파란색 셔츠는 파란색이 아니다?

[과학 이야기 1] 시간과 공간, 물질은 상대적이다

등록 2008.02.10 18:13수정 2009.07.13 10:56
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지구에서 우리가 보는 하늘은 이렇게 아름답다. 하지만 공기가 없는 달에서는 낮에도 하늘이 까맣게 보인다. 지구상공에 있는 대기권덕분에 우리는 아름다운 세상을 보며 산다. ⓒ 노기홍


눈으로 보는 세상은 아름답다. 우리는 눈을 통하여 색상을 구별하고, 사물의 높낮이와 거리를 측정하고 3차원 세계를 인식하며 산다. 시력이 나빠져 안경이 없이는 사물을 잘 볼 수 없을 때 답답함을 느끼게 되는 것도 우리가 눈을 통하여 세상을 보는 것에 익숙해져 있기 때문일 것이다.

그러나 우리가 보는 이 세상도 전부는 아니며 절대적인 것도 아니다. 우리는 수많은 빛 중에서 가시광선(빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보)만 볼 수 있다. 따라서 광활한 우주와 세상의 신비로운 모습 중에서도 극히 일부분만 볼 수 있고 가시광선의 파장을 벗어난 적외선이나 자외선, 감마선 등은 볼 수 없다.


인간의 눈의 시각구조는 그만큼 유한하다고 할 수 있다. 오케스트라 악보를 빛의 스펙트럼이라고 한다면 가시광선은 음표 하나에 불과하다. 우리 눈은 그만큼 불완전한 방법으로 세상을 보고 있는 셈이다. 그 결과 우리는 우주물질의 90% 이상을 보지 못한 채 살고 있다. 따라서 사람은 시각을 통하여 감지할 수 없는 것을 다른 감각기관(청각, 후각, 미각, 촉각)을 통하여 보충적으로 인식할 수밖에 없다.

그렇다면 다른 동물들은 어떤 방식으로 세상을 보며, 그들에게 세상은 어떤 모습으로 보일까? 그리고 우주 만물의 본질과 상관관계에 있는 현상(現象)은 시간과 공간 속에서 물질의 본질을 잘 나타내고 있는 걸까?

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우리는 빛의 스펙트럼 중 가시광선을 통하여 세상을 본다. 무지개 색은 7가지 가시광선으로 구성되어 있다. 가시광선보다 파장이 긴 적외선(열)과 파장이 짧은 자외선을 사람은 볼 수 없다. 그러나 벌은 자외선, 뱀은 적외선을 통하여 세상을 본다. ⓒ 노기홍


초저주파를 감지할 수 있었던 코끼리, 동남아 해일에서 살아남다

2004년 12월 동남아에서 지진과 해일(쓰나미)이 일어났을 때 코끼리는 모두 높은 곳으로 피했으나 사람은 이를 미처 피하지 못하고 무려 23만 명이나 죽었다. 어떻게 코끼리는 이 엄청난 재난에서 한 마리도 죽지 않고 살아남을 수 있었을까?

코끼리가 미리 고지대로 도망칠 수 있었던 이유는 3㎞ 밖의 소리까지 들을 수 있는 놀라운 청각기능이 있어 지진과 해일이 뿜어내는 초저주파를 감지할 수 있었기 때문이다. 그러나 사람에게는 초저주파를 감지하는 청각기능이 없기에 미처 피하지 못했던 것이다(사람이 들을 수 있는 소리는 20헤르츠에서 2만헤르츠까지이나 코끼리는 20헤르츠 미만의 초저주파도 잘 들을 수 있다).


꿀벌 등의 곤충은 인간이 볼 수 없는 자외선을 볼 수 있으므로 그들의 눈에 보이는 세상의 모습 또한 우리가 보는 세상과 다를 수밖에 없다. 벌의 시력은 인간의 1/100에 불과하므로 우리처럼 다양한 색깔을 구별할 수는 없다. 하지만 벌은 사람이 볼 수 없는, 파장이 짧은 자외선을 잘  볼 수 있으므로 식물의 꽃가루가 있는 부분을 쉽게 찾아낼 수 있다.

인간의 눈은 꽃의 아름다운 색상을 감상하는 방향으로 발달해 있는 반면, 자외선으로 세상을 보는 벌이나 나비 등 곤충의 눈은 꽃의 색상을 감상하기보다는 먹이를 찾기에 가장 적합한 방향으로 발달되어 있다고 할 수 있다.

뱀은 시력과 청력이 좋지 않아 가까이 있는 물체를 잘 볼 수도 없고 소리도 거의 들을 수 없지만 진동을 통해 사물의 움직임을 파악한다. 또한 뱀은 코와 눈 사이의 양 옆에 열 센서 기관인 '피트기관'을 갖고 있는데 이것이 '적외선 탐지기' 기능을 한다.

