원자력과 수학이 없었다면

우주 탄생의 신비를 담고 있는 원자력

문학과 예술에만 ‘아름답다’는 말을 쓰는 것일까?

대학을 다닐 때 물리학 시간에 아인슈타인의 E =mC^2 이라는 방정식을 처음 접하고 정말 멋지고 아름다운 방정식이라고 생각하고 동시에 자연의 오묘한 질서에 놀라워했던 생각이 지금도 생생하다.

그 후 20년이라는 세월이 흐른 후에야, 원자력을 만나 30여 년간의 연구생활을 하면서 원자력의 매력에 푹 빠져버렸다.

그 이유는 방정식에서 보듯이 에너지와 물질이 같으며 서로 변환할 수 있는 것으로 이것이 바로 137억년전에 초 고밀도의 에너지 슾(soup)이 빅뱅(Big Bang)에 의해서 우주 공간으로 확산과 냉각으로 수소와 헬륨 원소를 만든 우주탄생의 비밀을 담고 있기 때문이다.

방정식 자체의 변수(variable)가 딱 하나로(질량 m) 너무 간단할 뿐만 아니라, 에너지가 빛의 속도의 자승(C^2)에 비례한다는 사실이 우리를 놀라게 한다.

그 이유는 어느 곳에서나 일정한 빛의 속도(C)는 자연과학에 가장 중요한 상수이고, 만일 빛의 속도가 일정하지 않다면 우주는 엉망진창이 되었을 뿐만 아니라 특히 우주의 신비를 풀 꿈도 꾸지 못하기 때문이다.

우주 탄생의 중심에 있는 이 방정식이야 말로 얼마나 아름답고 멋진 방정식인가? 바로 이 방정식이 원자력혁명을 가져 왔다.

특히 원자력은 자연이 수 십 억년 동안 만들어 땅속 깊은 곳에 저장해 두었던 화석에너지를 다 소모한 후 인류가 사용할 수 있도록 준비해 둔 ‘영원히 마르지 않는 유전’이 될 것이다.

우주탄생의 비밀을 가진 이 방정식을 이용해서 인류의 에너지 문제를 해결하고 더 나아가 인류의 생존을 위협하는 기후변화 문제를 해결할 수 있다니 이보다 매력적일 수 없다.

어느 날 MIT 물리자학 레빈 교수의 저서인 ‘나의 행복한 물리학강의’ 에서 힘이 주어지지 않으면 가속도가 생기지 않는다는 뉴톤의 제2법칙인 F = am을 강의하면서 “이는 노력하지 않으면 항상 제 자리에 머물 수밖에 없다”는 메시지를 전했다. 또한 “뉴톤의 법칙이야 말로 고전 물리학에서 가장 아름다운 방정식”이라고 평가했다.

이에 비해서 E = mC^2은 생명체에 필요한 에너지의 근원이고, 우주탄생의 비밀을 담고 있으니 그 아름다움과 신비성은 말할 것도 없다.

에너지의 97% 이상을 해외에 의존하는 에너지 자원빈국인 우리나라는 천연자원이 아니고 우리의 두뇌자원을 이용해서 에너지 자립을 해야 한다. 그래서 원자력이 그 해답이다.
ⓒ ScienceTimes

 원자력이란 무엇인가?

E = mC^2에서 보듯이 에너지의 크기가 우주에서 가장 빠른 빛의 속도의 자승에 비례한다는 사실은 정말 상상하기 어려운 일이다. 이는 같은 무게의 화석 에너지 보다 에너지 밀도가 적어도 백만 배나 크다는 사실이다.

원자 안에 존재하는 전자(e)는 eV의 에너지를 가지고 있고, 핵은 Mev의 에너지를 가지고 있는데, 화석에너지는 전자가 가지고 있는 에너지이며, 원자력은 초고밀도 원자핵이 가지고 있는 강력에너지이다.

원자의 어느 곳에 이렇게 어마 어마하게 많은 에너지가 숨어있는 것일까? 우주 초기에는 빅뱅에 의해서 수소와 헬륨이 생성 되었으며 시간이 흐르면 거대한 별들 즉 초신성 생겨 폭발하면서 많은 원소들이 탄생했다고 한다.

지금 우리 몸을 이루고 있는 원소들의 대부분은 초신성의 폭발로 생겨났다고 해서 천문학자들은 우리를 ‘초신성의 후예’라고도 말한다. 우주 초기에 생긴 아주 작은 수소에서 커다란 우라늄까지 92가지의 안전한 원소가 자연에 존재한다.

표에서 보듯이 원자의 평균 크기는 10^-8cm이고, 원자의 중앙에 있는 핵은 10^-12cm이다. 중요한 것은 원자핵은 원자의 만분의 일 밖에 안되는 반면, 원자무게의 99.98%를 차지하고 있다는 사실이다. 원자는 사실 텅텅 비여 있는 것이다.

이는 커다란 야구장에 야구 공 하나 떠있는 것과 비슷하다, 놀라운 사실은 원자핵의 밀도가 우리가 무겁다고 생각하는 철(밀도 약 8)보다 백조(원자핵밀도 10^14g/cc) 배나 된다는 사실이다.

