물리학으로 보는 우주의 빅픽처

입자를 정의한 이런 모형을 스탠다드 모델 표준 모형이라고 불러요. 그래서 현재 저희가 알고 있기로는 이 표에 있는 17개의 입자가 우주를 이룬게 필요한 모든 입자입니다.

안녕하세요. 14주차 소입니다. 14주차는 제목이 좀 이상하죠? 빅픽처라고 해서 저희가 물리학에서 배워야 될 중요한 내용들을 다 배웠을 수 있는 건 아니겠죠? 더 많은 물리가 있지만 기초 수준에서 알아야 될 핵적인 내용들은 대충 다 다뤄별 수 있고요. 저희 14주차에서는 그 물리의 개념들을 가지고 빅픽처 말 그대로 큰 그림, 이 세상 전체를 바라보는 큰 그림을 한번 그려보려고 합니다. 그래서 여기에 딸려있는 부재랄까? 또는 학습 목표라고 할 수 있는데 세상에 존재하는 모든 것을 물리의 눈으로 보는 겁니다. 그래서 가장 작은 것부터 시작해서 가장 큰 것까지 차근차근 물리학은 그것들에 대해서 무슨 이야기를 우리한테 해주는지를 가지고 같이 한번 이야기를 나눠보려고 해요. 우선 저희 첫 번째 1차 시에서는 가장 작은 것과 가장 큰 것 두 개를 동시에 소개를 하려고 해요. 즉 가장 작은 것은 기본 입자고요. 가장 큰 것은 우주 그 자체가 되겠죠? 우선 먼저 기본 입자 이야기를 해야 할 텐데 저희가 전에 양자역과학 시간에 이 원자에 대한 이야기를 여러 차례 했었죠?

원자는 모든 물질을 이루는 기본이기 때문에 그렇습니다. 그런데 원자란 것도 사실 그 자체의 어떤 구조가 더 있었거든요. 일단 기본적으로 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 도는 것이 원자의 구조니까 우선 이것만 봐도 구조가 있는 거죠. 그때 저희가 자세하게 이야기하지 않았던 것은 바로 이 원자핵입니다. 양성자와 중성자로 되어 있고 양의 전기를 띈다. 여기까지만 이야기를 했었죠. 이제 저희가 물질의 기본 입자라고 할 때에는 바로 이 원자핵을 조금 더 들어가서 그 안에 무엇이 있는지를 보겠다는 겁니다. 그래서 이 그림을 보시는 것처럼 원자의 크기는 대략 10에 마이너스 10승 미터 혹은 10에 마이너스 8승 센티미터

하지만 그 안에 들어있는 원자액은 훨씬 작다고 했죠 그러니까 10에 마이너스 14승 15승 미터 혹은 10에 마이너스 12승 센티미터 사실 가늠하기 힘든 만큼 작은 그런 것인데요 이 원자액조차도 사실은 구조가 더 있어요 원자액은 양성자와 중성자로 되어 있는데 사실 양성자조차도 혹은 중성자조차도 더 작은 구조를 그 안에 가지고 있습니다 그래서 여기서 퍼크라는 더 작은 구조가 나오는데 아마 이 이름을 들어보신 분도 있을 것 같아요 사실 이 작은 구조로 가는 이 이야기는 동영상을 먼저 하나 같이 보시면 훨씬 더 재미있을 것 같아서 동영상을 준비해봤습니다 동영상 같이 보시죠

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네 지금 보신 것처럼 그 인간 크기부터 시작해서 쭉 안으로 줌 인해 들어가면은 마지막에 쿼크까지 도달하게 되는데 거기가 현재 우리 물리학이 발견한 가장 작은 세계입니다. 물론 아마 과학 교양서적을 읽으신 분들은 촉근이론이라는 얘기도 들은 적이 있을텐데 아직 촉근이론은 시험적 증거가 없기 때문에 제가 이 수업에서는 다루지 않을 겁니다. 현재 물리학에서 공인된 가장 작은 것은 쿼크라고 할 수 있는데 쿼크가 발견되게 된 데에는 약간의 역사가 있어요. 자세하게 이야기하지는 않겠지만 우선 저 원자핵이 무엇으로 되어 있는지를 알기 위해서는 원자핵 안을 들여다봐야 하는데 원자핵 안을 들여다볼 수 있는 방법은 딱히 없어요. 그래서 물량자들이 쓰는 방법은 원자핵을 부시는 겁니다.

바깥에서 원자핵을 향해서 작은 입자를 양성자나 전자 같은 입자들을 던져 넣으면은 아주 빠른 속도로 던져 넣으면은 마치 유리잔에다 양공을 던지면 유리잔이 깨지듯이 이 원자핵이 산산조각이 납니다. 산산조각난 이 원자의 이 부서진 잔해들을 바깥쪽에서 하나씩 하나씩 살펴보면 아 원자핵은 이런 것들도 되어 있구나 하고 알 수 있겠죠. 아름다운 그림 같다고 할 수도 있겠지만 이게 바로 부서진 원자핵에서 튕겨 나오는 수많은 입자들을 보여주는 건데요. 이게 왜 백글백을 동의하면은 저희가 전자기학 시간에 잠깐 되었지만 여기엔 지금 전기장에 자기장이 걸려있어요. 그러니까 이 자기장이 걸린 곳에서 움직이는 입자들은 어느 동안 되어있는가 이와 같이 복잡한 계절이 나오는데 그런데 문제는 뭐냐면은 이런 것들을 분석하다 보니 놀랍게도 너무너무나 많은 입자들이 가려있어요. 자 지금은 저희가 원자핵이 양성자와 중성자로 되어 있다고만 알고 있는데 이 양성자는 중성자를 뽀개 보니까 이 안에서는 수백 개의 입자가 만들어집니다.

그러니까 이건 너무한 거죠. 주기율표조차도 우리가 알고 있는 것이 118가지 원자인데 이 양성자와 중성자의 안을 들여다봤더니 그 안에 있는 기본입자는 사실 몇 개밖에 안 나와야 되잖아요. 그래야 기본입자가 있을 텐데 여기서 진짜 상상될 수 없이 많은 수백 개의 입자가 나온 겁니다. 뭔가 좀 이상하죠. 그래서 여기서 새로운 아이디어가 나오는데 사실 발견된 많은 입자들을 잘 분류를 해보면 분류한다는 것이 어려운 개념인데요. 여러분이 알고 있는 색깔이나 길이나 이런 걸로 한 건 아니고 훨씬 더 추상적인 물리적인 어떤 양들을 이용하는데 설명하지는 않을게요. 그런 양들을 이용해서 이 수많은 발견된 입자들을 잘 분류 해봤더니 무언가 이 안에는 좀 더 구조화된 특성이 있는 것 같다는 거에요. 무슨 말이냐면 단축된 것은 수십 개의 기본입자 같지만 이 기본입자들이 실제 기본입자는 아니고 이 안에 더 근본적인 것들이 있어서 그것들 몇 개가 이 모든 걸 만들어내는 것 같다는 거죠. 그래서 이제 수학적인 제안 수학적 모형이 제안되게 되는데 바로 그것이 기본입자 입니다. 저희가 온난일학에는 그렇게 만들어진 우주의 모든 기본입자를 정의한 이런 모형을 키센다드 모델 표준 모형이라고 불러요. 그래서 현재 저희가 알고 있기로는 이 표에 있는 17개의 입자가 우주를 이루는 데 필요한 모든 입자입니다. 물론 거짓말이네요. 왜냐하면 모델이라고 만드는 것이 하나 빠져 있거든요. 하나 빠진 것이 바로 중력과 관련되는 그래서 우주에 존재하는 모든 것은 여기는 17가지로 되는데 17가지는 크게 두 종류로 남을 수 있어요

왼쪽에 있는 것이 세르미온이라는 거고 오른쪽에 있는 것이 보존이라는 겁니다. 그래서 세르미온은 드로 물질을 만들어요. 여러분 주위에 딱딱하게 보이는 모든 것들은 세르미온으로 만들어진 겁니다. 이 세르미온은 크게 두 개로 나뉘는데 위쪽에 있는 것을 쿼크라고 하고요. 아래쪽에 있는 것을 레폰이라고 합니다. 아마 레폰이라는 단어는 처음 들어보신 분들이 많을 것 같아요. 가벼운 입자라는 뜻인데요. 레폰 가운데 가장 유명한 것이 전자죠. 전자는 저기 되었죠. 자 쿼크들이 위에 있는데 사실 또 이 세르미온은 아래 위로 나눌 수 있지만 이 세로 방향으로 나눌 수 있어요. 이 세대 3세대 사실 이 스탠다드 모형에 따르면 이 세대가 몇 개 있어야 하는지는 규정이 없습니다. 그러니까 현재까지 밝혀진 것이 발견된 것이 3세대까지인 것이죠. 자 이렇게 여기 12개의 기본 세르미온 입자들이 있고 오른쪽에 있는 5개의 보존은 이건 물질을 이루는 이런 뼈대가 되는 것이 아니라 이 물질 과 물질 사이에 힘을 매개하는 입자입니다. 어려운 개념이죠. 보통 우리가 그냥 신이라고 하면은 그냥 신이라고 하면 되는데 그 이런 양자이탑에서는 신조차도 어떤 입자로 만들 수 있기 때문에 바로 이처럼 힘을 매개하는 입자가 되어있대요. 그래서 지금까지 우리가 배웠던 많은 힘들이 다 입자로 바뀝니다. 보시면은 지금 여기 전자기를 매개하는 포톤이라는 입자가 보이시죠. 바로 이것이 전자기력을 매개하는 입자가요. 저기에 글루온이라는 것이 있는데 글루온은 원자핵에 있는 입자들을 묶어서 원자핵으로 유지하게 만들어주는 그런 입장입니다. 글루온과 이게 풀이에요. 끈끈하게 이 원자핵들을 묶어주는 거죠. 왜냐하면 이 양성자를 예를 든다면 원자핵 안에는 수많은 양성자가 있잖아요. 양성자는 양의 전화를 갖고 있습니다. 그러니까 양성자와 양성자를 한 대 가까이 가져오면은 서로 밀어내

하지만 원자에게는 안정되게 전제하거든요. 이들을 묶어둔 전자기적인 반박력을 상쇄시킬 만한 더 강한 힘이 필요한 겁니다. 그 바로 힘을 내기하는 것이 글로원이라는 입자죠. 자리에 있는 중에는 이름도 계산한데 Z보전, W보전 이건 저희가 한 번 더 배우자 갔던 약한 상호작용 한 번 언급만 했을 텐데요. 약한 상호작용을 내기하는 입자입니다. 아까 글로원은 사실 강한 상호작용을 내기하는 입자죠. 자 이건 말고도 입자가 더 있어야 하는데 이게 바로 힉스보전이라는 건데요. 자세한 얘기는 하지 않을게요. 여러분이 아마 얼마 전에 힉스보전을 발견한 업종으로 우려장에 조진 적이 있었어요. 이걸 일반인들은 신의 입자라고도 부릅니다. 자 이 정도까지 이야기하면 이 우주를 이룬 모든 입자를 다 소개한 겁니다. 하지만 여기 중력이 빠져 있다는 것. 아마 중력자라는 입자가 있거라고 추적하고 있지만 아직 아무도 이 책에 내에 중력을 가져오는 법도 모릅니다.

