물리학의 기본 원리는 종종 우리의 직관과 충돌합니다. 다리 위를 흐르는 수로에 배가 들어오면 다리가 버텨야 할 무게는 얼마나 증가할까요? 우주가 팽창한다는 것은 무엇을 의미하며, 우주에 경계는 존재할까요? 그리고 지구상에서 가장 무거운 물질은 무엇일까요? 이러한 질문들은 단순해 보이지만, 그 안에는 물리학의 깊은 원리가 숨어 있습니다. 오늘은 이 흥미로운 물리학적 질문들을 하나씩 풀어가며, 과학적 사고의 정확성과 비유의 중요성을 함께 탐구해보겠습니다.
다리 위 수로를 지나는 배와 아르키메데스 원리
다리 위에 설치된 수로를 배가 지나갈 때, 다리가 버텨야 하는 무게는 어떻게 변할까요? 직관적으로 생각하면 수로의 무게에 물의 무게, 그리고 배의 무게까지 더해져 훨씬 무거워질 것 같습니다. 하지만 물리학의 답은 놀랍게도 "배가 있어도 다리가 버텨야 되는 무게는 똑같다"입니다. 이 현상의 핵심은 아르키메데스 원리에 있습니다. 물이 있고 그 위에 배가 떠 있으면, 배가 잠기면서 원래 물이 있던 부분의 물을 바깥으로 밀어냅니다. 이때 배가 떠 있을 때 물 속에 잠긴 부분에 들어 있던 물의 무게가 배의 무게와 정확히 같습니다. 즉, 배 무게와 밀려난 물의 무게가 동일하므로, 전체 무게는 변하지 않는 것입니다. 다만 이 원리가 적용되기 위해서는 중요한 조건이 있습니다. 교각이 있고 다리가 걸쳐져 있으며 그 위에 물이 흐를 때, 배를 올려놓으면 배가 밀어낸 물이 바깥쪽으로 나갈 수 있어야 합니다. 만약 밀려난 물이 빠져나갈 공간이 없다면 상황은 달라집니다. 수로 부분에 원래 있던 물이 바깥쪽으로 밀려나지 않고 그대로 머물러 있다면, 이 경우에는 무게가 증가합니다. 결국 물이 찰랑찰랑 있는 상태에서 배가 들어가면 밀려간 부피만큼 물이 넘치게 되고, 그 넘친 물은 교각이 버텨야 할 이유가 없으므로 교각이 버텨야 되는 무게는 배가 있으나 없으나 똑같다는 결론에 도달합니다. 물의 부피에 물의 밀도를 곱하고 중력 가속도를 곱하면 무게가 되는데, 물의 밀도와 중력 가속도가 일정하므로 부피와 무게를 환산할 수 있습니다. 이처럼 아르키메데스 원리는 복잡해 보이는 상황을 명쾌하게 설명해줍니다.
우주 팽창과 경계 없는 우주의 개념
우주가 계속 팽창한다는 이야기는 많이 들어봤을 것입니다. 그렇다면 우주가 팽창하는 그 끝이 결국 우주의 경계가 되는 것일까요? 이 질문에 대한 답은 생각보다 복잡합니다. 경계라는 단어 자체가 우주에게 적용하기 애매한 측면이 있기 때문입니다. 물론 다양한 방식으로 우주의 지평선이나 우주의 경계를 정의할 수는 있지만, 이는 기준에 따라 달라지는 상대적인 개념입니다. 실질적으로 우주는 끝이 없을 것이기 때문에 절대적인 경계를 이야기하기 어렵습니다. 우리가 빛을 통해 볼 수 있는 가장 먼 우주, 즉 관측 가능한 범위는 정의할 수 있지만, 이는 물리학적인 정의일 뿐입니다. 현대 우주론에서는 우주 공간 자체가 무한한 크기를 갖고 있을 것으로 봅니다. 공간은 무한하다는 것이 보편적인 설명입니다. 흥미로운 점은, 천문학자들이 약 460억 광년까지 관측한 결과 우주가 평평해 보인다는 것입니다. 물론 461억 광년 너머에서 우주가 휘어져 있을 가능성을 완전히 배제할 수는 없지만, 460억 광년 정도 안에서 평평하면 앞으로도 계속 평탄할 것이라고 생각하는 것이 합리적입니다. 이를 이해하기 위한 가장 좋은 비유는 풍선입니다. 풍선의 전체를 보지 말고 표면만 보는 것입니다. 풍선 표면을 보면 끝이 없습니다. 표면에서 돌아다니다 보면 어디서도 끝나는 데가 없습니다. 하지만 풍선에 바람을 더 많이 불어 넣으면 풍선이 점점 커지고, 풍선 위에 있는 입장에서 볼 때는 자기와 자기 친구 사이 거리가 점점 늘어납니다. 이것이 바로 팽창입니다. 끝이 없는데도 팽창하는 것입니다. 이 비유의 핵심은 풍선을 바깥에서 보지 말고, 표면에만 집중해야 한다는 점입니다.
