우주를 지배하는 힘, 중력, 전자기력, 약력, 강력

 

우주를 지배하는 힘! (중력, 전자기력, 약력, 강력)

 

 

  우주 전체를 관장하는 네 가지 힘, 즉 우주의 물리 법칙을 이해한다면 전기, 인터넷, 트렌지스터, 레이저 등 우리 생활 깊숙이 자리잡고 있지만 잘 알지 못했던 문명의 근본 원리를 쉽게 이해할 수 있는 계기가 될 것입니다. 지금까지는 과학자가 아닌 일반 대중이 이 원리들을 이해하지 못한다해도 크게 문제될 것은 없었습니다만 4차 산업혁명이라 불리는 앞으로의 변화에, 보다 근본적이고 능동적으로 대처하려면 이러한 것들을 이해하려는 노력들이 분명 필요하리라 봅니다.

 

또한 불과 한 달전, 처음으로 인류는 '중력파' 검출에 성공하면서 자연을 지배하는 대법칙 중, 중요한 요소 하나를 규명하는데 바짝 다가서고 있습니다. 또 하나의 우주의 비밀이 밝혀지는 순간, 그때마다 역사와 문명은 커다란 변화를 격게 되는데 이 힘들이 우리의 삶을 어떤 식으로 바꿔놓을지 궁금하고도 설레일 따름입니다^^

 

1. 우주를 지배하는 힘, 첫째 : 중력   

 

  지구의 중력선들은 어디서든 지구의 중심을 향하며 물체를 그곳으로 끌어당깁니다. 중력의 세기는 중력선의 밀도(일정한 면적을 통과하는 중력선들의 개수)에 비례합니다. 따라서 중력선들이 지구에 접근해 들어올수록, 점점 더 좁은 면적안으로 몰리게 되므로 중력이 점점 강해집니다. 

 

즉, 지구와 가까워질수록 1/(그림의 빨간 점선으로 표시된 구면의 면적)에 비례하며 커지므로, 지구 중심으로부터의 거리를 r이라고 가정한다면, 지구의 중력은 1/r의 제곱에 비례하며 증가합니다. 이것이 바로 뉴턴이 발견한 '중력에 관한 역제곱 법칙(inverse square law for gravity)'입니다!

 

 

아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 임의의 물체가 힘을 받을 때 움직이는 방식을 역학(mechanics)을 이용해 설명하고 집대성했습니다. 이를 토대로 증기를 이용한 기차와 발전소 그리고 현대 문명의 가장 극적인 순간인 산업혁명이 이 뉴턴의 법칙에서 시작되었다 해도 과언이 아닙니다.

 

 

 

지구의 중력선들

 

2. 우주를 지배하는 힘, 두번째 : 전자기력 

 

 

 

  우리 생활 도처에 널려 있는 가전 제품을 작동시키는 원동력이 전자기력이며 우주에서 가장 중요한 역할을 하는데요, 어린 시절 빳빳한 종이 아래 막대 자석을 놓고 종이 위에 철가루를 뿌리면 그림과 같이 자기력선이 정렬하는 것을 본 적 있으신지요? 자기력선은 자석의 한 극에서 나와 반대극 쪽으로 휘돌아 들어가는데

이런 자기력선의 집합을 자기장 (magnetic field)라고 합니다.

 

 

 

자기장

 

 

 

 

지구도 자석처럼 북자극과 남자극을 가지고 있습니다. 자기력선들은 남자극에서 나와 지구를 감싸 북자극으로 들어갑니다.

 

 

 

 

지구의 자기력선들

 

 

 

 

자석의 척력을 활용해 열차를 뛰우는 자기부장 열차는 자기력을 이용한 것이며, 태양에서 날아온 양성자들이 지구 자기력선에 이끌려 지구 대기권의 산소, 질소 분자와 부딪쳐 그들로 하여금 형광을 내게 하는 것이 오로라 현상입니다!

 

 

 

 

노르웨이 함머패스트 상공의 오로라

 

 

 

 

 

 3. 우주를 지배하는 힘, 세번째와 네번째 :

약력(weak force)과 강력(strong force)

 

 

 

  약력과 강력은 원자핵 스케일에서 작용하는 힘입니다. 아인슈타인이 E=mc²를 밝혀낸 후 과학자들은 1930년대에 입자가속기를 이해 원자를 분해하는데 성공했습니다. 그때서야 하늘에서 오는 빛이 바로 별들의 내부에서 진행된 핵융합반응의 부산물임을 알아냈을 뿐만 아니라 핵무기를 만들고 핵융합반응을 지구에서 수행할 수 있을지도 모른다는 희망을 품게 되었습니다.

 

 

   중력은 뉴턴의 이론에서 아이슈타인의 일반상대성이론으로 발전했고, 나머지 세 힘(전자기력, 약력, 강력)은 양자역학으로 발전했습니다!