자 그래서 예를 들어서 양성자 같은 경우는 쿼크 세 개로 되어 있어요. 그래서 UUD라고 써 있는데 UPWK, UPWK, DOWNWK가 모여서 양성자가 되고 또는 UDD 이렇게 UPWK, DOWNWK가 모이면 중성자가 되죠. 더 자세하게 얘기는 하지 않을게요. 자 그 다음에 심에 대한 이야기. 아까 오른쪽에 있었던 보존들은 사실 지금 보기에는 굉장히 다른 형태의 그런 심들이지만 현재 우주의 우주론에 따르면 점점점점 에너지가 커지면 혹은 점점점점 온도가 높아지면 이 심들이 하나로 합쳐진다는 사실을 알고 있어요. 저 입자들은 사실 좀 더 높은 체계에서 봤을 때 어떤 하나로부터 나온 그런 부산물 들이라는 것이죠. 바로 이것이 오늘날 물리학자들이 만들고 있는 통일장 이론의 핵심 아이디어입니다. 그래서 보시는 것처럼 이 가로축이 에너지고 세로축이 강하기 심의 세기인데요. 점점점점 에너지가 커지면 따라 심들이 하나 합쳐진 걸 볼 수가 있어요. 여기서 에너지라는 것은 이 우주 전체의 에너지로 이야기할 수도 있는데 지금 우주의 온도로 이야기할 수도 있고요. 과거로 갈수록 우주의 온도 높아지죠. 우주가 작아지기 때문에. 시작점이 빅뱅이죠. 그래서 빅뱅일 때의 이 모든 심들은 하나였었고 빅뱅 이후에 우주가 팽창하면서 점차적으로 온도가 낮아져서 이 그래프에서는 왼쪽으로 가는 거죠.

자 이제는 우리가 가장 작은 걸 이야기 했으니까 가장 큰 우주를 이야기 할 차례인데 사실 가장 큰 우주에 대해서는 제가 충분히 이야기를 이미 했어요. 그래서 몇 가지만 이야기하고 지나가려고 합니다. 이 우주는 바로 빅뱅에서 시작해서 팽창을 하고 있고 그냥 팽창하는 것이 아니라 가속 팽창하고 있습니다. 자 그래서 이 우주의 스케일을 보기 위해서 아까 저희가 봤던 것처럼 우주에 대한 동영상을 같이 알아보실게요.

자 지금 보신 것처럼 이 우주는 빅뱅에서 시작해서 계속 팽창하고 있는데 가장 작은 이 지구로부터 시작하여 태양계, 은하계 해서 점점 더 큰 우주로 갈 수 있죠. 하지만 우리가 아는 우주의 크기는 유한한 것으로 알고 있습니다. 이 날이 정확한 크기는 알 수 없고 이 우주를 기술하는 방정식은 바로 저희가 전에 배웠던 일반상대성 이론이 있어서 일반상대성 이론은 시간과 공간을 다루기 때문에 이것의 시간 변화도 다를 수가 있어요. 하지만 역시나 중요한 것은 지금 제가 소개했던 이 기본 입자들을 일상생활에서 느끼기에는 거의 불가능합니다. 입자 가속기에서 엄청난 에너지를 때려줘야지만 간신히 비품을 볼 수 있었던 거니까요. 아니면 빅뱅이 시작되던 때 라든가 이런 스케일이 아니고서는 이런 것들을 직접 보기 힘들어요. 이 세상생활 우리에게 가장 중요한 것들은 바로 원자입니다. 그래서 저희가 이 원자의 소개에는 많은 시간을 할애했지만 이 기본 입자에는 더 이상 시간을 할애하지 않을 거예요.

원자를 이해하는데 놀랍게도 기본 입자에 대한 이해는 거의 필요가 없습니다. 그래서 여러분들이 기본 입자에 대해서 한 번도 배울 줄 알았지만 지금까지 물리를 하는 아무 문제가 없었잖아요. 어떤 의미에서는 기본 입자로부터 원자로 가는 과정이 중요한 창발 이해 아닐까 이런 생각을 해볼 수 있어요. 창발이 뭐냐고요? 창발에 대해서는 제가 다음 시간에 이어서 하겠습니다.

일단 태양은 기본적으로 에너지를 우리에게 주는 소스예요. 여러분이 지구에서 무언가 움직이거나 변화가 일어난다는 걸 보게 되면 그것이 왜 그러는지 변화가 있거나 움직인다는 것은 애플은 MA의 정신을 살펴보시면 뭔가 힘이 가해진 거잖아요. 자 저희가 2차 시에서는 가장 작은 것과 가장 큰 것을 이야기했어요. 가장 작은 것은 기본 입자고 가장 큰 것은 우주입니다. 자 이제 여기서 시작해서 저희가 조금 더 커지고 조금 더 작아지는 쪽으로 가보려고 해요. 자 우선 첫 번째 이 이야기를 하기 위해서 저희가 언제였죠? 굉장히 첫 번째 시간이었는 것 같은데 스마트폰의 전기는 어디서 왔나 이런 질문을 했었어요. 자 여러분들 다 기억하시죠? 스마트폰의 전기는 벽에서 왔었죠? 이야기의 핵심은 벽에서 왔다는 게 중요한 것이 아니라 바로 이 벽을 따라가다 보면 발전소로 가게 되고 발전소의 전기는 석탄을 때워서 거기서 나오는 열을 이용해서 증기를 만들고 그 다음에 증기가 커비를 돌리고 패러드의 법칙에 의해서 전기가 만들어진다고 했었고요. 바로 저 석탄은 땅속에 있었던 사망전의 식물의 몸통과 리다 그랬죠? 식물에서 온 것인데 식물은 자기 몸통과 리를 강업성으로

전체를 이해하는데 어떤 맥락에 갔는지를 같이 이해해 보려고 합니다.

일단 태양은 기본적으로 에너지를 우리에게 주는 소스에요. 여러분이 지구에서 무언가 움직이거나 변화가 일어난다는 것을 보게 되면 그것이 왜 그러는지 변화가 있거나 움직인다는 것은 f는 ma의 정신을 생각해보시면 뭔가 힘이 가해진 거잖아요. 그럼 도대체 그 힘을 준 게 누군지 그걸 따라가다 보면 언제나 태양으로 가게 된다는 뜻이에요. 그래서 제가 굳이 태양과 에너지 패널을 하나 보여 드렸는데요. 일단 이 벽에서 온 에너지는 태양에서 왔다는 사실을 금방 제가 지금 집점전에 이야기한 것처럼 따라가 보면 이해할 수가 있는데요. 아마 어떤 분들은 발전소도 종류가 들어가시니까 석탄 태력발전소 말고 석탄 태력발전소 있지 않나요? 이것도 태양일까요? 물어볼 수 있을 것 같아요. 석탄 태력발전소 태양에서 온 거예요. 왜 그러냐고요? 석탄 태력발전소는 저 위에 있는 물이 땅으로 밑으로 내려가면서 석탄을 저기는 거거든요.

물레방아를 돌리는 거잖아요. 일종의. 그럼 물이 왜 저 위에 있었을까를 물어봐야 돼요. 물이 왜 산 위에 있었냐면은 구름이 저 산 위에다가 산 위에다가 비를 이렇게 때려줬습니다. 그럼 도대체 비는 왜 하늘에서 내리는가. 비가 왜 하늘에서 내리죠? 왜냐하면 땅에 있던 물이 수증기가 돼서 증발이기 때문에요. 그럼 물이 왜 증발했을까요? 바로 태양광 때문이에요. 그렇죠? 그러니까 이 땅바닥에 있던 물을 저 산 꼭대기로 올려주는 것은 태양에너지가 하는 것이고요. 그 에너지를 가지고 전기를 만드는 것이 바로 수박적인 것이죠. 이것도 태양입니다. 자 그럼 풍력발전은 태양과 관련이 없지 않을까요? 무슨 소리를 하시나요? 풍력발차는 바람이 필요한데 바람이 불기 위해서는 압력차가 필요합니다.

한 곳보다 다른 곳이 압력이 더 높거나 낮아야 되는데 왜 이 지구상 지구편에 압력차가 날까요 왜냐하면 온도가 같지 않아서 그래요 온도가 균일하지 않아서 그렇습니다 그 온도를 만들어내는 온도차를 만들어내는 게 누구죠 바로 태양이죠 태양이 지구에 내리쬐일 때 균일하게 똑같은 에너지를 똑같이 주게 되면 모든 곳의 에너지와 온도와 압력은 똑같습니다 하지만 여러 가지 이유 때문에 물론 이 지구가 기울이기도 하고 공면이기도 하고 다음에 뭐 육지와 이 바다에 그 태양에너지를 받는 어떤 그 정도도 다르고요 이런 복합적인 요인 때문에 여러 지역에 따라서 온도와 압력이 차이가 나기 시작해요

놀라운 일이죠. 그러니까 우리에게 있어서 태양이라는 것은 바로 에너지원입니다. 하지만 그 태양은 그것만은 아니에요. 일단 태양을 보시면은 저희가 알고 있기로 이 표면에 온도는 6000 켈빈이라고 알려져 있잖아요. 6000 켈빈은 상당히 높은 온도지만 이건 표면에 온도고요. 태양의 중심으로 들어가면 온도가 높아집니다. 높은 온도였는데 밖에는 식어서, 밖에는 상대적으로 식어서 그냥 우주의 온도가 영하여 210도니까요. 식어서 온도가 6000 켈빈인 것이죠. 코아의 온도는 무려 1400만 켈빈이죠. 무시무시한 온도입니다. 무시무시한. 상상할 수 없을 만큼의 뜨거운 온도죠. 그래서 이 정도의 온도가 되지 않으면 안 되는데 왜냐하면 여기서 중요한 질문을 해야 되겠죠. 태양은 도대체 왜 빛나는가? 그렇죠. 어떤 에너지원을? 우리는 모든 에너지원을 태양으로 덮고 있는데 그 에너지를 주는 태양은 도대체 어떻게 태양을 만드는가? 이런 질문을 당연히 할 수 밖에 없어요. 그래서 태양에서 일어나는 바로 에너지원은 제가 자세하게 배우진 않았지만 바로 핵융합반응입니다. 핵융합반응. 이름 자체도 있지만 핵과 핵, 원자핵과 원자핵을 융합시키면 에너지가 나와요. 융합시키면 에너지가 나와요.

즉 융합되기 전에 비해서 융합되었을 때 더 에너지가 낮은 상태가 되기 때문에 에너지가 나온 겁니다. 자 저희가 에너지 보존 목칙을 이야기할 때 물체를 떨어뜨리는 이야기를 했었어요. 여기 높은 곳에 있는 물체가 땅으로 떨어지면 위치에너지가 높은 곳에서 위치에너지가 낮은 곳으로 이동하게 됩니다. 이만큼 에너지가 사라진 거죠. 그 에너지는 없어질 수 없기 때문에 속도의 에너지로 바뀝니다. 높은 속도로 물체가 떨어지다가 땅에 닿으면 강한 충격을 주면서 온도를 높이거나 밑에 있는 물체를 부시거나 그러면서 그 에너지로 다른 세로 바꾸게 되는 거죠. 마찬가지로 원자핵을 이루고 있는 여러 입자들 특히 수소인데요.

