자연의 모든 현상은 연결되어 있다

자연의 모든 현상(우주, 별, 지구, 생명 )은 서로 연결되어 있는데 그 진화과정을 통합적이고 효과적으로 관찰하기 위해서는 세 가지 시각으로 관찰해야 할 것입니다. 첫째, 현상의 기원은 언제부터인가? 다시 말해 자연현상은 반드시 시작점이 있으며, 생화학적 환경과 조건이 있습니다. 둘째, 시간과 공간의 개념입니다. 일반상대성 이론에서 밝혀냈듯이 시간과 공간은 분리된 개념이 아니라 물질과 에너지가 서로를 결정하는 동적 관계이며 서로 얽혀 형성되었다는 것입니다. 셋째, 패턴(모형)의 특징입니다. 시간과 공간에서 펼쳐지는 에너지와 물질의 변화는 어떤 패턴을 갖고 있는데 패턴 개수를  엔트로피라합니다. 가장 높은 확률의 패턴으로 진화하려는 속성이 자연현상입니다.

 

원자의 작용과 기원

원자의 작용에 대해 알아가는 과정이 자연을 이해하는 가장 빠른 길입니다. 가장 단순한 원자는 수소 원자인데, 수소 원자는 전자와 양성자로 구성되었습니다. 양성자는 수소 양이온(전하를 가진 원자) H+ , 즉 원자핵 P를 말합니다. 우주와 자연 대부분의 현상에는 양성자가 나타납니다. 예를 들어 돌, 나무, 대기, 별 등 모든 사물에서 양성자를 발견할 수 있다면 자연의 구성원리를 알 수 있습니다. 자연현상에는 원자보다는 이온과 동위원소가 더욱 중요한 요소입니다. 요약하면 원자는 전자와 원자핵으로 구성되었으며, 원자핵은 중성자와 양성자로, 동위원소는 중성자의 개수만 다른 원소를 말합니다.

 

별과 지구, 그리고 사람이 원자로 형성되었다는 말은 엄밀하지 않은 생각입니다. 별의 질량은 대부분 양성자가 차지하고, 지구에서는 맨틀을 구성하는 것은 분자들이 핵심입니다. 세포에서는 양성자, 전자, 이온이 생화학 작용을 합니다.

생물학에서는 전하를 가진 이온들의 산화-환원 과정이 핵심입니다. 그러나 지구과학에서는 동위원소(탄소, 산소, 우라늄)가 특히 중요합니다. 탄소의 방사성 동위원소인 탄소 -14(14C)는14C 반감기(물질의 성분이 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간)가 5730년인데, 고고학 유물의 연대를 정확히 알려줍니다. 기후학과 해양학에서는 산소의 방사성 동위원소인 산소-18(18 O)을 통해 빙하의 나이를 측정합니다. 바위(암석)의 나이는 우라늄 방사성 동위원소 우라늄-235(235 U)과 우라늄-238(238U)로 측정하는 데 도움이 됩니다.

결국 우주 속 모든 현상에는 시작의 순간이 있는데 올라갈수록 시공의 폭이 좁아지기 때문에 모든 자연현상에서 패턴의 모형을 찾을 가능성이 커집니다.

 

별과 태양은 수소 원자에서 출발합니다

별과 태양은 수소원자로 출발합니다. 수소 원자만 이해하면 모두 알 수 있습니다. 앞서 기재했듯이 수소 원자는 양성자와 전자로 구성되는데 전하를 띤 양성자와 전자가 가속운동을 하면 광자(Photon)를 방출합니다. 별은 약 70% 이상이 수소이며, 별이 핵융합을 통해 약 90가지 원소를 만듭니다. 별과 지구, 그리고 모든 생물은 전자(Electron), 광자(Photon), 양성자(Proton)의 상호작용에 의해 생깁니다.

 

핵융합은 베타붕괴 과정이다

별에서 핵융합이 일어나는데 이 현상을 베타붕괴라고 합니다. 베타붕괴라는 작용을 거쳐 중성자와 양성자가 서로 변환되는데 (- ) 베타붕괴와 ( + ) 베타붕괴 두 가지 작용이 있습니다. (- ) 베타붕괴는 중성자에서 양성자+전자+반중성미자로 변환되는 것이고, (+) 베타붕괴는 양성자에서 중성자+반전자+중성미자로 변환되는 것을 말합니다.

