<선생님도 놀란 과학뒤집기>
- 심화편: 전기와 자기 -
- (연계) 기본편: 전기, 자석 -
아인슈타인은 우주의 법칙을 하나로 아우를 통일장 이론을 만들고자 했지만 끝내 꿈을 이루지는 못했죠.
아인슈타인 이전에도 이런 시도는 있었는데,
뉴턴은 사과를 땅으로 잡아 당기는 힘과 달이 지구 궤도를 돌게 만드는 힘이 동일한 하나의 힘이라고 주장하죠.
이것으로 뉴턴은 천체와 지구를 중력이라는 하나의 이론으로 통일시켰어요.
중력은 자연계에 존재하는 네 가지 힘 중에서 가장 먼저 과학적으로 밝혀졌습니다.
그후 전자기력, 강력, 약력이 입증되었어요.
달에 착륙했던 로켓의 진로를 계산하는 데에는 뉴턴의 방정식만 있으면 되요.
하지만 뉴턴의 법칙이 중력의 힘을 정확하게 나타냈기는 했지만
중력이 어떻게 작용하는지는 전혀 몰랐죠.
후대 250년 동안 이 문제에 부딪힐 때마다 못 본 척 외면해 왔어요. 그러다 아인슈타인이
빛의 운동을 연구하였고 그 결과, 중력의 미스터리를 풀게 되는 계기를 마련하게 된 셈이었죠.
아인슈타인의 시공간으로
중력의 파장이 빛의 속도와 똑같이 이동하고,
중력은 시간과 공간의 장을 구부러지고 휘게 한다고요.
바로 '일반 상대성 이론'입니다.
이후 아인슈타인은 중력과 전자기력을 통합시키고자 했어요.
전자기력은 전기력과 자기력이 하나로 통합된 자연계의 힘이예요.
제임스 클라크 멕스웰은 전기력과 자기력이 반드시 통합되야 하는 관계에 있다고 생각했어요.
천둥 번개가 치는 산꼭대기에 오르게 되면 전기력과 자기력이 밀접한 관계에 있다는 걸
나침반을 통해 알게 됩니다.
전기 입자의 흐름, 전류가 흐를 때는 번개가 칠 때처럼 자기장이 생깁니다.
멕스웰은 이 관계를 수학으로 증명하고자 하였고 네 개의 방정식이 탄생하며, 전자력과 자기력을 통합하게 되죠.
멕스웰의 통합 이론은 뉴턴과 마찬가지로 우주의 비밀을 푸는 데 한 발자국 더 다가가게 해주었죠!
아인슈타인은 멕스웰을 매우 존경했다고 하죠. 그리고는 자신의 중력 이론과 멕스웰의 전자기력을 통합시키고 싶어했어요.
뉴턴은 중력 이론으로 천체와 지구를 통합했고,
멕스웰은 전기력과 자기력을 통합시켰습니다.
그리고 아인슈타인에겐 그의 새 중력 이론과 멕스웰의 전자기학을 통합시켜
우주의 모든 법칙을 아우르는 유일한 이론, 만물의 이론을 만들려는 시도를 했어요.
하지만 두 힘 사이에 존재하는 힘의 차이가 많다는 것을 알게 되죠.
우리가 중력에 의해 땅 속으로 꺼지지 않는 이유는
원자끼리의 척력 때문이죠.
전자기력이 중력 보다 크다는 셈이네요~
이렇게 서로 다른 두 힘을 통합한다는 것이 아인슈타인에게도 힘겨운 싸움이였어요.
게다가 닐스 보어와 같은 과학자들은
원자가 더 작은 입자, 양자와 중성자로 된 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되었다고 했고,
아인슈타인과 멕스웰의 이론은 원자 안에서 서로 상호작용하는 이 작은 입자들을 설명하는 데에는 무용지물이었어요.
새로운 이론이 필요했고, 양자역학이 나옵니다.
그리고 원자의 구성을 조사하던 중 두 개의 힘이 더 발견되었죠.