그런데 이 반응도 단순하지는 않아서 크게 두 종류가 있는데요. 크기에 따라 달라져요. 그래서 태양과 같이 큰 이런 물론 태양은 별들 사이에 그렇게 큰 거 아닌데요. 태양과 같거나 태양보다 작은 그런 크기의 별에서 일어나는 핵 반응은 왼쪽 그림에 있는 그런 반응이 일어나요. 태양보다 큰 그런 별에서는 복잡한 반응이 일어납니다. 핵심적인 것은 어쨌든 이 핵 융합을 통해서 핵과 핵이 융합하는 과정을 통해서 에너지가 나오는 거죠. 태양에서 할 수 있다면 우리가 지구에서 할 수 있지 않을까요? 이거받아구요? 지구 타버릴 것 같다고? 아니에요. 이걸 잘 재현할 수 있다면 굉장히 작은 태양을 만들 수가 있어요.

물론 온도를 높여야 되죠. 태양과 같이 거대한 곳에서는 1000만 켈빈이면 충분하지만 지구에서 이거 하려면 1억 켈빈까지 올려야 됩니다. 여러분 1억도라는 온도를 들어본 적이 없을 텐데요. 이렇게 온도를 높이게 되면 문제가 뭐냐면 이렇게 뜨거운 물질을 담아줄 수 있는 용기가 없어요. 어떤 용기에 넣어도 다 녹습니다. 그래서 기가 막힌 아이디어가 나오는데요. 이렇게 뜨거운 물체를 공중에 그냥 둥띄우자는 아이디어가 나오게 됩니다. 그래서 이렇게 뜨거운 상태가 되면 원자로 있지 못하고 다 분해가 돼가지고 양성자와 전자에도 분해가 되거든요. 전하를 띈다는 얘기죠. 전하를 띄고 있는 물체는 외부에서 자기장을 주면 어느 정도 됩니다. 그래서 이 그림을 보시는 것처럼 여기 분홍색 보이시죠. 그게 뜨거운 1억도의 온도를 갖는 뜨거운 물체인데 우리가 이런 상태를 플라즈마 상태라고 불러요.

이런 상태로 만들어서 굉장히 뜨거운 물체죠. 여러분이 상상할 수 없는 온도입니다. 1억도의 온도가 있는데 이 물체를 띄워서 여기다가 장장을 걸어주면 빙긋고 돌아요. 벽에 닿지 않도록 하는 거죠. 이렇게 하면 이 안에서 핵융합반응이 일어날 수 있고요. 이렇게 전기를 만들 수 있다면 그럼 저희가 지금까지 인간이 만들었던 그 에너지원보다도 깨끗하면서 엄청난 에너지죠. 지구상에 태양이 만드는 게 되는 텐데 이거 우리가 핵융합발전이라고 하죠. 아직 성공하기 못했어요. 물론 이 발전 자체는 성공했지만 여기에 들어가는 에너지가 있거든요. 에너지 부족목이기 때문에 공짜납니다. 들어가는 에너지가 나오는 에너지가 더 크기 때문에 현재는 효율이 안 맞지만 언젠가 미래에는 우리가 이것을 에너지원으로 사용할 수 있어야 합니다. 지금도 물약자들이 가장 열심히 연결하는 추세가 하나예요. 우리나라에도 이 핵융합 연구를 하고 있습니다. 그래서 대전에 가시면 국가핵융합연구소에서 하고 있고요. 아마도 먼 미래에는 반드시 우리가 확보해야 되는 에너지원입니다.

자 그러면은 그 핵이 융합할 때 에너지가 나온다 그랬는데 여러분이 아마 핵 분열하는 이야기는 들어보셨을 거예요 언제랄까 했더니죠 똑같이 원자로 하는 그런 원자핵으로 하는 그런 그 화학 그 반응인데 도대체 이거의 차이점은 뭘까? 하고 물어보실 수 있어요 보시면 이게 지금 주규율표거든요 주규율표의 원자들을 이 가로축을 1번부터 쭉 늘어세운 겁니다 왼쪽은 뭐냐면은 이것들의 결합 에너지를 얘기해주고 있어요 결합 에너지 그래서 자세한 얘기 제가 하지 않을 텐데요 일단 가벼운 원자들은 혹은 같이 가벼운 원자핵은 서로 합쳐지려고 해요 합쳐지는 에너지가 낮은다는 얘기죠

하지만 무거운 원자액은 합쳐지기보다 쪼개지려고 합니다. 그러실 수 있겠죠? 작은 것들은 뭉쳐질수록 더 에너지가 낮아져요. 하지만 큰 거는 굉장히 많은 입자들이 모여있는 그런 무거운 원자액은 더 뭔가를 느끼기가 힘들어요. 이건 그냥 툭 쪼개지려고 합니다. 그래서 그 경계가 되는 원자가 있는데 그 경계가 되는 지점이 바로 철이죠. 그래서 여러분이 잘 아시는 철이에요. 철을 기준으로 철보다 가벼운 원자들은 자꾸 뭉치려고 해요. 뭉칠 때마다 에너지가 낮아지고 여분의 에너지를 내놓습니다. 철보다 무거운 원자들은 가끔 쪼개지거나 몸에 자신의 무거운 정도를 줄이기 위해서 입자를 통해내요.

여기서는 방사능이 나오죠. 방사능이 나오고 분열을 하려고 하죠. 그래서 이 크게 두 개의 경향이 있어서 왼쪽에 있는 원자들은 무합반응을 할 수 있고요. 오른쪽에 있는 것들은 분열을 할 수 있는데 물론 분열을 하기 위해서는 아주 무거워야 되기 때문에 오른쪽 끝에 있는 원자들이 주로 핵분열을 일으킵니다. 맨 오른쪽 끝에 있는 원자의 이름은 우란임이죠. 그래서 우란임을 이용해서 핵분열을 하는 그런 폭탄이 여러분이 아시는 원자 폭탄이고 그것이 오페라이머, 영화 오페라이머에 나왔던 분열 폭탄입니다. 그래서 저 핵분열을 이용하는 것을 우리가 원자로 발전이라고 하는데 그렇게 무거운 원자의 경우에는 밖에서

근데 쪼개질 때 그냥 반으로 쪼개지는 게 아니라 쪼개지면서 동시에 중성자를 또 내놔요. 이 중성자는 다른 우라늄을 또 쪼개질 수 있는 능력이 있거든요. 그래서 하나의 중성자가 들어가서 세 개의 중성자가 나오면서 쪼개지기 때문에 하나가 세 개가 되고 세 개가 아홉 개가 되고 이런 식으로 기하급수적으로 계속 중성자가 나와서 순식간에 수많은 우라늄이 순식간에 깨지게 됩니다. 근데 이게 깨질 때가 다 이런지가 나오니까 이런 반응이 빠른 속도로 일어난다면 순식간에 엄청난 양의 에너지가 나올 수 있고요. 바로 이것이 원자폭탄의 만드는 원리입니다. 우리나라에도 저 원리를 이용하여 언제나 발전소가 가동되고 있고요. 물론

저것이 그냥 반응이 일어나더라도 놔주면은 우리가 저런 반응은 체인 리액션이라고 그러는데요. 연대 반응이라고 그러는데요. 그냥 놔두면 폭탄이 돼요. 그러니까 저 반응이 빨리 일어나지 않도록 제어를 해야 되죠. 그래서 그런 제어를 할 때의 상황을 원자력 발전이라고 그러고 제어를 하지 않는 상황을 원자력 폭탄이라고 합니다. 그 차이가 없는 거죠. 사실 저 원자력 발전 말고도 또 중요한 것이 바로 원자 핵융합이라고 그랬죠. 원자 핵융합은 작은 원자들, 가벼운 원자들이 합칠 때 일어나는 반응이고요. 그런 반응이 수많은 별에서 일어나고 있어요. 태양에서 일어나고 있죠. 태양에서도 내부에서 수소와 수소가 합쳐져서 생글이 되는 에너지가 나요

하지만 훨씬 다양한 종류의 별들이 있으니까 다양한 형태의 원자들이 만들어지는데요. 이런 식으로 이렇게 원자를 합쳐서 만들어낼 수 있는 새로운 원자는 아까 저희가 표에서 봤지만 철까지만 가능하죠. 철 이상은 더 이상 이런 방식으로 원자를 만들어낼 수가 없어요. 그러면 우리가 알고 있는 철보다 무거운 원자들은 도대체 어떻게 만들어진 걸까. 즉 철보다 가벼운 원자는 몽땅 다 원자 핵융합하는 걸 통해서 별 4구에서 만들어진 겁니다. 그것보다 무거운 거는 그렇게 안 되기 때문에 놀랍게도 초심성 폭발이라고 하는 저희가 자세하게 얘기하지는 않았는데요. 이 별의 진화 단계에서 막판에 별이 폭발을 하는 그런 별들이 있습니다.

폭발을 할 때에는 진짜 엄청난 그렇지 않아도 지금 거의 천만도 1억도의 온도를 갖는 별인데 이게 폭발한다는 얘기는 이제 한 번도 수축하거든요. 그 상황에서. 더 이상 수축할 수 없는 상황에서 수축을 해요. 그러니까 엄청난 폭발이 일어나는데 이런 엄청난 온도와 압력에서는 서로 합쳐질 수 없을 것 같았던 원자들이 합쳐지기 시작합니다. 억지로 밀어넣으니까. 그래서 만들어지는 것들이 우리가 알고 있는 더 무거운 원자들이에요. 그래서 우리 몸에는 이렇게 더 무거운 원자로 되어 있는 원자들도 들어와 있거든요. 그러니까 우리는 모두 초심성의 수예다. 이런 말을 하기도 하는데요. 멋있는 말이죠. 이런 폭발이 없었다면 우리가 알고 있는 철보다 무거운 원자는 없습니다. 그래서 사실 우리가 알고 있는 이 118가지의 주기율표의 원자들은 다 만들어진 근원이 있어요. 그래서 근원을 정리해 놓은 거죠. 수소와 힐륨은 주로 빅뱅 때문에 만들어진 거고요. 그 다음부터는 여러 가지 원인들이 있어요. 보시면은 아까 얘기한 것처럼 이렇게 융합을 통해서 행융합을 통해서 만들어진 것도 있고 폭발을 통해서 만들어진 것도 있고요.

그 다음에 여러 종류들이 있죠. 그래서 이런 우주에서 일어나는 수많은 양자격적인 반응들이 우리가 알고 있는 이 지구의 모든 원자들을 만들었다. 그래서 우리는 별의 후예이기도 하고 초신성의 후예이기도 하다. 이렇게 이야기할 수 있다는 뜻입니다. 그래서 여기 다양한 원자들, 원자들의 수입에 따라서 제가 만든 건 아니고요. 찾아본 건데요. 그래서 수많은 원자들이 있고 이 원자들은 모두 이 별이라는 우주의 용광로라고 해요. 별이라는 우주의 용광로에서 만들어졌다. 재밌는 얘기죠. 저희가 이전 시간에 가장 작은 기본 입자와 가장 큰 우주를 배웠는데 그 다음 단계의 이야기는 별에 대한 이야기인데요. 이 별은 바로 기본 입자 그 다음 단계에 있는 원자를 만들어 보시죠. 자, 이제 이렇게 하면 우주를 만드는 데 필요한 것들은 다 저희가 지금 준비한 거예요.

그 다음에 어떤 이야기를 받지요. 다음 시간에 가보겠습니다.

