스토리 2021.04.12

꾸-욱 누르기만 해도 전기가 생긴다? 우리 생활 속 ‘압전 효과’ 이야기

지금으로부터 약 10여 년 전, 부산지하철의 서면역에는 특이한 보도블록이 생겼다. 행인들이 그 위를 걸어 다니면 전기가 만들어지는 특수 보도블록이다. 지하철을 이용하는 시민들은 자신이 만든 전기로 스마트폰을 충전하고, 야구 게임을 즐기며 신기해했다. 비슷한 시기, 네덜란드에는 발을 구르며 춤추면 바닥에서 화려한 조명이 들어오는 댄스 클럽이 생겼다. 사람들이 열정적으로 춤추면 더 강렬한 불빛이 뿜어져 나와 사람들의 관심을 끌었다. 두 곳에서 선보인 기술의 공통점은 바닥을 눌렀다는 것. 바로 ‘누르는 압력으로 전기를 만든다’는 ‘압전 효과’를 활용한 것이었다. 그렇다면 압전 효과란 무엇이기에 발을 내딛기만 해도 전기를 만든다는 걸까? 분자 구조가 변하면 전기가 흐른다? 정압전 효과 VS 역압전 효과 압전 효과는 어떤 물질에 압력을 가했을 때 전기적인 변화가 생기는 현상을 말한다. 앞서 소개한 사례만 보면 최근에 밝혀진 새로운 현상일 것이라 생각할 수 있지만 그 역사는 무려 19세기까지 거슬러 올라간다. 프랑스의 물리학자 베크렐이 기계적인 압력과 전기적인 변화 사이에 상관관계가 있을 것이라고 예측한 뒤 마리 퀴리의 남편인 피에르 퀴리가 형인 자크 퀴리와 함께 처음으로 석영과 황옥 같은 광물에서 압전 효과를 확인했다. ▲ 압전 효과를 보여주는 모식도. A처럼 입자들이 서로 일정한 거리로 떨어져 정육면체를 이룰 때는 전기적 성질이 나타나지 않지만, B처럼 가로 방향으로 압력을 주거나, C처럼 양쪽으로 잡아 당기면 입자의 배치가 찌그러지면서 전기적 성질이 나타난다. 압전 효과가 나타나는 원리는 의외로 간단하다. 고체물질은 기본적으로 같은 모양을 한 분자 가 반복되는 구조로…
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스토리 2021.04.06

‘소인수분해’는 암호화를 위한 최고의 수학적 원리이다?

우리는 은행을 통해 돈을 이체하거나 환전하려면 수수료를 내야 한다. 심지어 거래하고 있는 은행의 내 돈을 다른 은행이 운영하는 ATM 기기를 이용하여 찾을 때도 비싼 수수료를 낸다. 반면 비트코인과 같은 가상화폐는 은행이나 환전소를 거치지 않고 당사자들끼리 직거래하기에 수수료가 낮거나 없다는 장점이 있다. 하지만 사이버 세계에서 직거래는 상품값은 치렀으나 상품을 보내주지 않는 것과 같은 사고와 사기의 위험이 따라서 가상화폐로 거래를 할 때는 반드시 거래에 대한 신뢰가 필요하다. 그렇다면 가상화폐를 암호화하는 방법에는 어떤 것이 있는지 알아보자. 정보를 암호화하는 두 가지 방법 컴퓨터와 같은 전자기기를 이용한 통신 환경은 허락받지 않은 공격자가 통신 중인 정보를 도청하여 변조하거나 다른 내용을 삽입 또는 삭제할 수 있다. 이런 문제점을 해결하는 가장 안전한 방법은 정보를 암호화하는 것이다. 암호화된 정보를 원래대로 되돌리는 것을 ‘복호(複號)’라고 한다. 반면, 우리가 보통 암호의 내용이 무엇인지 밝히는 것을 ‘해독(解讀)’이라고 하는데 해독은 중간에 정상적이지 않은 과정으로 암호문의 내용을 알아내는 것을 뜻한다. 정보를 암호화하는 방법은 크게 ‘비밀열쇠방식’과 ‘공개열쇠방식’이 있다. 비밀열쇠방식은 보내고자 하는 정보를 암호화할 때, 암호화하는 열쇠와 복호하는 열쇠가 서로 대칭이다. 즉, 정보를 보내는 쪽이나 받는 쪽 중에서 하나의 열쇠만 알면 다른 쪽의 열쇠를 알 수 있다. 예를 들어 a라는 정보를 보낼 때, 정보를 보내는 송신자는 a를 암호화하기 위하여 a에 3을 더하여 a+3을 만들었다면 송신자의 암호 열쇠는 (+3)이다. 또 정보 a를 받는 수신자는 a+3을 받았으므로 이것을 복호하려면 여기에 3을 빼야 한다. 그래서 (a+3)-3=a라는 정보를 받는다. 즉, 수신자의 복호 열쇠는 송신자의 암호 열쇠 (+3)의…
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스토리 2021.04.02

