[비주얼 과학교과서]'신풍초에 오신 걸 환영합니다!

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“네에?! 말도 안 돼요! 오늘 첫 날이라 몰랐다니까요!”
“어쨌든 안 돼! 누구든 지각하면 들여보내지 말라는 교장선생님의 명령이야!”
학교 앞에서 한 남자애가 경비아저씨와 실랑이를 벌이고 있어요. 실랑이가 계속되던 차에 뒤쪽에서 목소리가 들려 왔어요. “전학생인 모양인데, 한번 봐주세요~. 아저씨!”
“에고, 아가씨군요. 그래도 안되는데….”
“그럼 이렇게 하면 어떨까요?”


스토리 따라잡기

교문에 담긴 비밀

“대신 교문의 선택을 받게 하는 거예요.”
시원이가 뒤를 돌아보자 거기에 예쁜 여학생이 서 있었어요. 여자애에게만 친절한 경비 아저씨의 태도에 시원이는 부아가 치밀었어요.
“아저씨! 얘도 여기 학생인 모양인데, 왜 얘는 그냥 가라는 거예요? 얘도 지각이잖아요!”
그때 여자애가 침착한 목소리로 시원이에게 말했어요.
“너 전학생이지? 난 오로라라고 해. 이 학교 5학년이지. 아직 우리 학교에 대해 모르는 게 많을 거야. 그 중에서도…, 우리 교장 선생님은 지각을 무척 싫어하셔. 그래서 마음이 내키실 때까지 교문 앞에서 기다리게 하는데, 몇 달 걸려 학교 안으로 들어온 학생도 있었다고 해.”
오로라의 말에 시원이는 기가 막혔어요.
“뭐? 여기서 마냥 기다리라고? 이 짐을 좀 봐! 이걸 메고 2시간이나 걸어 들어왔다고!”이미지 확대하기
시원이의 말에 오로라가 침착하게 설명을 계속 했어요.
“그러니까 교문의 선택을 받으라는 거야. 그거라면 괜찮죠, 아저씨?”
오로라의 말에 경비 아저씨가 주춤거리며 대답했어요.
“그…, 그거라면….”
오로라의 설명에 시원이는 호기심이 생겼어요.
“좋아! 그런데 교문의 선택이란 게 뭐야?”
“단순해. 교문에 새겨진 그림이 무엇에 대한 것인지 잘 설명하면 교문이 저절로 열려.”
“진짜? 신기하네! 그럼 어디 보자….”
시원이는 요리조리 교문을 둘러보기 시작했어요. 일단 교문은 그 크기가 엄청났어요. 거대한 석상처럼 돌로 만들어진 교문에는 웬 그림들이 새겨져 있었지요.
“물, 불, 바람…, 그리고 원자 모형인가?”

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비주얼 과학 개념 이해하기

물질을 이루는 입자

우리 주변에는 장난감, 옷, 신발 등 많은 물체들이 있어요. 그리고 이 물체들은 가죽, 면, 고무, 합성 섬유 등 다양한 물질로 이루어져 있지요.

이처럼 우리 주변에서 흔히 찾을 수 있는 ‘모양을 지니고 공간을 차지하고 있는 것’을 ‘물체’라고 해요. 그리고 이런 ‘물체들을 만드는 재료’를 ‘물질’이라고 부르지요.

오래 전부터 사람들은 물질이 무엇으로 이루어져 있는지 궁금해 했어요. 기원전 6세기 경, 고대 그리스의 철학자 탈레스는 우주 만물의 근원을 ‘물’이라고 말했어요. 아낙시메네스는 만물의 근원이 ‘공기’라고 했고, 엠페도클레스는 세상이 물, 공기, 불, 흙, 이 ‘4원소’의 사랑과 다툼 속에서 생겨났다고 주장했지요. 기원전 4세기 경 데모크리토스는 물체가 매우 작은 입자인 ‘원자’로 이루어져 있다고 주장했어요.

이후 거의 2000년이 지나서야 원자는 과학적으로 설명될 수 있었어요. 1803년 영국의 화학자 존 돌턴은 ‘모든 물질은 더 이상 깨어지지 않는 작은 입자인 원자로 이루어져 있다’는 ‘원자설’을 주장했어요. 이후 원자도 깨어질 수 있다는 사실이 밝혀지면서 돌턴의 원자설이 맞지않는다는 게 알려졌어요. 하지만 돌턴의 원자설은 원자라는 개념을 과학적으로 이해하고 연구하는 데 큰 역할을 했답니다.