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근데 제가 안타까운 것은 화학이라는 단어가 별로 좋게 사용되지 않아요. 예를 들어 제가 여기 지금 음식을 두 개 준비했는데 하나는 화학적으로 만든 음식이고 또 하나는 자연적으로 만든 음식이에요. 그러면 여러분 뭐 읽지? 아, 많은 사람들이 화학적인 거 싫어하고 자연상 이런 거 좋아하잖아요? 자, 저희가 이제 원자까지 봤죠? 그럼 이제 원자를 가지고 어떻게 마무리 만들어지는지 그런 이야기를 해보려고 하는데요. 사실 원자의 구조는 저희가 이 자세히 봤고요. 안에 원자핵이 있고 주변에 전자가 돌고 있죠.

원자핵 안에 있는 양성자 개수가 몇 개인지 혹은 밖에 돌고 있는 전자의 개수가 몇 개인지에 따라서 원자의 특성이 정해집니다. 예를 들어 원자번호 94번 플루토늄인데요. 플루토늄 같은 경우는 94번이니까 원자핵 안에 그 양성자가 94개 있고요. 바깥쪽에 전자가 94개 있습니다. 94개가 어떻게 배치되는지를 이야기해주는 것이 양자역학기였고요. 물론 이렇게 복잡한 원자가 다루진 적이 없고요. 다루지도 않을 겁니다. 중요한 원자들은 저희가 이미 이야기했기 때문에 그냥 그림만 보여드릴게요. 수소원자는 전자가 하나 있고 헬륨은 전자가 두 개 그 다음에 리튬은 전자가 되게 이런 식으로 다음에 껍질들이 있고요 오빛들이 따르고요 이 주변에 어떤 식으로 전자가 찾아가는지 이 구조가 바로 이 원자의 특성을 결정한다고 이야기했었어요

그래서 여러분이 잘 아시는 몇 번이나 보았던 규격표가 수축되고 이 표의 위치가 바로 이 원자의 특성을 이야기해줍니다 자 오늘 제가 지금 이야기한 것은 이 원자들이 여기저기 들어가서 계산 모든 걸 만들어내는데요 원자들의 특성이 있어서요 제일 중요한 것은 바로 일단 우리 주변에 있는 것 중에 저희 생각에 제일 중요한 것은 사람의 생명체잖아요 생명을 잃은 원자들은 이 네 가지입니다 H, C, N, O 이 네 개의 원자가 여러분 몸뚜아리의 90% 이상을 잃고 있어요 그래서 굉장히 중요한데요 일단 이 네 가지를 가만히 보시면 굉장히 위주되어 있죠

그 논란은 아닌데요. 왜 윗줄에 있냐면은 바로 가장 큰 학교가 되네요. 뒤비표에서 저희가 한번 이야기했지만 아래로 내려갈수록 원자의 개수가 적어집니다. 왜냐하면 1번부터 이 가벼운 원자들이 계속 뭉쳐 가면서 새양의학 이런 별 안에서요. 뭉쳐 가면서 그 다음 번째로 만들어내기 때문에 시작점에는 다 수소였고 그것들이 뭉쳐서 만들어내니까 뒤로 갈수록 적어져요. 그래서 가장 많은 원자로 되어 있다. 굉장히 중요한 이야기죠. 두 번째로 중요한 원자들은 이 파란색인데 이 파란색 원자들은 바로 이 지구를 이루는 원자들입니다. 지구. 아마 여러분 지구가 선택한 학생들은 OCR-PACA나크마라고 배웠을 것 같긴 한데 즉 이것들이 여러분이 딛고 있는 이 땅덩어리를 이루는 그런 원자들이죠

땅방울이 원자와 우리 몸에 있는 원자에 공통되는 원자가 하나 있어요. 바로 그것이 산소입니다. 그래서 산소는 굉장히 중요한 원자예요. 자, 저 원자들을 다 이제 공부를 했다면 그 다음 질문은 이 원자는 어떻게 모여서 마무리되는지를 물어봐야 됩니다. 이걸 알기 위해서는 원자와 원자가 만났을 때 어떻게 되는지를 물어보는 거죠. 그러면 원자와 원자가 만나면 원자 제일 바깥쪽에 있는 것끼리 먼저 부딪히겠죠. 거기에 누가 있냐면 전자가 있습니다. 그러니까 원자와 원자가 만났을 때 일어나는 일은 이쪽 원자가 저쪽 원자의 전자를 봤을 때 그 전자를 어떻게 대할 것이냐 하나의 문제예요. 그래서 바로 이 표가 그렇게 설명이 됩니다. 이 표는 뭐냐면 보시면 주기율표죠. 주기율표에다가 지트 방향으로 수직 방향으로 하나를 더 값을 써놓은 건데요. 그 값이 뭐냐면 전기 음성도라는 값입니다. 일렉트로 네바티비트라고 하는데요. 전기 음성도라는 것은 이 원자들이 전자를 얼마나 좋아하는지를 이야기해줘요.

그 값이 가장 큰 것은 오른쪽 끝에 있는 저 꼭대기 빨간색으로 있는 플로우로 S가 제일 큽니다. 불쏘라고 하는 원자죠. 이 녀석은 전자를 보면 바로 전자를 끌어가지고 해요. 전자를 너무 좋아한다는 얘기입니다. 반면 왼쪽에 있는 원자들은 파란색인데요. 굉장히 숫자가 작죠. 이것들은 전자를 싫어합니다. 웬만하면 전자를 버리려고 해요. 자 그러니까 이렇게 두 개의 서로 다른 특성을 갖는 원자가 만나면 예를 들어 나트륨과 염소가 만나면 그러면 나트륨은 전자를 싫어해요. 버리고 싶어하고 염소는 전자를 좋아합니다. 이 둘이 만나면 나트륨이 염소에게 전자를 던져주죠. 예쁘다 하고 싶다. 자 여기까지는 괜찮아요. 이게 봐 전기 음성 글자 그러고 보자.

이런 일이 일어나는 순간 원래 원자는 언제나 중성 상태에 있거든요. 양성자에 있는 플러스와 전자의 마이너스가 딱 상태돼 있어요. 그런데 전자를 던져주는 순간 나트륨은 플러스를 띠게 되고 염소는 마이너스를 띠게 되겠죠. 전자 자체가 음의 전기를 띄워서 그래요. 그러면 전자를 던져주는 순간 나트륨과 염소 사이에 플러스 마이너스 1역이 생깁니다. 그래서 이 둘은 서로 결합할 수 있는 거죠. 우리가 이런 결합을 2원 결합이라고 불러요. 실제로는 전자를 다 던져주지 않아도 한쪽이 한쪽보다 전자를 더 많이 끌어가기만 하더라도 균형이 깨져서 이 사이에 결합이 생깁니다. 어렵지 않죠. 이런 식으로 원자들은 모여서 결합을 이루기 시작합니다. 그런데 여기서 중요한 것은 이렇게 결합을 이룰 때 개별 원자의 특성으로부터 결합된 새로운 화합물의 특성을 알 수 있을까? 하고 물어볼 수 있는데요. 나트륨은 어떤 특성이냐면 폭발하는 특성이 있어요. 폭탄입니다. 나트륨 폭탄이에요. 나트륨 굉장히 보관에 유의를 해야 되는데요. 나트륨에 물 한 방으로 떨어져서 폭탄을 합니다.

염소는 독가스에요. 마시면 죽습니다. 염소를 어디다 넣냐면 표백제에 넣거든요. 유한막스 이런거 있잖아요. 표백제에 넣는 이유는 이걸 닦으면 거기에 있는 모든 생명체를 다 죽여요. 독이죠. 그럼 나트륨과 염소가 만나면 독과 폭탄이 만난거니까. 독폭탄이니까요. 그렇지 않은데 나트륨과 염소의 결합물을 소금이라고 하죠. 그렇죠. 네. 원하라. 그러니까 나트륨과 염소의 특성으로는 상상하기 힘든 특성이 화합물에서 나오게 됩니다. 우리가 이런 것들을 창발이라고 해요. 제가 창발을 나중에 수백이라고 그랬는데요. 창발이라는 것은 개별의 부분에서는 어떤 특성이 모였을 때 숫자가 많아지거나 서로 결합했을 때 나타나는 특성을 말합니다. 이와 같이 개별 원자로부터는 상상하기 힘든 특성이 만들어지기 때문에 우리가 원자를 이해한다고 해서 이 우주를 이해할 수 없는 겁니다. 여러분이 물리학만 아무리 공부한다고 해도 원자를 다 이해해도 양적합으로 이것들이 모여서 만들어진 이 다양한 수많은 물체를 이해할 수 없는 이유는 이와 같이 화합물이 될 때 새로운 특성들이 창발하기 때문이에요. 창발. 그래서 창발은 원자로부터 이 우주 전체를 이해할 때 굉장히 중요한 개념이 됩니다.

자 이용결합은 제가 소개했고요 공인결합이라는 것이 있는데 이것도 이야기한 적이 있어요 공인결합이라는 것은 똑같은 원자 두 개가 모여서 결합을 이루는 겁니다 아주 이상한 일이죠 왜냐하면 원래 결합이라는 것은 한쪽이 다른 쪽보다 더 전자를 좋아하거나 싫어해야지만 일어날 수가 있었잖아요 지금까지 이야기한 것은 그런데 이 공인결합은 똑같은 원자 두 개가 결합하는 거예요 이건 사실 이용결합의 입장에서는 도저히 이해할 수 없는 겁니다 서로 전자를 똑같이 좋아하니까 자 이때는 어떤 일이 벌어지는 거냐면 이때는 바로 양자의 과학이 작동하는 거죠 즉 하나의 전자가 지금 이 수사원자에서는 가까이 전자를 갖고 있는데요 그중에 하나의 전자 입장에서 보자면 원래 하나의 전자는 한쪽에만 있을 수 있었고 또는 다른 쪽에만 있을 수 있었어요 하지만 이것이 가까워지게 되면 어떤 일이 벌어지느냐 바로 이중 순리처럼 같은 일이 벌어지는 거죠 하나의 전자가 두 개의 원자에 동시에 존재할 수 있게 됩니다

우리가 이것을 중척상태라고 하죠. 이와 같이 하나의 전자가 두 장소에 동시에 있다면 이 두 장소는 하나가 된 겁니다. 이런 방식으로 두 개의 원자가 하나의 분자가 되는 것이죠. 이해 가시죠? 그 양자가 배웠으니까. 이 결합을 공유 결합이라고 하고요. 공유 결합이 중요한 이유는 사실 우리 주변에 있는 수많은 것들이 공유 결합이에요. 즉, 여러분 몸뚜날 있는 공유 결합입니다. 우리 몸은 지방, 탄소화물, 단백질, 핵산, DNA 이런 걸로 되어 있거든요. 이것들 모두가 공유 결합이에요. 그러니까 아주 중요한 사실을 알 수 있을 거예요. 자, 공유 결합 말고 또 하나 중요한 결합이 있는데 바로 금속 결합이죠. 금속 결합의 경우는 저희가 아까 설명을 했었어요. 그래서 간단히 말할 때 얘기할 텐데요. 여기서는 이제 전자가 두 장소, 세 장소가 아니라 그 고체를 이루는 모든 장소에 한꺼번에 동시에 있는 상태를 만들게 됩니다. 이럴 때 우리가 이 전자를 자유 전자라고 부르죠. 그래서 전자가 자유롭게 움직일 수 있게 됐기 때문에 전기가 흐를 수 있고 우리가 그런 것들을 도체라고 부릅니다. 그래서 이런 결합을 금속 결합이라고 부르죠. 크게 물론 이것보다 좀 다른 결합도 있지만 저희가 이 수상을 이해할 때 가장 중요한 결합들은 말씀드린 것처럼 첫 번째, 이용 결합, 두 번째, 공유 결합, 세 번째, 금속 결합. 이용 결합은 되게 직관적이죠. 전자를 주고받고 일어나는 결합이고요. 고인 결합은 양자격각적으로 전자가 동시에 존재하는 건데 그 규모가 작을 때가 고인 결합이고