플랑크의 양자 가설을 빛에 적용하다! 빛의 정체를 밝혀낸 아인슈타인의 ‘광전 효과’란?

20세기 물리학의 발전에 가장 큰 기여를 한 과학자로 평가받는 아인슈타인의 가장 위대한 성과는 아마 상대성 이론일 것이다. 빛의 속도는 절대적이며, 시공간은 상대적으로 달라진다는 그의 이론은 과학계에 거대한 폭풍을 불러일으켰다. 하지만 놀랍게도 그는 상대성 이론으로 노벨상을 받지 못했다. 1905년 발표한 특수 상대성 이론과 그로부터 10년 후에 나온 일반 상대성 이론은 당시 너무 난해한 법칙이었기 때문이다. 대신 그는 1922년 광전효과로 노벨물리학상을 받았다. 이 효과의 발견이 노벨상을 받기에 충분한 업적이 아니었다는 뜻은 아니다. 일평생 광전효과만 연구하던 과학자가 말년에 정리된 성과를 바탕으로 노벨물리학상을 받았다면 상황은 달라졌겠지만, 단지 아인슈타인이 이루어낸 다른 연구 성과들이 대부분 과학계에 중대한 영향을 끼쳤을 뿐이다. 오히려 광전효과의 위대함은 상당히 저평가되어 있다. 빛으로부터 시작된 신비한 특성은 당연히 물리학에서 말하는 중요한 성과 중 하나의 축을 담당하고 있으며, 당시 빛에 대해서 과학자들이 갖고 있던 기존 학설을 반박한 혁신적인 생각이었다. 현대 물리학의 가장 큰 변화를 불러일으킨 양자역학의 발전에도 기여한 광전효과의 중요성은 결코 상대성 이론에 뒤지지 않을 것이다. 광전 효과란? ▲ 빛이 표면에 닿으면 전자가 에너지를 흡수하고 금속에 빠져나오는 현상인 ‘광전 효과’ 광전효과는 빛이 갖는 입자의 성질을 이용한 현상으로, 금속 판에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추면 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 물질의 원자는 원자핵과 음전하를 띠는 전자로 구성되며, 다시 원자핵은 양전하를 띠는 양성자와 전하가 없는 중성자로 나누어진다. 양성자와 전자는 균형을 이루고 있기 때문에, 양성자를 많이 갖고 있는…
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스토리 2021.03.25

[호기심 과학] 엘리베이터를 탔을 뿐인데, 몸무게가 변한다? 뉴턴의 운동 제1법칙, ‘관성’