양성자와 중성자를 단단하게 결속시켜 원자핵 형태를 유지시켜주는 강력과
우라늄이나 코발트와 같은 원소에서 방사능 붕괴를 일으키는 힘,약력 입니다.
중력, 전자기력, 강력, 양력
이 네 개의 힘 중에서 중력이 매우 약하다는 게 중력의 비밀 중 하나죠.
상대성이론을 양자에 적용할 수 있을까요?
양자역학은 중력을 제외한 다른 자연계 힘이 미시세계에서 어떻게 작용하는지 설명해 줍니다.
칼 슈바르츠쉴트는 블랙홀을 언급합니다.
거대한 물체가 극단적인 수축을 일으키면 시공간이 뒤틀리게 되고, 그 안에 중력이 무한대가 되어
빛 조차 탈줄하지 못한다는 것을 알아내죠.
이론으로만 존재하던 블랙홀이 현대에는 실제 존재한다는 것을 압니다.
블랙홀은 거시세계이자 미시세계이니 두 이론 모두 적용할 수 있어야 할텐데
일반상대성이론과 양자역학을 적용하려고 하면 충돌을 일으킵니다.
그런 이유 때문에 영화<인터스텔라>에서 블랙홀에 들어가서야 중력과 시간의 비밀을 풀게 되고
시계에 그 해답을 중력을 통해 전자기력을 상징하는 모스 부호로 넣는 스토리가 나온 거죠~
묘하게 통일장, 만물의 이론을 묘사했네요? ㅎㅎ
거시세계와 미시세계의
수학적인 공존을 위한 연구는 끈이론으로 향합니다.
지금까지 이론물리학의 발전을 살펴보았고요~
저번 주의 중력에 이어 이번 주는 전자기력을 살펴보았어요.
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 책 23쪽▲
원자의 구성은 과학뒤집기 기본편에서부터 만나볼 수 있어요.
그리고 기본편 강의를 통해 보다 알찬 설명을 들을 수 있게 되요~
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
그리고 전하량을 알게 되고, 마찰전기를 이해하게 되요.
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
과학뒤집기 기본편과 심화편 강의를 통해 전류와 전압에 대해 이해를 더할 수 있어요!
전기와 자기에는 인력과 척력이 존재하면서 묘하게 닮은 구석이 있지요~
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▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 52쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 책 34-35쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 54쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 58쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 112-113책▲
끌어 당기는 힘(인력)과 밀어 내는 힘(척력).
중력에는 인력만 존재하는 반면 자기와 전기에는 두 가지 반대되는 힘이 존재 하네요~
멕스웰이 천둥칠 때 나침반이 한 바퀴 도는 것을 보고 자기와 전기 사이에 밀접한 관계가 있다고 생각했듯이
철에 전류가 흐르면 자석이 되요!
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▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 116쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
이를 두고 '전자석'이라고 부르죠~
전자석은 전류가 흐를 때만 자석이 되지만 일반 자석과 공통된 성질을 가지고 있답니다.
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
철에 감은 에나멜선이 굵고 촘촘하게 감았을 때, 전류가 강할수록 전자석의 힘은 세집니다!
비가 내릴 때 번개가 치면서 전류가 흐릅니다.
그 과정은 강의를 통해 자세히 설명을 들을 수 있었어요~!!
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▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 강의▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
번개가 칠 때 위와 같이 선도 낙뢰와 귀환 낙뢰로 두 번에 걸쳐 전류가 이동합니다.
따라서 나침반을 번개를 칠 때 보면 회전 방향이 두 방향 차례로 모두 나타나죠.
그 방향은 과학뒤집기 심화편에 소개되는 '오른손 법칙'을 통해 예측해 볼 수 있어요~
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▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 132-133책▲
먼저 땅으로 향하는 선도 낙뢰가 일어나고, 이후 하늘 위로 치솟는 귀환낙뢰가 일어나기 때문에
나침반이 시계방향으로 회전하다가 곧 반시계방향으로 회전할 겁니다.