그 규모가 아주 클 때가 금속 결합입니다. 자 그러면 이제 여러분은 이 주변을 둘러보면서 이것은 무엇으로 되어 있나? 그걸 물어볼 수 있어요. 자 우선 제 몸뚱아리는 뭐라고요? 네 고잉 결합이고요. 이거 플라스틱인데 이거 고잉 결합이고요. 이거 나무죠? 고잉 결합이에요. 거위대 고잉 결합이죠. 이거 고잉 결합이고요. 이 벽도 고잉 결합이에요. 아 금속 결합 어딨냐고요? 금속 결합은 여기 보이시나요? 이거 금속이거든요. 이거 금속 결합이죠. 주변에 금속이 있다면 다 금속 결합이에요. 어? 이용 결합은 없는데요? 어? 이용 결합 어디 있냐면요? 이용 결합은 물에 넣었을 때 녹는 게 이용 결합이에요. 소금. 아까 소금 얘기 들었죠? 사실 많지 않아요. 많지 않지만 이용 결합보다 제일 많은 건 고잉 결합이죠. 그래서 고잉 결합을 아는 것이 굉장히 중요합니다. 됐죠? 그러니까 여러분은 맘대로 할 수 있어요. 금속 결합? 고잉 결합? 고잉 결합? 고잉 결합? 그렇죠? 자 그래서 세상 모든 것이 원자로 되어 있다. 저희가 본인이라는 이야기 해본 겁니다. 줄여서 만물은 원자로 되어 있다라고 할 때 사실 이 문장을 가장 많이 다루는 항문은 물리가 아니에요. 엄밀한 게 아니라 엄밀한 게 아니라 이 항문이 바로 화학입니다. 아마 화학과 학생이 이 수업을 들을 수 있을 텐데요? 화학이란 것은 바로 이 원자들이 끝없이 어떻게 조립되고 어떻게 스토지고 이것들을 모았을 때 어떤 특성이 있는지를 연결한 것이에요. 물리학자들은 사실 오히려 이런 것보다는 원자 하나의 특성이나 원자 내부로 들어가서 원자 해계 특성이나 원자들이 모인 물질을 다루긴 하지만 비교적 단순한 물질을 다룹니다. 화학은 정말 가능한 모든 원자들의 결합을 다 탐구해서 이것이 어떤 특성이 있는지를 전부 다 분류하고 조사하는 그런 연구를 하는 사람들이에요. 그래서 제가 본기에는 사실상 이 태상이 원자로 되어 있다고 하고 이 원자로 세상을 이해하는데 가장 중요한 한 건 화학이죠. 근데 제가 안타까운 것은 화학이라는 단어가 별로 좋게 사용되지 않아요. 예를 들어 제가 여기 지금 음식을 두 개 준비했는데 하나는 화학적으로 만든 음식이고 또 하나는 자연적으로 만든 음식이에요.

그러면 여러분 뭘 드실까요? 많은 사람들이 화학적인 걸 싫어하고 자연산 이런 걸 좋아하잖아요 여기는 공업적으로 만들어진 소금이 있고 천일염이 있어요 바다에서 만든 그런 사람들이 천일염을 좋아하는데 저는 이해할 수가 없는 게 똑같이 원자로 돼 있습니다 오히려 저는 공업소금을 더 좋아할 것 같아요 공업으로 만들어진 소금은 NACL이거든요 천일염은 바다에서 갖고 온 건데 거기 뭐 중금속이 있을지 뭐 인간한테 해로 묻히지 있을지 어떻게 알아요? 정지하지 않으면 뭐가 있을지 모릅니다 그래서 사람들이 이 화학이라는 단어가 이제 안 좋은 경우들 때문에 그렇죠 화학 사고라든가 화학 약품이라든가 독극물 때문에 그러는데요 하지만 이 세상을 진짜로 바꾸어가는 만물을 이해해서 양적감을 사용하여 세상을 바꾸어서 가는 이런 생물은 화학이다 그래서 오늘 이 수업을 들으신 학생들은 이 화학에 대해서 이미지를 바꾸면 좋다고 생각합니다 자 이제 원자로부터 어떻게 만물을 만들어드리는지까지 얘기했죠 그러면 남은 것은 이제 만물을 소개하면 되는데 만물은 많이 그대로 모든 거죠 모든 것을 소개할 수 없어요 시간이 없습니다 저희한테는 지금 2차씨 밖에 안 남아있어요 2개차씨 밖에 그래서 제가 어떻게 할 거냐면 이 만물을 크게 둘로 나눌 거예요 둘로 나눠서 한 무대기를 통채로 써녀가고 다른 한 무대기를 통채로 써녀가고 이렇게 할 겁니다 어떻게 만물을 나누면 좋을까 코플쏘와 비코플쏘로 나눠보죠

코프스와 코프스가 아닌가? 말도 안 되는 거죠. 코프스는 한 줌도 안 되는 동물인데 마치 그런 느낌이라는 뜻이에요. 그래서 또 올바른 분류법은 사실 물, 생물. 이게 맞습니다. 대부분은 물이죠. 그냥 물이에요. 물리의 물입니다. 바로 이 단어인데요. 그중에 아주 조금 살아있는 게 있어요. 그래서 우리는 살아있는 것에서 특별하게 다룰 텐데요. 남은 두 개 사실동안 먼저 물 제가 이야기할 거고요. 그다음에 생물에 대해서 이야기를 해보겠습니다.

그래서 이 사실을 알게 되면 여러분이 차근차근 지구에 가장 많은 건 산하기소 산하기소를 si-2로 하겠습니다. 그 다음에 많은 것이 알루미늄이죠. 알루미늄도 혼자 있지 못하고 산소가 결합해 있어요. 알루미늄 목사일이란 말이에요. 산하 알루미늄. 그 다음 많은 것이 철. 철도 혼자 있지 못하고 철과 산소가 결합한 상태로 있어요. 산하철이라고 고르는데요. 자 이제 저희 4차 시위에서는 물질에 대한 이야기를 할 겁니다. 물론 물이라고 했지만 몸이 물이 헷갈리니까 물질이라고 부르세요. 자꾸 물질이라고 그러면 주변을 두리번거리면서 책상 의자 이런 데 떠오실 수가 있는데요. 사실 물리를 공부한 사람들은 이런 것들을 주장하지 않다는 사실을 알아요. 왜냐하면 이런 것들은 지구에만 있는 거잖아요. 책상은 우주에 없을 적 없습니다. 우리 한 번 더. 그러니까 지구에 껍데기에 조금 붙어있는 인간이 만들어낸 인간이 사는 곳에만 있는 것들이기 때문에 이건 상태로 중요하지 않고요. 적어도 우주 스케일에서 가장 의미있는 물. 물질은 바로 태양이죠.

태양계의 진량이 대부분 태양이에요. 지구는 없는 거랑 마찬가지입니다. 그런데 이 태양님이 많이 얘기도 했고요. 어차피 우리는 태양에 살 수가 없잖아요. 그러니까 태양을 얘기하기는 조금 애매하고 우리에게는 더욱 중요한 물, 물질은 바로 지구입니다. 사실 이 지구를 얘기하려고 해도 이게 참 난감한 것이 우리는 지구의 내부에 들어간 적이 없어요. 지구의 내부에 대해서는 간접적으로부터 우리가 알고 있는 거지 지진파의 탐구를 통해서 안에 구조를 알고 있는 거죠. 한 번도 지구 내부로 몇 킬로미터 이상 들어간 적이 없어요. 그러니까 우리는 껍데기밖에 부릅니다. 그러니까 제가 물질이라고 했지만 우리에게 의미 있는 물질은 지구의 껍데기라고 할 수 있어요. 그래서 이렇게 비스러운 사실을 알게 되면 여러분이 바다는 사실 지구가 사과라면 사과 표면에 묻은 물기 정도밖에 되잖아요. 그러니까 바다는 무시할 수 있습니다. 그렇다면 여러분이 물질이라고 했을 때 물질을 지구를 생각하자 그랬을 때 지구의 껍데기밖에 모르니까 껍데기에서 제일 중요한 건 암석이죠.

그런데 암석은 굉장히 종류가 많거든요. 이런 사진만 보더라도 끔찍하죠. 이건 지금 밖에 안 보여드린 거예요. 제가 알기로는 수백 개가 넘어졌어요. 거의 천 개가 넘는 암석이 있습니다. 종류가. 이런 것들을 일일이 외우는 거를 극도로 싫어하는 사람들이 불이하셨데요. 저희는 이런 걸 하고 싶지 않고 이 수많은 암석들도 결국은 원자로 되어 있죠. 원자가 어떻게 되어 있는가를 따져보는 것이 무리하게 시작입니다. 다행히도 지나를 이루는 원자는 종류가 많지 않아요. 보시는 것처럼 아까 저희가 언급을 했었어요. Oc 알페카나크마. O 산소죠. 산소가 50%입니다. 땅바닥에 50%가 탄소예요 나머지 50% 가운데 또 절반 25%가 실리콘 그러니까 규소죠

그 다음 첫 번째 금속이 나오는데요 알루미늄 철 칼슘 나트륨이 이렇게 돼요 그래서 이 정도까지만 아셔도 지금 거의 80, 85가 넘었을 텐데요 그러니까 여러분이 밟고 있는 이 땅은 산소라는 겁니다 어떤 분들은 이제 산소는 공기 중에 있는 거 아닌가요? 공기 중에는 산소가 있어요 한 20% 정도 있는데요 지구의 산소의 대부분은 땅바닥에 있어요 왜냐하면 산소는 굉장히 반응성이 강한 저희가 전기 음성도표를 보여드렸잖아요 거기서 가장 반응성이 강한 것 중에 하나예요 거의 이게 두 번째거든요 그러니까 얘는 다른 원자를 보면은 가만 두지 않아요 바로바로 결합합니다 그러니까 지구에 있는 모든 원자는 산소와 결합한 상태로 땅에 떨어져 있어요 그래서 땅에는 산소가 많습니다

땅바닥을 보시면 좀 다르게 보일 텐데요. 땅에 있는 돌멩이나 흙을 손으로 한번 떠보세요. 손이 더러워질 수 있겠지만 과학을 위해서 한번 돌멩이를 집어보고 흙을 떠보세요. 여러분 손에 있는 그 돌멩이에 75%는 이게 규소하고 산소입니다. 산화 규소죠. 여러분 친구들 만나서 땅에 있는 아무거나 하는지 집은 다음에 야 너 이게 뭔지 알아? 그러면 아무도 모르겠죠? 그때 그렇게 말씀하세요. 이거 산화 규소야. 산화 규소야라고 하는 순간 75%만 말이에요. 네. 재밌는 얘기죠. 자 그래서 이 사실을 알게 되면 여러분이 차근차근 지구에 가장 많은 건 산화 규소. 산화 규소를 si-o2라고 씁니다. 그 다음에 많은 것이 알루미늄이죠. 알루미늄도 혼자 있지 못하고 산소와 결합해 있어요. 알루미늄 목사이드라고 해요. 산화 알루미늄. 그 다음 많은 것이 철. 철도 혼자 있지 못하고 철과 산소가 결합한 상태로 있어요. 산화 철이라고 부르는데요. 여러분 산화 철을 본 적이 있을 텐데 산화 철의 색깔을 아시나요?