물리학이란 말을 듣기만 해도 머리가 아프다는 사람이라도 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력의 법칙을 깨달았다는 과학자 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)의 이야기는 알고 있을 것이다. 뉴턴은 우리가 생활 속에서 매일 경험하는 힘과 운동에 대해 설명하는 ‘관성, 힘과 가속도, 작용ㆍ반작용의 법칙’을 확립하였다. ‘관성의 법칙’은 뉴턴의 운동법칙 중에서도 ‘제1법칙’이다. 외력이 없을 경우 물체는 항상 등속직선운동 상태, 즉 일직선을 따라 같은 속력으로 움직이는 상태를 유지한다는 법칙이다. 즉, ‘관성의 법칙’에 따르면 힘을 받지 않으면 정지한 물체는 계속 정지해 있고, 운동하는 물체는 같은 방향과 속력으로 계속 운동한다. 버스가 움직이고 멈출 때 느껴지는 관성의 종류는? ▲ 버스가 급출발 할 경우, 탑승객들은 버스의 진행 반대 방향으로 ‘정지 관성’의 영향을 받는다. 버스에 탑승할 때, 우리는 온몸으로 정지 관성과 운동 관성을 경험할 수 있다. 일단 버스를 타고나면 정차상태에서 ‘부웅~’하고 출발하게 된다. 버스가 갑자기 출발하면 승객들의 몸은 일제히 출발하는 방향의 뒤쪽으로 몸이 쏠리게 된다. 바로 버스의 진행과 반대 방향으로 작용하는 ‘관성력’을 경험하게 되는 것이다. 누가 잡아당기는 것도 아닌데 버스에 탄 사람들이 모두 같은 방향으로 움직이는 현상은 버스가 정지 상태 일 때 탑승객 역시 정지하고 있기에 계속 정지해 있으려는 성질인 ‘정지 관성’이 적용되기 때문이다. ▲ 버스가 급정거할 경우, 탑승객들은 버스의 진행 방향으로 ‘운동 관성’의…
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스토리 2021.03.11

패러데이의 발견에 의해 가능해진 스마트폰 무선 충전?! ‘패러데이 전자기유도 법칙’ 알아보기

충전 패드 위에 스마트폰을 올려두면 자동으로 충전되는 ‘무선 충전 기술’은 이제 우리에게 너무나 익숙한 기술이다. 충전을 위해 전원 단자를 꽂을 필요도 없고 충전 단자가 고장 나서 케이블을 교체해야 하는 수고도 덜어주는 편리한 기술이다. 이 최신 기술이 복잡하고 어려운 기술이라고 생각하기 쉽지만 사실은 그렇지 않다. 무선 충전 기술의 원리 자체는 꽤 간단하고 오래전에 발명된 것으로, 19세기 물리학자 패러데이가 발견한 ‘전자기유도 현상’이 이 원리를 설명할 수 있다. 패러데이 법칙이 관성의 법칙이라고? 버스가 붕~하고 출발하면 갑자기 출발한 버스 때문에 승객들이 뒤로 넘어지게 되는데 이는 관성의 법칙을 설명할 때 가장 흔히 드는 생활 속 예이다. 덕분에 많은 사람들이 뉴턴의 관성 법칙을 쉽게 이해한다. 그런데 전자기학에도 관성의 법칙이 있다면 믿어지겠는가? 그것이 바로 패러데이 법칙으로 설명되는 전자기 유도 현상이다. 패러데이 법칙은 영국 국민으로부터 가장 존경받는 물리학자 마이클 패러데이에 의해 1831년에 발표된 법칙으로 오늘날 다양한 곳에서 쓰이는 생활 속에서 없어서는 안 될 위대한 원리다. 패러데이는 자석과 코일을 이용한 실험을 통해 신기한 현상을 발견했다. 금속 코일 속으로 자석을 넣거나 빼면 전기가 흐르는 모습이 관찰됐고, 자석을 더 빠르게 움직이거나 코일을 많이 감을수록 전기의 발생량이 증가했다. 이러한 현상을 ‘전자기 유도 현상’이라고 부르는데, 이러한 현상은 왜 발생하는 것일까? ▲ 전자기 유도 실험 (출처:…
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스토리 2021.02.24