뱀은 이 적외선 탐지기를 이용하여, 체온이 있는 동물이나 물체가 뿜어내는 적외선(열)을 0.003도까지 구분함으로써 물체의 아주 작은 움직임도 알아차릴 수 있다. 이 적외선 탐지기 덕분에 뱀은 열이 뿜어내는 주황색 계통에 민감하게 반응하여, 깜깜한 밤에도 먹이를 찾아 사냥할 수 있다.

돌고래, 박쥐 등은 초음파로 세상을 본다고 할 수 있다(돌고래와 박쥐는 10만 헤르츠 이상의 소리도 들을 수 있다). 박쥐는 다른 박쥐가 내는 초음파를 혼동하지 않고 자신의 초음파만을 구별해 낼 수 있다. 이러한 박쥐의 초음파감지 정밀도는 인간이 만든 초음파 기계보다도 1000배나 더 정밀하다.

이처럼 사람과 동물이 인지하는 세상의 모습은 우리의 상상을 초월할 정도로 다르다. 사람이 가시광선으로 보는 세상의 모습이 다르듯이, 벌과 같은 곤충이 자외선으로 보는 물체의 모습이 다르다. 또한 뱀이 적외선으로 감지하는 사물의 모습이 다르고, 돌고래와 박쥐 등이 초음파로 감지하는 세상의 모습이 각각 상이하다고 할 수 있을 것이다.

만약 엑스(X)선을 감지할 수 있는 동물이 있다면 그 동물은 우리가 볼 수 없는 블랙홀을 볼 수 있을 것이다. 또한 중력파를 감지할 수 있는 동물이 있다면 그 동물은 행복하게도 3차원 우주가 아닌 10차원의 복잡한 우주를 볼 수 있을 것이다(가시광선으로 보는 우주의 모습은 3차원이고 중력으로 보는 우주의 모습은 10차원이다. 따라서 인간이 보는 우주의 모습은 3차원이 전부다. 물론 시간개념까지 합하면 인간은 4차원 세계에 살고 있다고 할 수 있다. 하지만 인간은 시간마저도 볼 수 없고 감지할 수도 없는 걸 어찌하랴).

더 나아가 우주에 충만한 암흑물질과 암흑에너지를 볼 수 있는 동물이 있다면 그 동물은 인간이 볼 수 없는 우주의 나머지 90퍼센트를 볼 수 있을 것이다(암흑 물질과 암흑에너지는 우주 구성물질의 90% 이상을 차지하고 있다. 하지만 아직까지 어떠한 전자기파로도 관측되지 않고 있다. 암흑에너지는 중력과 반대되는 에너지로 우주를 무한히 팽창시키는 미지의 에너지 또는 척력으로 알려져 있다).

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연꽃 아가씨가 수줍은 듯이 잎 새 뒤에 숨어 세상구경을 하고 있다. 가시광선으로 보는 연꽃잎의 색상은 옅은 분홍색 한가지로만 보인다. 그러나 자외선 카메라로 사진을 찍어보면 꽃가루가 있는 주변에는 색상이 짙게 나온다. 그 짙은 색의 유혹에 화답하여 벌과 나비는 꿀을 찾아 날아든다. ⓒ 노기홍


물질의 본질과 현상(現象)- 파란색 셔츠는 파란색을 모두 반사하고 없다?

지금 나는 파란색 셔츠를 입고 있다. 햇살 비치는 창가에 앉아있는 나를 보고, 가족들은 내가 입고 있는 셔츠 색을 당연히 파란색이라고 할 것이다. 그러나 내가 나이트클럽의 붉은 불빛 아래 있다면 나의 셔츠는 붉은색으로 보일 것이고, 불 꺼진 어두운 밤거리에 내가 서 있다면 나의 셔츠색은 검은 색으로 보일 것이다. 즉 조건이 어떠하냐에 따라 나의 파란색 셔츠의 색상도 상대적으로 보일 수밖에 없다.

또한 벌 같은 곤충이나 뱀이 보는 나의 파란색 셔츠의 색상 역시 주변에 내리쬐는 빛의 세기와 내 몸의 온도에 따라 각각 상대적으로 달리 보일 수밖에 없을 것이다.

빛의 조명에 따라 셔츠의 색이 달라진다고 하더라도 인간의 관점에서 사람의 눈으로 보는 파란색 셔츠의 본질은 파란색 천이 맞지 않느냐고 반문 하는 사람도 있을 것이다. 그러나 이 또한 인간의 관점에서 편의상 갖다 붙인 하나의 '약속'일 뿐 엄격히 따지면 파란색 셔츠의 본질은 파란색 천이 아니다.