이제 과학자들은 원자가 원자핵과 전자로 구성돼 있다는 것을 알고 있어요. 그리고 원자핵 역시 양성자와 중성자로 이루어져 있고, 양성자와 중성자는 다시 ‘쿼크’라는 더 작은 입자로 구성돼 있지요.

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융합 개념 파헤치기

K-pop으로 만나는 현대물리
 
 
‘웜홀’, ‘신의 입자’, ‘Atomic’, ‘Fractal’, …. 현대물리학 책에나 나올 법한 단어들이죠? 그런데 이 단어들이 걸그룹의 노래 가사로 쓰여졌다면…?

지난해 11월, 걸그룹 ‘브라운 아이드 걸스’가 1년 3개월 만에 새로운 앨범을 발표하며 화제가 됐어요. 노래 제목뿐만 아니라 가사에 위와 같은 현대 물리와 수학 개념들이 등장하거든요.

먼저 ‘웜홀’은 우주 공간에서 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로로, 종종 우주의 시간과 공간의 벽에 난 구멍에 비유돼요. 지난해 개봉한 영화 <인터스텔라>에서 이 웜홀을 환상적으로 묘사해 큰 관심을 모았지요.

한편, ‘Fractal(프랙탈)’은 ‘작은 구조가 전체구조와 비슷한 형태로 끝없이 되풀이 되는 기하학적인 구조’를 말해요. 프랙탈은 자연에서 흔히 볼 수 있어요. 브로콜리나 동물의 혈관 분포 형태, 해안선 등이 프랙탈의 예지요.

이번 기사와 관련이 있는 노래는 ‘Atomic(원자의)’과 ‘신의 입자’예요. 두 곡에는 ‘점점 더 빨라지는 전자의 속도’, ‘다들 찾아내지 못하지, 니 마음 속 쿼크의 장난’과 같은 가사가 들어 있어요.

‘Atomic’은 ‘원자의’라는 뜻이에요. 앞서 원자가 화학적인 특성을 잃지 않는 범위에서 더 이상 쪼개지지 않는 기본 입자라고 배웠죠? 그런데 ‘신의 입자’란 건 뭘까요?

과학자들은 ‘세상이 무엇으로 이루어져 있을까?’에 대한 답을 찾기 위해 계속해서 연구해왔어요. 그 결과 쿼크까지 찾아냈지요. 그리고 쿼크를 포함한 기본 입자와 소립자 세계의 질서를 나타내는 기본 모형인 ‘표준모형’을 만들었어요. 표준이론을 만든 물리학자 셸던 글래쇼와 스티븐 와인버그, 압두스 살람은 1979년 노벨물리학상을 받았답니다.
 
 
이 표준모형에서 가장 중요한 입자가 바로 ‘신의 입자’예요. 신의 입자는 ‘힉스’라는 입자의 별명이에요. 힉스는 다른 모든 입자들의 질량을 결정하는 막중한 임무를 수행하는 가운데 탄생하기 때문에 ‘신의 입자’란 별명을 얻게 됐지요.
 


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힉스는 1960년대 영국의 과학자 피터 힉스가 처음 이론적으로 예측했지만, 존재하는 시간이 너무 짧아 직접 관측되지 못했어요. 그러다가 2012년, 유럽입자물리연구소(CERN)에서 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 마침내 힉스를 발견했어요.

힉스 입자의 발견으로 표준모형은 완성될 수 있었어요. 이로써 인간이 2000년 넘게 품어온 ‘세상은 무엇으로 이루어져 있는가’ 질문에 대한 답을 할 수 있게 됐지요. 하지만 표준모형은 아직도 완벽한 답을 내놓진 못하고 있어요. 힉스의 발견은 표준모형의 1차적인 완성이자 우주의 비밀을 풀기 위한 또 다른 숙제가 됐답니다.

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일러스트 : 이창섭

글 : 김정 기자 ddanceleo@donga.com
어린이과학동아 2016년 01호


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