[호기심 과학] 숟가락은 오목거울도, 볼록 거울도 될 수 있다? 생활 속에서 만나는 빛의 반사와 굴절의 원리

직진하던 빛이 물체에 닿아 되돌아 나오는 현상을 ‘빛의 반사’라고 정의한다. 한편, 빛이 서로 다른 물질의 경계면에서 진행 방향이 꺾이는 현상을 ‘빛의 굴절’이라고 한다. ‘빛의 반사’는 ‘거울’에서, ‘빛의 굴절’은 ‘렌즈’를 통과하면서 일어나게 된다. 잘 찾아보면 우리 생활 곳곳에 빛의 반사와 굴절의 원리를 경험할 수 있는 물건들이 대단히 많다. 아침에 일어나서 세수를 하기 위해 욕실에 가면 세면대 위에는 좌우가 반대로 보이는 평면거울이 내 모습을 반사하여 보여준다. 그리고 아침밥을 먹기 위한 식탁에 놓여있는 숟가락은 볼록 거울 겸 오목거울이 된다. 오늘은 생활 속에서 만나는 빛의 반사와 굴절의 원리를 알아보도록 하자. 볼록거울과 오목거울의 차이점은 무엇일까? ▲ 국자의 볼록한 면으로 본 모습(좌) – 볼록거울로는 항상 작고 똑바로 된 상만 보인다. 국자의 오목한 면으로 본 모습(우) – 먼 거리에서 오목거울을 보면 거꾸로 된 상을 볼 수 있다. 숟가락의 바깥쪽 볼록한 면을 보자. 그러면 자신의 상반신 전체와 주변의 물건들이 모두 보이는 것을 관찰할 수 있다. 볼록거울을 통해서 보면 항상 실제보다 작고 똑바로 되어있는 상들만 보여 범위를 넓게 볼 수 있는 장점이 있다. 이러한 볼록거울은 자동차의 사이드미러와 상점의 도난방지 거울로 활용된다. 볼록거울에선 거꾸로 된 상은 절대로 볼 수가 없다. 만약 볼록거울로 거꾸로 된 상이 보인다면 자동차의 사이드미러로 절대 활용될 수 없을 것이다. 상상해보자. 운전을 하다 뒤를 확인하기 위해 사이드미러를 보았는데 세상이 뒤집어져 보인다면, 바로 교통사고로 이어질 수 있을 것이다. ▲…
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스토리 2021.02.16

우리의 상식을 깨는 현상이 있다? 물 분자가 만들어 내는 신비한 힘, ‘음펨바 효과’

너무 당연한 일이라고 생각했던 것이 팩트가 아니라고 밝혀지면 우리는 당혹감을 느낀다. 그러나 상식을 깨는 사실을 아는 것은 꽤 재미있는 일이기도 하다. 오늘은 우리의 상식을 깨는 과학적인 현상 하나를 소개하려고 한다. 바로 따뜻한 물이 차가운 물보다 오히려 더 빨리 얼게 되는 ‘음펨바 효과’라고 불리는 현상이다. 그럼 지금부터 이 현상이 우리가 생각하는 것과 어떻게 다른지 살펴보자. 아프리카 탄자니아 중학생의 이름을 딴 ‘음펨바 효과(Mpemba effect)’ 1963년 아프리카 탄자니아의 한 고등학교에 어느 물리학자가 초청받아 강연하러 갔을 때의 일이다. 강연이 끝나고 질문을 받는 시간이 되자 학생 중 한 명이 손을 들어 질문했다. “중학교 요리 시간에 아이스크림을 만드는 시간이 있었어요. 따뜻한 상태의 아이스크림 재료를 덜 식힌 것과 미리 만들어 식힌 것을 냉장고에 같이 넣어두었더니 덜 식혔던 따듯한 쪽이 오히려 먼저 얼었습니다!” 이 학생은 그 현상이 신기해 이후에도 미리 식힌 것과 덜 식힌 것을 같이 냉장고에 넣었지만, 항상 온도가 높은 것이 먼저 얼었다고 했다. 아무리 생각해 봐도 이해가 되지 않았는데 마침 물리학자가 강연을 하러 왔으니 그 원리가 무엇인지 물어본 것이다. 주변의 학생들과 선생님은 음펨바(Erasto Mpemba) ‘네가 뭘 잘못한 것 아니냐’라고 하며 말도 되지 않는 이야기라고 놀렸다. 그러나 질문을 받은 물리학자 데니스 오스본 (Denis Osborne)은 달랐다. 오스본은 자신이 실험을 다시 해본 후 왜 그런 것인지 알려주겠다고 한 뒤에 실제로 실험을 했고 음펨바와…
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스토리 2021.02.08