방정식의 의미는 만 일 초고밀도의 원자핵을 깨뜨리면 약간의 질량 손실이 함께 엄청나게 큰 원자력 에너지가 생산되는 것이다. 문제는 밀도가 겨우 8정도 밖에 안 되는 철도 깨기가 쉽지 않은데, 철보다 밀도가 백조 배나 큰 원자핵을 어떻게 깨뜨릴 수 있느냐 하는 것이다.

 상상력은 지식보다 더 중요하다. 지식은 제한되어 있지만 상상력은 우주를 품고도 남는다.

                                                                                                                                                                                - 아인슈타인

 왜 아인슈타인이 이런 말을 남겼을까? 그 우주를 품고도 남은 상상력은 무엇일까?

 수는 만물의 근원

상상력에는 우주의 중심에 있으며 만물의 근원이라는 ‘수’를 사용하는 지혜가 있다는 것이다.

바로 수학이라는 학문이다. 수학은 수와 형태의 조화를 감상하고 기하학적인 우아함을 음미할 줄 아는 상상력을 갖고 있다.

수학은 시간이나 공간적 제한을 받지 않는 자유성이 수학의 가장 큰 특징이다. 인간의 삶에 있어 궁극적으로 추구하는 것이 자유라면 수학은 인간으로 하여금 시간과 공간을 초월할 수 있도록 하는 가장 중요한 무형의 학문이다.

그래서 혹자는 “수학은 가장 아름다운 학문이고, 수학을 지배하는 나라가 세계를 지배 한다” 했다. 유한한 인간이 무한한 개념을 받아들이는 것 역시 직관력이라 할 수 있는 상상력의 뿌리가 아니겠는가? 바로 무한의 개념이 현대 과학발전에 가장 큰 역할을 한 미분적분학을 탄생시켰다 할 수 있다.

인간은 수를 사용하는 지혜를 통해서 수학을 발달 시켰으며, 이를 통해 과학을 발달시키고 나아가 극미의 초고밀도의 원자핵을 깨뜨리는 방법을 알게 된 것이다. 원

자력은 초고밀도의 원자핵을 붙들고 있는 강력한 힘이 원자핵붕괴와 함께 에너지로 변하여 생성되는 것이다. 지금도 거대한 우주에는 핵분열과 핵융합이라 핵반응을 통해서 수많은 별들이 생성과 소멸을 반복 하면서 찬란한 우주 쇼를 연출하고 있다.

 우주에서 가장 안정한 원소는 철

그리고 핵분열과 핵융합이 계속되는 과정의 종착역에 가장 많이 남는 것은 ‘철’이다. 다시 말하면 우주에서 ‘철’이 핵적으로 가장 안정한 원소라는 것이다(철은 더 이상의 핵분열이나 핵융합이 되지 않는다).

더 놀라운 것은 우리의 생명을 지키는 가장 중요한 원소가 철이라는 사실이다. 우리의 몸에 약 0.004% 존재하면서 우리의 생명을 지키는 ‘철분’이 우주에서 가장 안정한 원소라는 사실이 우연일까? 아니면 하나의 우주의 신비일까?

만일 태양 같은 별들이 존재하지 않는다면 우주 어디에도 생명체는 존재하지 않을 것이다. 생명체가 살아가는데 필요한 에너지를 공급하는 것이 태양이고, 이는 핵융합이라는 원자력으로 모든 에너지의 뿌리이다.

태양은 지구로부터 1억5000만km 떨어져 있는데, 태양에서 생긴 에너지의 20억분의 1이 지구상에 도달한다. 만일 우리가 지구상에 도달하는 태양에너지의 1만분의 1이라도 모을 수 있다면 에너지 걱정을 하지 않아도 된다고 한다.

최초에는 태양을 석탄이 연소하는 것이라고 생각했는데, 석탄이라고 가정하고 계산을 하니 그 수명이 단지 3000년에 불과했다. 그래서 태양은 수소가 헬륨으로 핵융합을 하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 수소폭탄의 원리이다.

만일 지구 무게만큼의 석탄을 모두 태우면 태양의 6일분 에너지와 같으며, 지구에 존재했던 모든 석탄을 다 태우면 태양의 천분의 1초에 해당하는 에너지 밖에 안된다고 한다.

원자력은 후손을 위함이다

인간의 삶을 지탱하는 에너지 자립의 중요성은 우리 후손들의 넉넉한 삶의 질을 위해서가 첫째이고 두 번째는 국가안보차원이다.

에너지의 97% 이상을 해외에 의존하는 에너지 자원빈국인 우리나라는 천연자원이 아니고 우리의 두뇌자원을 이용해서 에너지 자립을 해야 한다. 그래서 원자력이 그 해답이다.

특히 원자력은 자연(혹은 신)이 극미의 원자핵에 엄청난 에너지를 숨겨두고, 동시에 인간에게 숫자를 이용(상상력)하는 지혜를 주어서 천연에너지 자원이 다 고갈 되어도 인류가 지구상에서 영원히 살아 갈수 있도록 준비한 청청에너지원이다.

ScienceTimes