하게 부합한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 우리 우주가 4차원을 넘어 더 높은 차원을 가지고 있다는 가설 아래 등장한 '칼루자-클라인 입자'나 '원시 블랙홀' 등도 흥미로운 후보군입니다. 특히 액시온(Axion)은 초끈 이론과도 궁합이 잘 맞아, 단순한 가설을 넘어 우주의 근본 원리를 설명하는 핵심 열쇠가 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 이유경, 이필진, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
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[강연] 태양계의 기원과 탐사 _ by심채경ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 2강 | 2강

태양계는 거대한 성운 속에서 기체와 먼지가 뭉치며 탄생했습니다. 초신성 폭발과 같은 외부의 충격으로 밀도 차이가 생기자 중력이 물질을 끌어당기기 시작했고, 중심부에서는 태양이, 주변 원반에서는 행성들이 자라났습니다. 이 과정에서 태양과 가까운 곳은 뜨거운 온도로 인해 암석형 행성이 형성되었고, 먼 곳은 휘발성 물질이 얼어붙으며 목성형 행성이 되었습니다. 이러한 질서 정연한 배치는 태양계 형성 초기의 역동적인 물리 법칙이 만들어낸 결과물입니다. 소행성은 태양계 초기의 환경을 고스란히 간직한 '타임캡슐'과 같습니다. 최근 인류는 류구나 베누 같은 소행성에 탐사선을 보내 고해상도 사진을 촬영하고 시료를 채취하는 데 성공했습니다. 소행성 표면의 암석 알갱이들은 수십억 년 전의 정보를 담고 있어, 이를 분석하면 지구가 어떻게 물과 유기 물질을 얻게 되었는지 밝힐 수 있습니다. 작은 천체들에 대한 탐사는 결국 우리 생명의 기원을 찾는 여정이며, 우주라는 거대한 역사의 첫 페이지를 읽는 작업입니다. 달은 지구와 형제 같은 관계를 맺으며 탄생했습니다. 거대한 천체가 원시 지구와 충돌하면서 튕겨 나간 파편들이 다시 뭉쳐 달이 되었고, 이후 수많은 운석이 쏟아진 '후기 대충돌기'를 거치며 지금의 모습을 갖추게 되었습니다. 특히 달의 앞면에서 볼 수 있는 어두운 바다 지형은 거대 운석 충돌로 분출된 용암이 식으면서 형성된 것입니다. 달은 지구의 과거를 비추는 거울이자, 인류가 더 먼 우주로 나아가기 위해 반드시 거쳐야 할 전초기지로서 중요한 가치를 지닙니다. 인류의 시야를 태양계 끝자락까지 넓혀준 것은 보이저 탐사선이었습니다. 1977년 발사된 보이저 1, 2호는 목성의 대적반이 소용돌이치는 태풍임을 밝혀냈고, 토성과 천왕성, 해왕성의 신비로운 고리들을 포착했습니다. 특히 지구로부터 멀리 떨어진 곳에서 촬영한 '창백한 푸른 점' 사진은 인류에게 깊은 성찰을 안겨주었습니다. 광활한 우주 속에서 지구는 단 한 점의 픽셀에 불과하다는 사실은, 우리가 이 작은 행성을 얼마나 소중히 가꾸고 서로를 아껴야 하는지 일깨워줍니다. 대한민국 또한 '다누리(KPLO)'를 통해 본격적인 우주 탐사 시대를 열고 있습니다. 이 궤도선은 고해상도 카메라와 편광 카메라, 그리고 햇빛이 전혀 들지 않는 영구 음영 지역을 관측하는 섀도캠 등 첨단 장비를 탑재하고 있습니다. 특히 달의 극 지역에서 물과 얼음의 흔적을 찾는 임무는 향후 인류의 달 거주 가능성을 타진하는 핵심적인 연구가 될 것입니다. 이는 단순한 기술 과시를 넘어, 세계 우주 탐사국들과 어깨를 나란히 하는 과학적 도약입니다. 화성은 생명체의 흔적을 찾으려는 인류의 열망이 집중되는 곳입니다. 퍼서비어런스 로버는 화성 표면에서 시료를 채취하여 보관하고, 향후 다른 탐사선이 이를 지구로 가져오는 원대한 계획을 수행하고 있습니다. 과거 화성에 물이 흘렀던 흔적을 추적하는 것은 지구 외에 생명이 존재할 수 있는 환경을 이해하는 열쇠가 됩니다. 로봇을 이용한 무인 탐사는 미래에 인류가 직접 화성에 발을 내딛기 위한 필수적인 준비 과정이며, 외계 생명체 탐색의 가장 최전선이라 할 수 있습니다. 이제 우주 탐사는 국가 주도의 '올드 스페이스'를 넘어 민간이 주도하는 '뉴 스페이스' 시대로 진화하고 있습니다. 달 궤도 우주 정거장인 '루나 게이트웨이' 건설과 더불어 우주 여행, 우주 택배와 같은 상업적 서비스가 현실화되고 있습니다. 또한 토성의 위성 타이탄에 드론을 보내 대기를 비행하며 탐사하는 '드래곤플라이' 미션처럼 혁신적인 시도들이 이어지고 있습니다. 우주는 더 이상 동경의 대상이 아니라 인류의 활동 영역이 확장되는 새로운 기회의 장이 되고 있습니다.