복잡한 세상을 풀어주는 수학이 있다? 물리학의 오류에서 탄생한, ‘매듭이론’

직장인 중 많은 이가 아마도 사무실에서 커피를 타 마실 것이다. 뜨거운 물이 담긴 잔에 일회용 커피를 부으면 향긋하고 달콤한 커피가 완성된다. 이때 커피가 잘 녹도록 저으면 잔에는 젖는 방향으로 소용돌이가 생긴다. 좀 더 자세히 살펴보면 잔 속의 큰 소용돌이와 잔의 경계면에 아주 작은 소용돌이가 생김을 볼 수 있다. 시야를 우주로 넓혀보자. 우리가 사는 태양계는 태양을 중심으로 회전하고, 태양계도 우리 은하 안에서 회전하며, 우리 은하 전체도 회전한다. 이는 작은 커피잔의 경우처럼 작은 회전이 좀 더 큰 회전을 만들고 마침내 거대한 회전을 만들며 돌아가는 것과 같다. 즉 소용돌이가 소용돌이를 만든다. 매듭이론의 기원은 소용돌이다? 우주가 소용돌이를 일으키며 다양한 변화를 일으킨다는 소용돌이 이론은 근대 과학이 태동하던 17세기 프랑스의 철학자 데카르트(René Descartes)의 생각이었다. 데카르트는 이 세상은 무한히 나눌 수 있는 물질로 꽉 차 있고, 이 물질들이 정교한 기계처럼 상호작용한다고 생각했다. 이때 미세한 물질은 큰 물체를 이루고, 각각의 물질은 신이 부여한 운동량으로 소용돌이를 일으켜 다양한 변화가 발생한다고 생각했다. 데카르트는 우주에서 행성도 이런 원리로 움직인다고 생각했다. 하지만 데카르트의 소용돌이 이론은, 이후의 실험과 뉴턴(Isaac Newton)에 의해 사실이 아님이 증명되었다. 뉴턴은 수학을 이용하여 행성 사이에 만유인력이 작용함을 증명했고, 소용돌이 이론은 유체(fluid, 액체와 기체를 합쳐 부르는 용어)의 운동에 한정된 것으로…
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스토리 2021.02.04

생활 속 물리 이야기, 상황에 따라 달라지는 소리와 빛의 파동, ‘도플러 효과’