파란색 셔츠가 파란색으로 보이는 이유는 나의 셔츠가 '파란색 외'의 색은 모두 흡수한 반면 파란색만 배척하여 반사한 결과다. 나의 셔츠색이 파랗다고 느끼는 것은 우리 눈에 그렇게 보일 뿐 파란색 셔츠의 본질은 파란색이 아님은 자명한 사실이다. 따라서 엄격하게 파란색 셔츠의 본질을 정의하자면 '파란색 외에 모든 색을 다 흡수하는 셔츠'가 될 것이다.

이를테면 우리 집에 티브이, 세탁기, 냉장고, 선풍기 등의 가전제품이 가득한데, 한겨울에 선풍기가 필요 없는 내가 집안에 있는 모든 선풍기를 문 밖에 내 놓았다고 하자. 문밖에 버려진 선풍기를 보고 길가는 구경꾼들은 필자의 집에는 선풍기가 많이 있는 것으로 착각할지 모른다. 하지만 집주인인 내 입장에서는 선풍기를 다 버렸으므로 선풍기만 없고 다른 것은 갖춘 셈이 된다. 따라서 구경꾼들이 우리 집을 보고 여전히 '선풍기가 많은 집'으로 부른다면 맞는 말은 아닐 것이다.

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들의 벼와 연잎이 푸름을 자랑하고 있다. 눈에 비친 벼의 색상이 푸르다는 현상만 보고 우리는 벼가 푸르다고 한다. 하지만 벼의 입장에서 보면 그자신은 초록빛을 받아들이지 않고 반사한 것에 불과하다. 따라서 벼의 본질은, 현상계에서 보이는 것과는 달리 '초록색을 갖고 있지 않은 식물'이라고 할 수 있다. ⓒ 노기홍


거시세계에서 시간과 공간의 상대성, 나노세계에서 물질의 상대성

'쌍둥이 형제 중, 형이 로켓 우주선을 타고 빛에 가까운 속도로 우주여행을 한 후, 1년 만에 지구에 도착하니 지구에서는 이미 수만 년의 세월이 흘러 쌍둥이 동생은 이미 오랜 옛날에 사망하고 없더라'라는 쌍둥이 가설은 익히 알고 있는 바다.

아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의하면 우주선의 속도가 빠르면 빠를수록 시간은 무한대로 늘어나고, 그에 반비례하여 공간은 그만큼 수축된다. 이처럼 시간과 공간은 분리할 수 없는 하나의 구조로 되어있기 때문에 서로 축소되고 확장될 수도 있다.

따라서 광속으로 우주여행을 하게 되면 공간을 많이 사용하게 되므로, 그만큼 사용할 수 있는 시간이 절약되는 것이다. 그 결과 시간지연 현상이 발생하여 늙지 않는다. 이러한 사실은 뉴턴의 고전역학 하에서는 상상도 할 수 없는 개념이었다.

불과 몇 십 년 전만 하더라도 원자핵을 더 이상 쪼갤 수 없는 소립자로 보았으나 현대과학은 원자핵(크기: 10의 -15승, 1천조 분의 1m) 보다 작은 '쿼크'의 존재를 규명하는 데 성공 했다(원자는 원자핵과 전자로 구성되고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어진다. 3개의 쿼크가 모여 하나의 양성자 또는 중성자를 이룬다).

더 나아가 물질의 최소 구성단위인 소립자의 본질을 점(點)으로 보는 게 아니라 진동하는 에너지의 끈(絲, string)으로 보고, 그 끈이 어떻게 진동하느냐에 따라 뮤온도 되고 전자도 된다는 초끈이론(superstring theory)이 등장하기에 이르렀다(초끈이론에서 말하는 끈의 길이:10의 -35승 , 끈의 굵기: 0).

이 초끈이론은 우주탄생의 수수께끼인 중력, 약핵력, 전자기력, 강핵력을 하나로 묶어 풀어낼 수 있는 유력한 이론(통일장이론)이다. 끈 이론에 의거하여 끈의 진동방향에 관한 수식을 풀면 우리가 살고 있는 우주는 4차원이 아닌 10차원의 우주가 된다.

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현상계에서 금은 노란색이고, 전기가 잘 통하고, 자석에 붙지 않고, 녹이 슬지 않는다. 하지만 나노세계에서 금은 붉은색을 띠고, 반도체가 되고, 자석에 붙고, 녹이 스는 등 그 본질이 확연하게 달라진다. ⓒ 노기홍


또한 현대과학은 모든 물질은 나노크기(10억분의 1미터: 머리카락 크기의 8만분의 1)가 되면 그 성분이 변한다는 사실도 밝혀냈다. 거시세계에서 황금은 우리 눈에 노란 금색으로 보이지만 나노세계에서는 붉은색으로 보인다.

