학교 과학 시간에 선생님이 "무중력 상태에서는 어떻게 무게를 잴까요?"라고 물으셨을 때, 저는 한참 고민했던 기억이 납니다. 중력이 없으면 저울도 소용없을 텐데 말입니다. 그런데 물리학에서는 무게와 질량을 엄격히 구분하고, 중력이 없어도 질량을 측정할 수 있는 방법이 존재합니다. 또 갈륨처럼 손 위에서 녹는 신기한 금속부터, 유리가 정말 액체인지에 대한 오래된 논쟁까지, 우리 주변 물질의 상태 변화에는 흥미로운 과학 원리가 숨어 있습니다.
무중력에서 질량을 재는 방법, 관성의 비밀
우주정거장처럼 중력이 거의 없는 환경에서도 질량 측정은 가능합니다. 핵심은 무게(weight)와 질량(mass)이 다른 개념이라는 점입니다. 무게는 중력과 질량의 곱으로 결정되지만, 질량은 물체 자체가 가진 고유한 성질입니다. 여기서 질량이란 물체의 운동 상태를 변화시키기 어려운 정도, 즉 관성(inertia)의 크기를 의미합니다([출처: NASA](https://www.nasa.gov)). 실제로 NASA에서는 스프링 진동 방식의 질량측정기를 사용합니다. 물체를 특수 장치에 고정한 뒤 진동시키면, 질량이 클수록 진동 주기가 길어지는 원리를 이용하는 것입니다. 또 다른 방법은 물체를 줄에 매달아 회전시키는 것입니다. 이때 줄에 걸리는 장력을 측정하면 원운동 공식(F=ma)을 통해 질량을 계산할 수 있습니다. 영상에서 농담처럼 나온 "발로 차서 아프면 질량이 큰 것"이라는 설명도 물리학적으로는 틀린 말이 아닙니다. 저도 처음엔 농담인 줄만 알았는데, 생각해보니 관성의 정의를 정확히 설명한 것이었습니다. 정지해 있던 물체에 힘을 가했을 때 빠르게 움직이지 않는다면, 그만큼 관성질량이 크다는 뜻입니다. 실제로 우주비행사들도 큰 장비를 옮길 때 이런 원리를 체감한다고 합니다.
물은 왜 갑자기 얼고, 유리는 정말 액체일까
물의 상태 변화는 물리학에서 상전이(phase transition)라고 부릅니다. 대부분의 물질은 1차 상전이, 즉 불연속 상전이를 겪습니다. 물이 정확히 0°C에서 얼고 100°C에서 끓는 것처럼, 특정 온도에서 급격히 상태가 바뀌는 현象입니다. 반면 연속 상전이는 온도 변화에 따라 천천히 성질이 변하는 것을 말합니다([출처: 한국물리학회](https://www.kps.or.kr)). 저는 학창 시절 갈륨(Gallium)이라는 금속 이야기를 들었을 때 정말 신기했습니다. 녹는점이 29.8°C라서 손바닥 위에 올리면 천천히 녹아내린다고 하더군요. 직접 만져보고 싶었지만, 수은처럼 중금속 중독이 걸리지 않을까 걱정되어 시도하지 못했습니다. 나중에 알고 보니 갈륨은 수은만큼 위험하지 않다고 하는데, 당시엔 몰랐던 거죠. 금속도 사실은 불연속 상전이를 겪습니다. 철의 녹는점은 약 1538°C인데, 이 온도에 도달하면 급격히 액체로 변합니다. 다만 우리 눈에는 열을 받으면서 점점 말랑해지는 것처럼 보일 뿐입니다. 이는 결정 구조의 결함이 증가하고 탄성이 감소하는 과정이지, 실제로 고체와 액체의 경계를 넘나드는 것은 아닙니다. 유리에 대한 오래된 믿음 중 하나는 "유리는 천천히 흐르는 액체"라는 것입니다. 유럽의 오래된 성당 유리창 아래쪽이 위쪽보다 두껍다는 것이 그 근거로 제시되곤 했습니다. 하지만 현대 물리학에서는 유리를 비정질 고체(amorphous solid)로 분류합니다. 여기서 비정질이란 결정 구조가 없다는 뜻입니다. 일반 고체는 원자들이 규칙적으로 배열된 결정 구조를 가지지만, 유리는 원자 배열이 불규칙합니다. 실제로 계산해보면 유리가 눈에 보일 만큼 흐르려면 수십억 년이 걸립니다. 성당 유리가 아래쪽이 두꺼운 이유는 제작 당시부터 그렇게 만들어졌기 때문입니다. 저도 예전엔 유리가 액체라는 설명을 그대로 믿었는데, 최근 자료를 찾아보니 이미 과학계에서는 정정된 내용이었습니다. Pitch Drop Experiment라는 유명한 실험이 있습니다. 1927년 호주에서 시작된 이 실험은 타르 같은 물질을 깔때기에 담아두고 몇 년마다 한 방울씩 떨어지는 것을 관찰하는 것입니다. 지금까지 약 9번 정도 방울이 떨어졌다고 합니다. 저도 유튜브에서 빨리감기 영상을 본 적이 있는데, 정말 천천히 흐르더군요. 안타까운 점은 실험을 시작하신 교수님께서 결과를 보지 못하고 돌아가셨다는 것입니다.
물리학은 우리 주변의 평범해 보이는 현상들 속에 숨은 원리를 밝혀냅니다. 무중력에서 질량을 재는 방법부터 물질의 상태 변화, 유리의 정체까지, 알고 보면 모든 것이 과학적으로 설명 가능합니다. 갈륨처럼 신기한 물질을 직접 체험해보지 못한 것은 아직도 아쉽지만, 이런 지식들을 알아가는 과정 자체가 즐겁습니다. 앞으로도 일상 속 물리 현상에 관심을 가지고 관찰해보면, 세상을 보는 눈이 조금 더 넓어지지 않을까 싶습니다.
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참고: https://www.youtube.com/watch?v=i2276yX8NR8&list=PLYeXRzoBwGeHVguBktW327fxb1tKqLXrR&index=133