어린 시절, 친구들과 놀다 보면 꼭 해질 무렵에 작은 돌멩이를 주워던지던 동네 장난꾸러기가 있었다. 나이가 들어 곰곰이 생각해 보니  어떻게 던지냐에 따라 위력이 달랐던 기억이 난다. 비슷한 돌멩이여도, 나에게 다가오면서 던질 때는 꽤 위협적이었으나, 반대로 도망치면서 던지는 돌은 그리 위력적이지 않았고, 정확도도 떨어졌다. 즉, 나에게 다가오면서 벌어지는 일과 멀어지면서 발생하는 무언가는 확실히 차이가 있었다. 도플러 효과’는 바로 이런 것이다.많이 들어봤지만 생소한 이 효과는 사실 진동이 퍼져나가는 파동이라는 현상과 밀접한 관련이 있다. ‘진동을 느끼는 관측자’와 ‘진동이 처음 만들어진 파원’의 상대적인 운동으로 인해 파원의 진동수와는 다른 진동수를 관측자가 보게 되는 것을 ‘도플러 효과’라고 부른다. 도플러 효과를 이해하기 위한 소리의 3요소 일상에서 가장 대표적으로 만날 수 있는 진동, ‘소리’를 예로 들어보자.공기라는 매질을 타고 진동이 고막까지 도착하면, 그 충격으로 고막도 함께 떨리게 되고 이때 받은 자극을 뇌가 해석하고 나면 소리를 인식한다. 그렇다면 도플러 효과에 의해 소리가 어떻게 바뀔까? 화성학에서 소리를 구성하는 요소를 ‘크기’, ‘음색’, ‘높이’ 3가지로 구분한다. 소리의 크기는 진동하는 폭에 의해서 결정되는데, 당연한 이야기지만 폭이 커지면 커질수록 소리가 커진다. 음색은 진동하는 모양으로 결정되며, 같은 노래도 부르는 사람에 따라 다른 느낌을 받는 것처럼 파형에 따라 고유한 특징을 보인다. 여기서 도플러 효과와 밀접한 관련이 있는 부분은 ‘높이’다. 높이는 소리가 같은 시간 동안 얼마나 많이 진동하는 지로 결정되기 때문이다. 경찰차나 소방차처럼 긴급한…
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스토리 2021.01.28

[호기심 과학] 손난로 속 검은색 가루의 정체는?

추운 겨울 저렴한 가격으로 우리의 얼어붙은 손을 따뜻하게 녹여주는 난로가 있는데, 보통 ‘손난로’라 불린다. 추운 날 밖에 있을 때, 따뜻한 손난로 하나면 얼마나 큰 힘이 되는지 이 글을 읽는 독자 여러분 모두는 알 것이다. 그렇다면 손난로는 어떤 과학적인 원리로 열을 발생시키는 것일까? 손난로 속에 담긴 검은 가루의 정체는 무엇일까? 손난로의 종류와 발열 원리 손난로에는 2가지 종류가 있다. 첫 번째는 똑딱단추가 들어있는 손난로다. 투명한 액체 같은 것이 들어 있으면서 속에 들어있는 똑딱단추를 꺾어주면 하얗게 변하면서 열을 발생하는데, 이 손난로는 30분에서 길면 1시간 정도 후에 식어버린다. 열을 내는 시간은 짧지만, 물속에 넣어 끓이면 다시 재사용할 수 있다는 장점이 있다. ▲ 투명한 액체 상태인 손난로, 내부에는 똑딱단추가 들어 있다. 똑딱단추를 꺾으면 하얗게 고체로 변하면서 응고되고, 동시에 열이 난다. 이 손난로 속에는 과포화상태(녹이고 또 녹여서 더 이상 녹일 수 없는 상태인 포화상태보다 더 많은 고체가 녹아있는 상태)의 ‘티오황산나트륨(Na2S2O3)’이나 ‘아세트산나트륨(CH3COONa)’용액이 들어 있다. 이 과포화상태는 상당히 불안정하기 때문에 똑딱단추를 꺾어주는 약간의 충격에 의해서 티오황산나트륨이나 아세트산나트륨 용액이 한꺼번에 석출이 되면서 순식간에 고체로 변하게 된다. 이렇게 액체 상태에서 고체로 될 때는 입자들 사이가 가까워지면서, 자유롭던 알갱이들의 움직임도 조용해지게 된다. 즉, 액체에서 고체로 응고되는 상태 변화를 하면서 열에너지를 내게 되고, 이러한 발열반응 덕에 손난로가 우리를 따뜻하게 해 주는 것이다. 다른 한 종류는, 검은색 가루가 들어있어 흔들어 사용하는 손난로다. 비닐 포장을 뜯으면 부직포 같은 것에 쌓여 있는데, 조금만…
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