이거 쉬운 말로 녹슬어 따라해요. 녹슨철은 색깔이 붉은색입니다. 자 그러면 붉은색의 철. 여러분 피가 붉은색이란 거 알고 있잖아요. 왜 피가 붉은색일까요. 왜냐하면 해무글로빈 때문에요. 해무글로빈은 바로 철입니다. 안에 철을 갖고 있는 그런 근자죠. 그러니까 여러분 피의 색깔이 붉은 것은 산하철의 색깔이 붉은 것과 똑같은 이유라는 뜻이죠. 자 그러면 제가 또 하나 질문을 할까요. 화성은 붉은색의 행성이죠. 화성. 바로 화자가 불화자인데요. 붉은색이라고 해요. 시절에 보면 붉은색을 보입니다. 왜 화성이 붉은색일까요. 그러면은 산하철이기 때문에요. 이런 것이 과하게 아는 내용이죠. 여러분 피가 붉은색인 이유와 녹슨철이 붉은색인 이유와 화성이 붉은색인 이유는 똑같은 이유때문에 그래요. 모두가 철 때문에 그렇습니다. 자 그다음에 금속이 바로 이 구리주석이란 건데요. 이건 사실 지구에 많지 않은 금속이에요.

제가 이걸 소개하냐면 인류가 사용하기 시작한 중요한 도구가 됐던 물질들입니다. 그냥 돌멩이를 이용하던 돌덩어리를 집어서 이용하던 그런 인류의 문명을 석기 문명이라고 해요. 석기 문명은 인간만 하는 것이 아니라 짐승도 돌멩이가 합니다. 비버 같은 동물들은 돌멩이를 집어서 조개를 뿌셧게 해거든요. 그러니까 석기 문명은 인간만이 한 게 안 됐어요. 인간만이 만든 문명은 바로 이 금속 문명이죠. 첫 번째로 사용된 금속이 저는 아래에 있는데요. 구리, 주석, 아연. 왜 왜 나래에 있냐면 녹는 점이 가장 낮아서 보여요. 그래서 인간이 불을 이용해서 금속을 재료할 때 녹는 점이 낮은 겉부터 이용할 수 있었거든요. 그래서 저 아래에 있는 구리와 주석과 아연의 합금을 우리가 청동이라고 합니다. 그래서 청동기에서 인간의 문명이 시작돼요. 자 철을 이용하기 위해서는 산하철에서 선서를 떼어낼 수 있어야 하는데 그러기 위해서는 높은 온도가 필요합니다. 그냥 불로는 안 되고요. 그 풀물을 이용하여 온도를 수천도로 높일 수 있어야 돼요. 그런 기술이 개발되자 비로소 인간은 철기 문명이 시작됩니다. 알루미늄에서 선서를 떼으려면 굉장히 힘들어요. 그래서 저거는 19세기 중반 전기 문명이 시작되자 전기 고로가 만들어진 다음에야 알루미늄을 금속으로 사용할 수 있게 됩니다. 그 다음에 알루미늄이 사용된 거죠.

그래서 청동기, 천지키, 알리미늄으로 유리 문명이 발전하는 이유는 바로 이 제로들의 특성들이에요. 끝으로 지구에 제일 많은 건 저 슬리콘 옥사아기인데요. 산화교소죠. 산화교소는 여러분이 많이 봤어야 하는 거잖아요. 보신 적 있으세요 산화교소? 우리 대결하는 산화교소가 홀로 있지 않고 다른 금속이 섞여 있어요. 그때 우리는 그것을 돌이나 흙이라고 불러요. 산화교소만 딱 정제를 해서 만들어 보면 여러분 잘하는 겁니다. 유리죠. 그래서 유리는 아주 옛날에 배견된 거예요. 그래서 si-o2가 원자들이 배열될 때 이렇게 두 가지 형태로 배열될 수가 있어요.

보통은 왼쪽같이 개판으로 배열됩니다. 그런데 운이 좋다는 얘기는 압력과 온도가 잘 맞으면 착착착 배열될 수가 있어요. 저렇게 착착착 배열된 것을 결정이라고 그러는데요. 산화기소가 결정상태로 있을 수 있고 아닐 수 있는데 보통 왼쪽같이 돼있는 경우 유리라고 부르죠. 그런데 오른쪽같이 구조가 착착착 맞으면 우리는 그것을 수정이라고 불러요. 수정은 보석입니다. 수정이라는 보석이 만들어질 때 만약에 주변에 물기가 있었다면 습도가 높았다면 물이 여기저기 박히게 되는데요. 그런 경우에 그 색깔이 약간 유명하게 되거든요. 그때 우리가 그것을 오팔이라고 불러요. 똑같은 보석입니다.

보석력이 나온 게 재밌죠? 그럼 더 해볼까요? 어... SIO2 다음으로 흔한 게 저... 산화 알루미늄이거든요. 이게 가장 흔한 그 다음으로 흔한 지구상의 분자죠. 이 산화 알루미늄이 만들어질 때 역시 두 가지가 됩니다. 대충대충 결합하면 오른쪽 같은 그런 작은 이런 결정이 되고요. 조건이 되게 잘 맞으면 큰 결정이 돼요. 왼쪽같이. 자 이렇게 큰 결정이 만들어질 때 하필이면 그 주변에 크롬이 있었다면 크롬 원자 이름이에요. 이것은 붉은색이 뜨게 되고 이때 루비라는 보석이 됩니다. 만약 주변에 타이타닌이나 철이 있었다면 사파이어라는 푸른색 보석이 되고요. 만약 주변에 베를룸이나 크롬이 같이 있었다면 에메랄드라고 하는 초록색 보석이 됩니다. 그래서 결론이 뭘까요? 보석 갖다 고리세요. 보석이란 것은 지구의 가장 흔한 가장 흔한 원대로 된 거예요. 단지 그것이 만들어지는 조건이 까다로웠을 뿐이죠. 조건이 까다로우니까 확률이 되게 낮은 사건이거든요. 확률이 낮은 사건이 실제 일어나려면 경우의 수가 많아야 돼요. 그러니까 가장 흔한 원대로 되는 겁니다. 그러니까 보석은 물력자가 보기에는 하나도 귀중한 그런 물질이 아니에요.

가장 큰 문제입니다. 여기서 제가 참괄을 좀 재밌게 붙여본 건데요. 그냥 원자들의 집합에 불과하지만 저런 작은 몇 가지 원자들이 참가됨으로써 우리가 보기에는 굉장히 서로 다른 종류의 가치를 창출하는 일종의 뭐라 그럴까요? 그 가치가 참괄되었다고 할까? 저는 이렇게 재밌게 얘기해본 건데요. 그래서 보석이란 것은 사실 그 자체의 가치가 있는 것이 아니라 인간이 의미를 부인한 것이고 이걸 인간에게 뭐 투영해보자면은 여러분이나 저나 똑같이 그 phon 이런 원자로 되어 있습니다. 우리를 가치 있게 만드는 것은 우리를 이루는 물질의 종류가 아니라 바로 우리 자신이 어떤 방법으로 만들어졌는가에 의존한다는 거죠. 그렇게 비유를 할 수 있을 것 같아요. 지나친 비율 수도 있어요. 모든 것이 만들어져 있기 때문에 사실 이 지구상에서 만들어진 생명체도 우리 몸을 이루는 원자에 딱 의존합니다.

제가 소개한 것처럼 이 cn o 이 세 가지가 우리 몸에 이루는 중요한 원자였죠. 그런데 주기율표에서 이 세로 방향으로 돼 있는 것들은 특성이 비슷하거든요. 왜냐하면 양자역학에 의해서 이것들은 가장 각각쪽에 있는 전자의 개수와 부족같아요. 가장 각각쪽이 바로 원자들끼리 부딪힐 때 만나는 곳이기 때문에 성질이 비슷한 뜻입니다. 그래서 탄소와 실리콘은 성격이 비슷해요. 가끔 보면 그 sf에서 그런 상상력을 피죠. 탄소가 아니라 실리콘으로 된 그런 생명체는 존재할 수 없나? 실리콘은 지구상의 이 지구 땅바닥에 가장 많은 그런 원자들이 하나기도 하잖아요. 자 그런데 만약에 우리 지구상의 생명체가 탄소가 아니라 실리콘을 기반으로 했다면 여러 가지 문제가 생깁니다.

지구상에서는 이 탄소 기반의 생명체들이 존재하기 때문에 식물은 바로 이 이산화탄소를 이용하여 자기를 만들죠. 이산화탄소를 이용해서 광합성을 합니다. 광합성을 통해서 혼란을 만드는데요. 이 이산화탄소는 기체이기 때문에 우리 동물에게도 기체 상태로 내보낼 수가 있어요. 그래서 인간은 식물과 또는 동물은 식물과 서로 이산화탄소를 주고받으면서 지구상의 생명체를 유지하게 됩니다. 근데 이산화탄소는 기체이기 때문에 우리는 내뿜으면 돼요. 인간은 내뿜고 식물은 그걸 받아들여가지고 이걸 이용하여 광합성을 통해서 혼란을 만들죠. 만약에 지구상의 생명체가 탄소가 아니라 실리콘으로 되어졌다면

이제 si-o2를 이용해서 식물과 동물이 이 원자를 서로 교환해야 되는데요. 문제는 뭐냐면 si-o2는 여러분 아시지만 유리입니다. 단단한 유리에요. 더 이상 수정 같은 결정의 점이 굉장히 단단해져요. 그러면 이제부터는 여러분이 숨을 내쉴 때 이 이사라탄소를 내뽑는 게 아니라 고체를 내뱉어야 돼요. 내뱉으면 땅바닥으로 떨어지겠죠. 땅바닥에 떨어진 고체는 식물이 가가지고 주워야 돼요. 주워가지고 이걸 분해를 할 때 엄청난 에너지를 주로 하겠죠. 아마 이런 생경체는 존재하기 어려울 겁니다. 그러니까 주기율표의 세로축이 비슷한 화학적 특성을 갖고 있는 건 맞지만 맞지만 이 지구상에서의 생명체가 실리콘이 아니라 탄소를 생기기 때문에 이런 형태가 될 수 있다는 뜻입니다.