심채경

카오스재단카오스강연

천문학

[과학자가 쓴 과학책#4] 블랙홀 강의 by우종학 | KAOS X 공원생활 특집 | 김태훈의 게으른 책읽기

블랙홀은 일상에서 흔히 쓰이는 단어지만 그 실체를 명확히 정의하기는 쉽지 않습니다. 현대 물리학의 관점에서 블랙홀은 시공간의 극단적인 휘어짐으로 정의됩니다. 고전역학적으로는 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나올 수 없는 어떤 중력적인 실체를 의미하죠. 우리는 흔히 시간과 공간을 분리해서 생각하지만, 블랙홀과 같은 극한의 환경에서는 이 둘이 하나로 얽힌 시공간의 개념으로 이해되어야 합니다. 이러한 시공간의 왜곡은 단순히 이론적인 가설을 넘어 우주의 신비를 담고 있는 거대한 상징과도 같습니다. 블랙홀의 현대적 개념은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 출발했습니다. 천재 과학자 슈바르츠실트는 아인슈타인의 방정식을 풀어 별이 붕괴하여 블랙홀이 될 수 있음을 수학적으로 증명해냈죠. 흥미로운 점은 정작 아인슈타인 본인도 초기에는 블랙홀의 존재를 부정했다는 사실입니다. 무한히 작은 점에 엄청난 질량이 모인다는 설정이 당시의 물리적 상식으로는 받아들이기 힘든 기괴한 현상으로 보였기 때문입니다. 이는 과학적 진리가 때로는 당대의 고정관념을 뛰어넘는 파격적인 모습으로 다가온다는 점을 시사합니다. 별의 일생은 중력과 압력의 끊임없는 투쟁입니다. 태양보다 수십 배 큰 질량을 가진 별은 수명을 다한 뒤 중력 붕괴를 멈추지 못하고 결국 블랙홀이 됩니다. 백색왜성이나 중성자별 단계의 압력조차 이 거대한 중력을 이겨내지 못할 때, 물질은 무한히 작은 공간으로 수렴하게 됩니다. 물리학자들은 이 영역을 '특이점'이라 부르는데, 이는 인류가 가진 지식의 지평선을 넘어서는 미지의 영역입니다. 블랙홀 내부로 들어간 질량은 사라지지 않고 그대로 유지되며 그 주변의 강력한 중력장으로 자신의 존재를 끊임없이 드러냅니다. 블랙홀 연구는 단순히 천체를 관측하는 일을 넘어 인류 지성의 경계를 확장하는 과정입니다. 수많은 과학자는 뉴턴이 말한 '거인의 어깨' 위에서 조금씩 지식의 지평을 넓혀왔습니다. 블랙홀은 바로 그 지평선의 가장자리에 위치한 주제로, 우리가 아직 모르는 것이 많기에 더욱 매력적입니다. 이미 밝혀진 사실에 안주하기보다 미지의 영역을 탐구하며 지적 호기심을 충족시키는 행위는 인류 문명을 발전시키는 원동력이 됩니다. 과학은 마치 미술관의 작품처럼 자주 접하고 관심을 가질수록 그 깊은 맛과 가치를 느낄 수 있는 예술과도 같습니다. 현대 사회에서 과학은 종종 실용적인 도구로만 여겨지곤 합니다. 하지만 과학의 진정한 가치는 인간에게 무한한 상상력을 부여하고 삶의 근원적인 의미를 되새기게 하는 데 있습니다. 먹고사는 문제를 넘어 '우리는 어디서 왔는가'와 같은 철학적 질문에 답을 찾아가는 과정이 바로 천문학의 본질입니다. 아인슈타인이 강조했듯 상상력은 호모 사피엔스를 인간답게 만드는 가장 중요한 능력입니다. 블랙홀이라는 신비로운 대상을 통해 우주의 역사를 배우는 일은 각박한 일상 속에서 우리 삶의 지평을 넓혀주는 소중한 지적 경험이 될 것입니다.