거시세계(現象界)에서 금은 전기가 잘 통하는 도체(導體)지만, 나노세계에서는 반도체(半導體)가 된다. 뿐만 아니다. 금은 현상계에서 자석에 붙지 않고 녹이 슬지 않는다. 하지만 나노세계에서 금은 자성(磁性)이 생겨 자석에 잘 붙고 녹이 슨다.

따라서 나노세계에서 생활하는 미생물이 있다면 인간과는 전혀 다른 물질의 본질을 체험하며 살게 될 것이다.

아인슈타인의 상대성이론이 발표되면서 2백여 년 간 절대적 진리로 통용되어오던 뉴턴의 법칙들이 순식간에 무너졌다. 또한 오늘날 과학의 발달은 그간 우리가 절대적 진리로 믿었던 것들이 그렇지 않다는 사실을 증명해보이고 있다.

과학은 따지고 보면 이미 존재하는 미지의 현상을 발견하는 것에 불과하다고 할 수 있다. 우리가 보는 현상세계가 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 사실을 알고 사물을 대할 때 과학은 저 멀리 있는 게 아니라 재미있는 모습으로 바로 우리 가까이에 있음을 실감하게 될 것이다.

덧붙이는 글 | 전후로만 움직이는 기차에 사는 사람: 1차원 세상에 사는 사람이다.

전후좌우로 움직이는 자동차에만 사는 사람: 2차원 세상에 사는 사람이다.

전후좌우 상하로 움직이는 비행기에 사는 사람: 3차원 세계에 사는 사람이다.

지금 우리가 사는 세상: 3차원 세계에 시간이 합쳐진 4차원 세계이다.

우주탄생의 비밀을 찾기 위해서는 우주에 존재하는 4가지 힘(거시세계의 중력과 미시세계의 강핵력, 약핵력, 전자기력)을 한데로 묶어 해결하는 통일장이론이 필요하다. 아인슈타인은 임종 때까지 이 통일장이론을 완성하려고 노력했으나 상대성이론에만 집착하고, 양자역학을 무시하는 바람에 그 뜻을 이루지 못했다.

아인슈타인 사후, 이 문제를 해결하기 위해 상대성이론과 양자이론을 아우르며 등장한 통일장이론이 “초끈이론”과 “막이론(膜理論)”이다. 이 이론은 물질의 최소단위인 소립자를 점(點)으로 보는 것이 아니라 진동하는 끈(string)이나 막(membrane)으로 보는 이론으로, 고차원에서 거시세계의 중력과 미시세계의 양자역학(강핵력, 약핵력, 전자기력)을 결합하려는 이론이다.

초끈이론에 의할 때 우주는 10차원이 되고, 막이론에 의할 때 우주는 11차원이 된다. 4차원 세계에 사는 우리가 여분의 차원을 느끼지 못하는 것은 그 끈이나 막이 너무 작게 말려 있기 때문이다.


덧붙이는 글 전후로만 움직이는 기차에 사는 사람: 1차원 세상에 사는 사람이다.

전후좌우로 움직이는 자동차에만 사는 사람: 2차원 세상에 사는 사람이다.

전후좌우 상하로 움직이는 비행기에 사는 사람: 3차원 세계에 사는 사람이다.

지금 우리가 사는 세상: 3차원 세계에 시간이 합쳐진 4차원 세계이다.

우주탄생의 비밀을 찾기 위해서는 우주에 존재하는 4가지 힘(거시세계의 중력과 미시세계의 강핵력, 약핵력, 전자기력)을 한데로 묶어 해결하는 통일장이론이 필요하다. 아인슈타인은 임종 때까지 이 통일장이론을 완성하려고 노력했으나 상대성이론에만 집착하고, 양자역학을 무시하는 바람에 그 뜻을 이루지 못했다.

아인슈타인 사후, 이 문제를 해결하기 위해 상대성이론과 양자이론을 아우르며 등장한 통일장이론이 “초끈이론”과 “막이론(膜理論)”이다. 이 이론은 물질의 최소단위인 소립자를 점(點)으로 보는 것이 아니라 진동하는 끈(string)이나 막(membrane)으로 보는 이론으로, 고차원에서 거시세계의 중력과 미시세계의 양자역학(강핵력, 약핵력, 전자기력)을 결합하려는 이론이다.

초끈이론에 의할 때 우주는 10차원이 되고, 막이론에 의할 때 우주는 11차원이 된다. 4차원 세계에 사는 우리가 여분의 차원을 느끼지 못하는 것은 그 끈이나 막이 너무 작게 말려 있기 때문이다.
#과학 #현상계 #나노세계 #상대성이론 #가시광선
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