뿐만 아니라 또 하나의 재미있는 것은 지구상의 유비물 생명체는 탄소를 기반으로 하고 있잖아요. 물론 실리콘도 비슷한 특성이 있긴 한데 이 지구상에서 실리콘은 어떤 식으로 생명을 만들고 있냐면 실리콘이 바로 반도체를 만드는 거죠. 바로 컴퓨터를 만드는 건데요. 실리콘을 기반으로 한 곳에서는 인공 생명이 만들어지고 있어요. 바로 인공지능입니다. 인간이 만든 생명체, 인간이 만든 지능은 실리콘 기반으로 만들어져 있고요. 인간의 몸뚱아리는 실리콘과 똑같은 화학적 특성을 갖는 탄소로 되어 있어요. 뭐 재밌다고 재밌는 얘기죠. 이런 이야기를 가지고 많은 식과 만들어지고 있어요. 이것만 가지고는 이 물을 다 설명하시기 힘들겠지만 아무튼 우리에게 있는 가장 중요한 물인 이 지구, 지구의 껍데기, 껍데기 중에서의 흙과 암석은 대충 이 정도로 얘기하고 맞춰려고 합니다. 아무튼 재밌었죠? 남아있는 그 다음 나머지 절반을 이야기하기 위해서 마지막 사실로

연기에는 시절에 보이지 않는 작은 분자지만 이것을 우리가 비유로 레고블럭이라고 할게요. 연기 하나가 레고블럭 하나에요. 그러면 10억개당 1개의 실수라는 것은 레고블럭이 1cm 되는게 작은게. 1cm짜리가 10억개 있다는 뜻이니까 1만킬로미스라는게 돼요. 자 이제 오차시에서는 물 말고 생물. 생물을 예를 들면 하는데요. 생물은 우리가 아는 아직까지 지구상에서만 발견한 겁니다. 특수한 종류의 어떤 존재라고 할 수 있는데요. 생명이 무엇인지 잘 연락대로 아직 정의가 없어요. 분만하면 모두가 정의할 수 있는 정의가 없다는 겁니다. 생명이 가장 중요한 특성들은 이런거에요. 자신을 유지하려고 하고요. 생명이라고 부르긴 힘들지만 예를 들어서 컴퓨터 바이러스 같은 경우에 자신을 복제할 수 있구요. 진화도 합니다. 그러니까 컴퓨터 바이러스가 생명이라고 누군가 얘기한다면 많은 분들이 에이 그건 프로그램이지 라고 하실거 아닌가요? 그래서 생명의 정의가 좀 쉽지 않습니다. 생명같은 것들이 많이 있기 때문에요. 아마도 저희가 창발이라는 단어를 소개했었는데요. 여러가지 창발 가운데 생명이 가장 놀라운 창발일 수 있을 것 같아요. 아무리 원자들을 들여다본들 특히 그 생명을 이루는 원자들이 CHON 이런거잖아요. 그런 것들을 아무리 본들 이것들이 모여서 살아있는 존재를 만든다는게 도저히 상상하기가 힘들거든요.

자 우선 제가 아까 유지 복제 그 다음에 진화를 이야기했는데요. 제가 진화를 많이 강조하지 않을 거예요. 여러분 아마 교양과학서적 생명에 대한 교양과학서적으로 보시면은 진화를 많이 강조하는 것들을 볼 수 있는데 어 진화는 사실 우리의학자가 보기에는 전혀 중요한 특성이 아니에요. 왜냐하면 여기 이 자크모노라고 노벨 생리의 의학상 수상자면 그분이 쓴 이러한 책이죠. 우연과 필원이라는 책에서 진화는 결코 생명에 고유한 특성이 안다. 오히려 유지의 메커니즘이야말로 생명체만이 가진 독특한 분석이요. 진화란 이러한 유지 메커니즘이 불안전하기 때문에 일어난다고 주장했어요. 무슨 말이냐면은 자신을 유지한다는 것이 아마 이상한 거예요. 그것이 만약에 존재한다면 죽지 않으면 한다는 건데요. 그런데 존재는 유지가 성공할 수 없어요.

역학 제2법칙 때문에 결국은 다 부질수해집니다. 결국은 죽는다는 얘기죠. 그러니까 죽기 때문에 유지하려는 것을 해서 살려면 다른 것밖에 없어요. 나는 죽지만 뭔가를 남기는 거죠. 그게 바로 번식이나 복제를 하는 건데요. 우리가 번식을 통해서 나는 죽어도 나의 유전자를 남기는 건데요. 유전자를 남긴다. 즉 정보를 남기는 건데 정보를 남기고 복제를 할 때 언제나 실수를 합니다. 유전자의 길이가 엄청나게 길거든요. 그걸 똑같이 복제하다가 언제나 실수를 하게 되는데 실수를 하면은 나와는 좀 다른 존재가 만들어져요. 이걸 변이라고 하죠. 이런 변이가 일어났을 때 일어난 변이가 주변 풍경에 잘 맞으면 살아남는 거고요. 안 맞으면 죽는 겁니다. 이게 진화거든요. 그러니까 물리학자가 보기에 이런 유지를 하기 위해서 만들어진 복제가 불안전할 때 언제나 일어날 게 진화예요. 그러니까 유지와 복제가 더 중요한 거죠.

유지한다는 것은 물리적으로 정말 이상하게 보이지만 다행히도 아니면 당연하게도 자연에 있습니다. 아주 놀라운 일은 아니에요. 태풍을 보세요. 태풍은 자신을 유지합니다. 이렇게 복잡하게 생긴 이 구조물이 이게 뭐 거의 이게 크기가 뭐 300kg이 있잖아요. 이런 구조물이 한 2주일 정도 유지가 돼요. 사람인 것처럼 보이기도 하죠. 막 움직이면서 막 이동하잖아요. 자 이런 구조물이 존재하기 위해서는 비평형 다음에 비선현상이 있으면 됩니다. 지금은 알려진 자기조직화의 하나의 예인데요. 이런 구조물이 존재하기 위해서 필요한 것은 물리적으로 하나밖에 없어요. 에너지입니다. 에너지가 공급 때문에 만들어져요. 이 공급이 끊으면 좋습니다.

태풍 같은 경우 에너지가 뭐냐면 수중기거든요. 수중기가 공급이 끊기면 바로 죽어요. 그러니까 이 태풍이 이동하다가 육지에 상륙하는 순간 출시착한다면. 육지에서는 수중기가 없거든요. 그래서 유지를 하는 데 가장 중요한 것은 에너지고 에너지만 공급된다면 유지가 된다. 그래서 생명 문제에서도 물리학자의 최대 관심사는 바로 에너지입니다. 즉 생명체는 어떻게 에너지를 운영하는가. 유지했으면 에너지기 때문이죠. 다행히도 이 지구상의 이 생명체의 에너지 운영방식은 아주 단순해요. 아주 단순해요. 이게 다행히도 하지만 당연할 수도 있어요. 그러니까 에너지 운영이 중요하기 때문에 최초의 생명체가 만들었을 때 사용했던 그 에너지 방식이 변하지 않고 지금까지 계속 진화를 거룩해왔지만 요 방식은 안 건드렸다는 거예요. 워낙 중요하기 때문에. 지구상의 에너지는 제가 몇 번 강조했지만 태양입니다. 태양에선 에너지를 어떻게든 가져와야 되는데 그 일을 하는 것이 바로 이 식물이죠.

태양에서 온 에너지를 이용하여 공기 중에 있는 이산화탄소 그리고 땅에서 흡수한 물 이 두 개를 태양에너지로 결합해가지고 글루코스라고 하는 포도당이라는 분자를 만듭니다. 이 포도당이야말로 생명의 분자죠. 이 포도당이 바로 우리 인간의 또는 동물의 에너지원입니다. 자 우리 같은 동물들은 에너지를 만들어내지 못해요. 태양으로부터 식물이 열심히 만들어 놓은 포도당을 산소와 결합을 하면 이게 탄강 연소 반응인데요. 이걸 태워서 에너지를 만들어 냅니다. 그러면은 별과 부산물로 이산화탄소와 물이 만들어냅니다. 그러니까 여러분 이 화학 반응을 보시면 알겠지만 끝없이 산소가 필요하고요. 결과물로 이산화탄소가 나와요. 그러니까 여러분은 이 화학 반응이 몸에 모두 부서에서 일어나고요. 이 그림에 있는 이

이 존재는 바로 미토콘드리아라고 하는데 여러분 세포에 다 들어있어요. 세포에 수천 개에서 수만 개씩 들어있습니다. 하나 모든 세포에. 이 미토콘드리아에서 이러한 반응을 보여주고 있는데요. 이 모든 미토콘드리아는 계속 산소에 공급이 필요로 해요. 그러니까 여러분은 숨을 쉬어야 됩니다. 숨을 들이마실 때 산소를 들이마셔가지고 허파로 보내서 허파에서 이것을 아까 얘기한 해모글로빈에다가 철에다가 붙이죠. 이 해모글로빈이 혈관을 타고 몸의 모든 곳으로 가요. 그래서 모든 세포에다가 산소를 공급하죠. 이 반응이 끝나면 이산화산소가 나옵니다. 물론 물도 나오죠. 물은 버릴 필요가 없죠. 어쩔 필요하니까. 이산화산소를 혈관을 측에 버립니다. 그것이 허파로 모여서 여러분이 뇌는거죠.

그래서 여러분은 쉴 새 없이 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뱉는 이 과정을 계속해야 됩니다. 이게 멈추면 이게 한 몇 분 멈추면 다 죽어요. 이 반응이 멈추니까. 그래서 우리는 이렇게 작품 되는 기계입니다. 이렇게 동물과 식물이 이산화탄소를 주고받는 동물은 이산화탄소와 물을 내뱉고 이 이산화탄소를 가지고 식물은 이산화탄소와 물을 태양에서 오는 에너지를 이용하여 결합해서 호려나 만드죠. 이걸 다시 우리가 먹어서 다시 이산화탄소를 내뱉고 이렇게 탄소를 주고받는 이 사이클이 이 지구상의 생명체가 존재하는 가장 위대한 반응입니다. 아직 우리 인간은 저 식물이 하고 있는 강화성 반응을 실험실에서 성공하지 못했어요.

그게 성공하는 날 식량 문제가 사라지는 거죠. 지금 성공하지 못했어요. 아무튼 존재하고 있는 가장 위대한 화학 반응입니다. 제가 간단하게 써놓을 수 있기 때문에 복잡해요. 여러분이 이 반응을 배웠습니다. 보답을 때 TCA회로라고 하는데요. 크랩사이클이라고 하죠. 이것이 지구상의 모든 생명체가 물론 모든은 아닐 수 있어요. 항상 조심해야죠 생명체 때는 대부분의 생명체가 에너지를 얻는 방식입니다. 그렇다면 이 복잡한 화학 반응을 보면서 저는 물리학자로서 이런 질문을 원하나 해요. 야 이렇게 복잡한 화학 반응을 도대체 누가 제외하고 있을까? 그렇죠? 컴퓨터가 안 들어온다? 그럴 필요 없잖아요. 이런 복잡한 화학 반응이 굴러가는 원리는 단단한데요. 모든 금자들은 미친 듯이 움직이기 때문에 그렇습니다. 자, 무슨 말이냐면은 지금 화학 반응이 굉장히 기계적으로 작동되는 것 같잖아요. 그렇지 않아요. 제가 이런 비유를 들어볼게요.

만약에 여러분이 지금 망치로 못을 받는 그런 행위를 하고 싶어요. 그런 작업을 하고 싶어요. 그러면 어딘가 못이 있고 어딘가 망치가 있어서 그걸 잘 가져다가 이렇게 반응을 하는 게 아니에요. 생명체에서 일어나는 이런 작업은 이렇게 하는 겁니다. 우리 주변에 망치가 한 수천 개가 날아다니고 있어요. 맞으면 큰일 나겠죠. 여러분 망치가 필요하잖아요. 그러면 손을 내밀어요. 망치가 날아다니니까 언젠간 손에 망치가 걸리겠죠. 망치가 걸리면서 필요한 거예요. 망치가 잡혔죠. 그 다음에 한 개는 못이 필요하죠. 이제 못은 여러분 주변에 한 10만 개가 날아다니고 있어요. 진짜 위험한 것이죠. 손을 내밀어요. 그 다음에 못이 닿으면 딱 잡아요

이 망치와 모습을 가져다가 이렇게 박으면 된 겁니다. 자 이렇게 하는 거예요. 실제로 이 생명체 안에는 필요한 모든 분자들이 막 날아가고 있어요. 이것들이 부딪힐 때 확보하는 일이라는 거죠. 이게 가능한 이유는 끝없이 분자들이 움직이고 워낙 작은 곳에 모여있어 그래요. 그래서 저희가 배웠지만 분자들이 왜 움직이느냐 하면 바로 온도들이 그렇죠. 온도가 바로 이 운동이 이렇잖아요. 그러니까 온도가 유지되면 계속 움직입니다. 실제 우리가 해야 할 일은 분자들이 미친듯이 움직이기 위해서 온도를 유지해야 되고요. 체온을 유지해야 되고요. 그 다음에는 충분한 숫자의 망치와 모습이 필요하겠죠. 그 이 분자들의 농도를 유지시켜줘야 돼요.