빅뱅과 밀도가 높은 물질의 진실
많은 사람들이 빅뱅을 어떤 포인트에서 폭발이 일어난 것처럼 생각하는데, 이는 잘못된 생각입니다. 빅뱅은 어느 순간에 없던 것이 생기는 것입니다. 어디서? 바로 여기서, 모든 곳에서 동시에 생긴 것입니다. 빅뱅이 어디서 일어났냐고 하면 답은 "여기"입니다. 우주상의 모든 장소가 동등하기 때문에 우주에는 중심이 없으며, 모든 곳이 중심이라고 할 수 있습니다. 이를 고무줄 비유로 설명하면 더 명확해집니다. 고무줄에 일정한 간격으로 매듭을 넣은 다음 고무줄을 잡아당기면, 어떤 매듭을 보더라도 주변 매듭들과의 거리가 동일한 비율로 증가합니다. 우주의 중심이라고 할 수 있는 것이 없고, 우리가 우주의 중심이기도 하며 동시에 우주의 경계이기도 합니다. 팽창이라는 말 자체가 바깥에서 바라보는 관점에 익숙한 표현이지만, 우리는 우주 안에 있으므로 우주를 바깥에서 볼 수 없습니다. 한편, 지구상에서 가장 무거운 것에 대한 질문도 흥미롭습니다. 밀도가 높은 것을 찾자면 원자 번호가 가장 큰 쪽, 예를 들어 우라늄 같은 원소들을 떠올릴 수 있습니다. 하지만 원자번호가 높다고 해서 항상 더 무거운 것은 아닙니다. 원자번호가 높은 제일 뒤쪽 원소들은 만들어지면 곧바로 없어지기 때문에 안정화가 되지 않습니다. 예를 들어 원자번호 저 뒤쪽 것들은 만들면 100만분의 1초, 10만분의 1초 만에 가벼운 원소들로 분해됩니다. 자연 상태로 그냥 존재하는 것이 절대 불가능합니다. 따라서 실제로 의미 있는 "무거운 것"은 안정적으로 유지되면서 밀도가 높은 물질이어야 하며, 현실적인 후보로는 오스뮴이나 이리듐 같은 원소들이 지구상에서 가장 밀도가 높은 물질로 꼽힙니다.
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물리학의 원리들은 때로 우리의 직관과 충돌하지만, 정확한 이해를 통해 세상을 더 명확하게 볼 수 있게 해줍니다. 아르키메데스 원리는 배와 물의 관계를 명쾌하게 설명하고, 우주론은 풍선과 고무줄이라는 탁월한 비유를 통해 복잡한 개념을 전달합니다. 빅뱅에 대한 오해를 교정하고, 밀도 높은 물질의 조건을 이해하는 것은 과학적 사고의 정확성을 높이는 과정입니다. 사용자의 비평처럼, 이러한 설명들은 교과서적 정확성과 대중적 이해 가능성을 완벽하게 결합한 사례라 할 수 있습니다.
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**[출처]**
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=q1Q_aIwuf8M&list=PLYeXRzoBwGeHVguBktW327fxb1tKqLXrR&index=140