우종학

카오스재단읽다과학

천문학

[2019전국과학송경연대회] (고등) 옳은과학, 스윙바이

우주 탐사선이 광활한 심우주를 항해할 때 직면하는 가장 큰 제약 중 하나는 바로 연료의 한계입니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 '스윙바이'라는 지혜로운 항법을 고안해냈습니다. 이는 탐사선이 행성이나 위성과 같은 천체의 중력권을 통과하며 그 중력을 이용해 속도를 조절하는 항법입니다. 연료를 직접 연소시키지 않고도 천체의 공전 에너지를 빌려 가속하거나 감속할 수 있어, 먼 우주로 나아가는 탐사선에게는 필수적인 항법으로 자리 잡았습니다. 스윙바이의 원리는 마치 달리는 기차에 올라탔다가 반대 방향으로 뛰어내리는 물리적 작용과 비슷합니다. 탐사선이 행성에 접근하면 행성의 강력한 중력이 탐사선을 끌어당기며 속도를 높여줍니다. 이때 탐사선은 행성의 공전 속도 중 일부를 나누어 받게 되는데, 이 과정에서 행성은 아주 미세하게 속도가 줄어들지만 탐사선은 엄청난 추진력을 얻게 됩니다. 이러한 과학적 현상은 누군가에게 자신의 모든 에너지를 내어주고 멀리 떠나보내는 헌신적인 모습과도 닮아 있습니다. 이 항법 덕분에 인류는 보이저호나 카시니호와 같은 탐사선을 태양계 외곽까지 성공적으로 보낼 수 있었습니다. 만약 스윙바이가 없었다면 탐사선은 엄청난 양의 연료를 실어야 했을 것이고, 이는 발사 무게의 증가로 이어져 탐사 자체가 불가능했을지도 모릅니다. 중력이라는 자연의 힘을 이용해 물리적 한계를 뛰어넘는 스윙바이는 과학적 효율성을 넘어, 우주라는 거대한 공간에서 우리가 어떻게 자연의 힘을 빌려 더 먼 곳으로 나아갈 수 있는지를 보여주는 사례입니다.

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물리학
천문학

[석학인터뷰] 이강영_ E=mc^2, 에너지 보존법칙 싹 다 정리합니다 | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

물리학자는 자유로운 상상가이기보다 데이터와 우주라는 자연의 법칙에 묶여 있는 탐구자입니다. 지난 20여 년간 유럽입자물리연구소(CERN)의 LEP와 LHC, 그리고 미국의 테바트론 같은 거대 가속기들은 새로운 물리 현상을 발견하는 핵심적인 무대가 되어왔습니다. 이곳에서 이론을 실제로 구현하고 새로운 상호작용이나 입자 그리고 대칭성을 찾아내는 과정은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 연구 분야입니다. 우리가 알고 있는 이론이 가속기라는 거대한 실험 장치 속에서 어떻게 증명되는지를 지켜보는 것은 우주의 비밀을 푸는 첫걸음이라 할 수 있습니다. 현재 입자물리학의 표준모형은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 정교하게 우주를 설명하고 있습니다. 하지만 이 완벽해 보이는 이론에도 여전히 우리가 납득하지 못하는 공백이 존재합니다. 예를 들어 입자 세대 간의 관계나, 표준모형 너머에 존재할 새로운 물리 법칙에 대한 의문은 여전히 남아 있습니다. 이에 따라 최근의 연구는 천체물리학적 관점에서 암흑물질의 정체를 규명하는 방향으로 확장되고 있습니다. 보이지 않는 존재를 탐구하고 실험하는 과정은 물리학이 나아가야 할 새로운 지평을 제시합니다. 에너지가 원래부터 존재해서 보존되는 것이 아니라, 이 세상에 무언가 변하지 않고 보존되는 것이 있다는 믿음에서 에너지라는 개념이 정립되었습니다. 즉, 관찰과 실험을 통해 확인된 '보존되는 물리량'을 우리가 에너지라고 부르기로 약속한 것에 가깝습니다. 이러한 관점의 전환은 에너지를 단순한 수치가 아닌, 우주의 질서를 유지하는 근본적인 속성으로 이해하게 만듭니다. 보존이라는 속성이야말로 에너지를 정의하는 가장 중요한 열쇠이며, 물리학의 근간을 지탱하는 핵심 원리로서 우리 곁에 존재하고 있습니다. 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지의 근원임을 시사합니다. 하지만 이 식의 진정한 의미는 운동항이 포함된 전체 관계식 속에서 더욱 명확해집니다. 평상시 우리는 질량 속에 내재된 거대한 에너지를 거의 느끼지 못하며 살아갑니다. 이는 마치 지표면에 있을 때 지구 중심까지의 거리를 의식하지 않는 것과 비슷합니다. 그러나 입자가 매우 높은 에너지 상태에 도달하게 되면, 질량이 부여하는 에너지와 운동을 통해 얻는 에너지의 효과를 동시에 체감하게 됩니다. 고에너지 상태는 우리가 미처 깨닫지 못했던 질량의 본질을 드러내는 순간입니다. 물질의 가장 기본적인 성질 중 하나인 스핀은 순수하게 양자역학적인 효과로 나타나는 독특한 현상입니다. 이는 고전적인 물리 상식으로는 설명하기 어려운 영역이며, 양자역학의 신비로움을 이해하는 핵심적인 주제이기도 합니다. 과학적 지식을 습득할 때는 훌륭한 저술가의 논리라도 비판적으로 수용하는 태도가 필요합니다. 에너지가 무엇인지 한마디로 정의하기는 어렵지만, 그것이 왜 필요했는지와 어떤 속성을 지니고 있는지를 추적하는 과정은 현대 물리학이 상대성이론과 양자역학을 만나 보여주는 놀라운 세계로 우리를 안내할 것입니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학