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 84-85책▲
이어 관련해서 심화편에 번개가 오존과 식물을 자라는 데 필요한 양분인 질산을 만들어 낸다네요.
그리고 질산이 바다로 들어가면 아미노산이 만들어지기 때문에 원시 생물 탄생에도 연관이 있다고 보고 있어요.
흥미로운 내용이예요~
전기는 일을 할 수 있는 능력, 에너지를 낼 수 있어요.
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▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 책 65쪽▲
댐과 같이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 위치 에너지로 전기 에너지를 얻을 수 있어요.
전기가 통하면 열아 발생하고
열 에너지는 열차를 움직이게 하는 운동 에너지로 바뀌기도 하죠.
그 밖에 다양한 에너지가 존재하고 전환됩니다.
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▲ 과학뒤집기 기본편 18. 전기, 책 66쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 38쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 87쪽▲
자석 주변에 철가루를 뿌리면 자기장을 볼 수 있듯이 지구와 같은 행성은 하나의 커다란 자석이라고 하죠~
상대방을 잡고 한 자리에서 돌면 상대방이 내 쪽으로 당겨지듯 자전하는 행성에 발생되는 중력은 이해할 수 있는데
양극이 자석처럼 S극와 N극, 자북과 자남이 생긴다는 점은 늘 신기해요!
게다가 과학뒤집기 심화편 <전기와 자기> 136쪽 오른손 법칙에 의한 감겨진 도선, 코일의 자기장 방향과 똑같아요!
자전에 의한 운동에너지에서 전기에너지가 발생되는 걸까요?
그래서 코일과 같은 자기장이 발생되는 걸까요?
아니면 열이 나서 자기장이 발생되는 걸까요?
과학뒤집기 심화편 <전기와 자기> 122쪽에 따르면
마그마는 온도가 높을 때는 자기를 띠지 않다가 퀴리온도 밑으로 떨어지면 자기장 영향을 받는다고 하니..
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▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
퀴리 온도와 관련해서
과학뒤집기 기본편 <자석>에서는 48쪽에 어떻게 하면 자석을 잘 보관할 수 있을지를 알려줍니다.
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 121책▲
암튼 지구는 지구의 자기장에 대해 과학뒤집기 심화편에서 자세히 배우게 되요~
나침반의 기울기가 자전축에서 11도 정도 기울어져 있는데 시간이 지날수록 계속 기울기가 변하고,
그래서 먼 옛날에는 지구 자기 방향이 지금과 달랐다는데
나침반의 기울기가 계속 변하는 이유가 과연 무엇 때문일까요?
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 116-117책▲
두 개의 자석이 어떻게 놓이느냐에 따라
주변에 뿌려놓은 철가루의 모양이 달라지듯,
지구와 다른 행성 간에 영향으로 인해 지구의 자기장 축이 조금씩 변하는 걸까요??
책에는 나오지 않아 궁금증을 해결해 볼 수는 없었지만
읽으면서 "왜? Why?"라는 다양한 호기심이 생기는 건 바람직하다고 생각해요~ ^^
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 책 148-149쪽▲
행성에 존재하는 자기장과 오로라 현상을 과학뒤집기 기본편에서 살펴볼 수 있습니다.
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 140-141책▲
과학뒤집기 심화편 <전기와 자기>에서의 핵심은 전기력과 자기력이 힘을 만들어 낸다는 '왼쪽 법칙'과
전동기, 즉 모터의 원리를 이해하는 것이죠!
▲ 과학뒤집기 기본편 13. 자석, 강의▲
▲ 과학뒤집기 심화편 15. 전기와 자기, 강의▲
전동기와 관련해서는 과학뒤집기 심화편 강의 보다는 기본편 강의에서
전동기의 원리를 보다 쉽고 상세히 설명해 줍니다.
이로써 자연계의 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력 중에서
중력에 이어 전자기력을 배웠네요~
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