실제 여러분이 할 일은 먹는 겁니다. 하루 3끼를 계속 먹으면 분쇄시켜 가지고 혈관을 통해서 모든 세포에 이 분자들의 밀도가 있도록 하고 그 밀도가 떨어지면 여러분이 곱는다는 얘기잖아요. 그러면 점점 반응이 안 일어나겠죠. 그래서 이런 모든 과정은 기계적으로 일어난다. 유지하는 것을 잘 이해하고 있고요. 문제는 복제죠. 사실 저는 복제가 일어난지 잘 모르겠어요. 최초의 복제하는 생명체는 문제 잘 모릅니다. 아직 과학이 모르는 것은 많이 있어요. 하지만 복제가 일어난 과정은 잘 알고 있는데요. 복제라는 것은 주어진 dna를 똑같은 거 하나 더 만들 은 거예요. 근데 똑같은 걸 만들 때 이게 워낙 많거든요. dna의 개수 엄청나게 많습니다. 그래서 이 많은 분자들을 똑같이 복잡하는 과정에서 실수가 일어날 수 있는데 실제로 실수를 합니다.

그래서 dna의 하나하나의 정보를 연기라 그러는데요. 연기가 10만개 있을 때 10만개를 복제할 때 한개 정도의 그런 오차가 있나요. 여러분이 볼 때는 10만개당 1개는 나쁘지 않은 것 같죠. 이 정도로 복제의 오차가 일어나면 다 죽어요. 우리 살 수 없으면 인간은 죽습니다. 아 지금도 여러분 몸에서는 복제가 일어나고 있어요. 왜냐하면 여러분이 지금 서로 문제되는 세포가 오로 떨어지잖아요. 그 빈 장소를 다 채워야 되거든요. 그 다음에 밥을 먹으면 음식물이 내려가면서 이 몸 안에 있는 이 장기관의 세포를 다 떨어뜨려요. 주기관으로 떨어뜨립니다. 그럼 그 빈 장소를 채워야 돼요. 그걸 채울 때마다 세포가 분열을 해야 되고 분열할 때 모든 정보를 가진 dna를 두기 만들어납니다. 여러분은 계속 복제하고 있어요.

그 복제를 할 때마다 10만 개당 하나씩 오차가 일어나면 다 죽어요. 실제 DNA에서는 복제를 하고 그 복제가 올바르게 되는지를 확인하는 과정이 있습니다. 오류 수선이라고 그러는데요. 이 수선을 하기 때문에 실제로는 10억 개당 한 개씩 오차가 일어나요. 10억 개당 한 개에 일어나기 때문에 우리는 할 수 있습니다. 하지만 여전히 오차가 일어나고요. 저 오차가 쌓여서 일어나는 병이 바로 암이죠. 저 오차가 쌓이면 결국은 세포가 이상하게 되는데요. 이상한 세포를 암세포라고 해요. 그런데 이 10억 개당 한 개의 오차라는 것이 얼마나 놀라운 건지를 제가 예를 들어서 소개해볼게요. 염기는 시절에 보이지 않는 작은 분자지만 이것을 우리가 비유로 레고 블럭이라고 해볼게요. 연기 하나가 레고 블럭 하나에요. 그러면 10억 개당 한 개의 실수라는 것은

레고 블럭이 한 1cm 되는게 있거든요 작은데 1cm 짜리가 15개 있다는 뜻이니까 1만 킬로미터라는게 여러분이 레고 블럭을 1cm 짜리를 하나씩 하나씩 세가지고 색깔을 보면서 맞춰가지고 쭉 늘어 세우는데 1만 킬로미터를 세우는거죠. 2만 킬로미터가 얼마큼이냐면 서울에서 뉴욕이에요. 여러분이 서울에서 뉴욕까지 1cm 짜리라 하시나요. 빨간색, 빨간색, 빨간색, 빨간색, 빨간색 근데 실수할 수 있을거에요. 실수를 뉴욕까지 갈 때 다 상반한 뜻입니다. 이 정도의 정확도로 지금 우리가 DNA가 복잡하고 있어요. 사실 이거 믿기 어려운 정확도에요. 그래서 이걸 보고 휴레딩거 여러분 전에 같이 공부했던 휴레딩거가 물리학자지만 생그라 책이 있습니다. 그래서 이 책의 제목은 What is life? 생명이란 무엇인가. 믿기 어려운 책이죠. 물리학자랑 생그라 책인데요. 바로 휴레딩거 이런 얘기하는거죠. 자 이런 복제를 할 때 이 정도의 정밀도로 한다는 것은 불가능하다. 이거는 그냥 정상적인 방법이 아니고 뭔가 다른 것들은 다른 것들은 다른 것들은 필요한데 아마도 양적학이 아닐까. 무슨 말이냐면 여기 지금 AG라는 원자와 CL라는 원자가 들어갔을 때 이것이 이온으로 바뀌구요. AG, CL이라는 고체를 만드는 과정입니다.

이 과정에서 이 원자들이 서로 서로 알아서 ag, 은인데요. 은과 염소가 서로 알아서 탁탁탁 붙어요. 탁탁탁 두 개씩 붙어요. 단 한 차례는 실수가 없어요. ag, 2c 이렇게 두 개가 하나 이런 일이 일어나지 않아요. 왜 안 일어나면 양자역학적으로 이런 구조와 외에는 다른 게 안 가능해서 그래요. 이렇게 양자역학으로 할 때에는 이렇게 아보가도로스에 가까운 10억 곱하기 10억 곱하기 10억 개의 이런 원자들이 한 치의 오차 없이 착착착 붙습니다. 그러니까 바로 휴대전화의 수향은 우리 인간의 DNA는 바로 양자역학적인 수준에서 정보가 들어있다는 겁니다. 아 놀라운 통찰력이죠. 그러니까

가장 깊은 곳에 들어가서 생명의 정보를 들여다보면 그 안에는 원자 결합 수준에서의 정보가 있어야 한다는 뜻이에요. 원자 몇 개로 되어있다는 얘기죠. 그래서 이 이야기에 영감을 얻고서 여러분 잘 아시죠? 왓슨과 크리 DNA 구조를 밝힌 공조로 두 사람이 DNA 구조를 알아낸다. 현재 우리가 알기는 DNA 25인데요. 제가 연기라고 몇 번 얘기했던 것이 저 안에 들어있는 6각형 5각형 구조물이 바로 연기네요. 6각형 5각형은 꼭짓점 하나의 원자가 하나씩 있어요. 원자 5개 6개 만화의 원자 10개 정도가 모여서 하나의 기본 단위를 이루는데요. 요 분자 두 개의 길게가서를 마주보는 구조가 바로 DNA입니다. 이렇게 돼 있기 때문에

오차 없이 착착착 그는 거예요. 즉 우리 같은 생명체의 유전 정보는 양자역학적 수준에 들어있었던 것이죠. 그래서 지금 보신 것처럼 유전자를 조립하는 원리가 양자역학이듯이 저는 양자역학과 마구 움직이는 제멋대로 움직이는 그런 원자들의 모습 그것을 조합해서 생명의 어떤 모습을 물려다드는 상상의 수가 있는데요. 이 보시는 화면에 있는 것들은 생명체에서 일하는 여러 중요한 과정들을 보이고 있어요. DNA가 복제되는 과정, DNA가 RNA로 전사되는 과정, 단백질이 합성되는 과정 뭐 제가 자세한 얘기는 하지 않았는데요. 이 그림을 보시면 어떤 생각이 들으시나요?

생물은 원자로 만들어진 화학기계다 라는 것이 바로 이 생명에 대한 물리학자의 결론이죠. 우리들은 원자가 작동되는 화학기계입니다. 그렇기 때문에 여러분이 몸이 아플 때 다른 원자들을 넣어주면 몸이 괜찮아져요. 그 원자가 바로 약이죠. 그러니까 여러분이 체온을 유지해야지만 화학반응이 유지가 되는 거고요. 산소를 넣어줘야지만 화학반응이 일어납니다. 그래서 어떤 분들은 이런 문장들을 싫어할 수 있겠지만 현재까지 우리가 알아낸 바에 따르면 생명체라는 것은 원자로 만들어진 화학기계입니다. 쇼킹한 문장으로 오늘 수업이 끝나는데요. 오늘 사실 이 수업의 목표는 물리학의 시각으로 존재하는 모든 것을 이해해보자는 거였어요. 그래서 처음에 가장 작은 기본 입자, 가장 큰 우주, 그리고 우주 안에서 가장 중요했던 우리에게 별, 별이 만들어내는 원자, 그리고 이 원자들이 모여서 만들어지는 분자, 그리고 이 분자들 가운데 두 종류의 어떤 존재, 하나는 물질, 그리고 생명, 이 모든 것들을 다 양자역과 물리학으로 이해할 수 있다는 것은 원자들을 넣어주면 몸이 괜찮아져요. 그 원자가 바로,

약이죠. 그러니까 여러분이 체온을 유지해야지만 화학 반응이 유지가 되는 거고요. 산소를 넣어줘야지만 화학 반응이 일어납니다. 그래서 어떤 분들은 이런 문장들을 싫어할 수 있겠지만 현재까지 우리가 알아낸 바에 따르면 생명체라는 것은 원자로 만들어진 화학기계입니다. 좀 쇼킹한 문장으로 오늘 수업이 끝나는데요. 오늘 사실 이 수업의 목표는 물리학의 시각으로 존재하는 모든 것을 이해해보자는 거였어요. 그래서 처음에 가장 작은 기본 입자, 가장 큰 우주 그리고 우주 안에서 가장 중요했던 우리에게 별 별이 만들어내는 원자 그리고 이 원자들이 모여서 만들어지는 분자 그리고 이 분자들 가운데 두 종류의 어떤 존재 하나는 물질 그리고 생명. 이 모든 것들을 다 양자역과 물리학으로 이해할 수 있다는 걸 제가 이야기한 거고요. 하지만 물론 아직도 우리는 모르는 것들이 있습니다. 아직 생명을 다 이해하지 못했고 인간을 다 이해하지 못했고 이 물질 세계를 다 이해하지 못했어요. 하지만 지금까지 알아낸 것만 가지고 또 이 정도의 우주를 이해할 수 있다. 이런 방식으로. 그래서 제가 이번 수업의 제목을 빅픽쳐. 큰 그림이라고 했던 겁니다. 그래서 여러분이 오늘 한 번 눈을 감고 이 우주 전체를 조망해 보는 시간을 가지면 될 것 같아요. 네. 감사합니다.

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