이처럼 별에서는 베타붕괴가 중요합니다. 식물과 동물의 호흡, 광합성은 모두 전자의 상호작용입니다. 따라서 별과 지구를 포함한 자연의 모든 존재는 전자, 광자의 중첩 현상으로 만들어진 결과라고 할 수 있습니다.
그리고 별에서 지구 행성까지 모든 것의 주인공은 바로 수소 원자인데 수소 원자는 전자 1개와 양성자 1개입니다. 헬륨 원자는 전자 2개와 양성자 2개 중성자 2개입니다. 즉 양성자가 한 개씩 증가함에 따라 우리가 알고 주기율표의 118개 원소가 생겨납니다.

 

아름다운 숫자의 배열

양성자가 1개인 수소에서 양성자가 1개씩 추가되어 주기율표가 만들어집니다. 따라서 원소의 본질은 양성자의 개수입니다. 주기율표는 118개의 원소를 표현한 순수한 숫자의 배열이며, 조화롭게 변화하는 아름다움입니다. 양성자 1, 양성자2 - - -, 양성자 118 이와 같은 식입니다. 예를 들어 양성자 79개가 모이면 금이 되고, 양성자 80개가 모이면 수은이 되는 것입니다. 양성자 1개의 차이로 고체에서 액체가 되고 유독물질이 됩니다. 물론 원자핵이 되려면 전자가 양성자의 개수만큼 궤도를 돌고 중성자가 포함되어야 하지만 결국 원소의 구별은 양성자 개수가 정합니다. 그러므로 주기율표는 아름다운 숫자의 배열이며 양성자 개수가 핵심입니다.

동위원소의 역할

동위원소는 한 종류의 원자에서 중성자의 개수가 달라짐에 따라 질량의 차이를 만듭니다. 원자 질량의 차이는 질량분석기를 통해 매우 정밀하게 측정이 가능합니다. 탄소 동위원소의 비율(%)을 측정하여 물 분해형 광합성 과정이 밝혀졌습니다. 이러한 비율 측정으로 빙하와 탄산칼슘 속 산소 동위원소의 비를 측정하여 1억 년 전까지 지구의 과거 온도를 알아냈습니다.

이처럼 동위원소의 생성과 변환 과정인 베타붕괴는 핵변환 과정으로, 전하보존과 운동량 보존법칙을 충족해야 합니다. 베타붕괴에서 전하 보존을 위해 양전자가 방출되고, 운동량 보존을 위해 중성미자가 출현하며, 에너지 보존을 위해 광자가 생겨납니다.
별을 구성하는 원소들의 베타붕괴 과정에서 많은 동위원소가 생성되고 이러한 동위원소 변화에서 전자와 광자가 출현하여 전하보존과 운동량 보존법칙을 충족하게 해 줍습니다.

 

별의 탄생과 폭발

빅뱅 후 38만 년이 지나 전자가 양성자에 구속되면서 수소 원자가 생성되었으며 그 후 우주는 수소 원자가 중력수축으로 모여들어 별과 은하의 세계를 만들었습니다. 수소 원자가 중력수축으로 모여들어 원시 별 중심 영역이 온도와 압력이 높아지고, 그로 인해 핵융합을 통해 헬륨 원자핵이 만들어지고 헬륨 원자핵은 양성자와 중성자의 강한 핵력으로 결합하여 작용하는데 이를 알파입자라 합니다.

별은 수소와 헬륨의 가스 덩어리라고 할 수 있습니다. 이러한 별 속의 물질 상태를 플라스마라 합니다. 지구의 물질은 기체,액체,고체로 구별되지만 별을 구성하는 요소는 대부분 플라스마 상태에 있습니다. 별이 밝게 빛나는 이유는 별 중심부에서 수소 또는 헬륨이 핵융합하는 과정에서 사라지는 질량이 에너지로 전환되면서 생겨난 겁니다. 별을 이해한다는 것은 수소, 중력수축, 핵융합 과정을 알아야 하고, 중력수축은 뉴턴의 만유인력 공식이 적용됩니다.

138억 년 전 빅뱅, 빅뱅 후 38만 년 후 수소 원자 출현 그리고 빅뱅 1억 년 후 별이 만들어졌습니다. 별은 핵융합이라는 과정을 거쳐 원소들이 생겨나고 중심부는 철이 됩니다. 중심부가 철이 되면 핵융합은 중단되고 별이 폭발하여 초신성이 됩니다.

결국 별과 행성의 탄생, 지구에서의 생물과 광물의 공진화, 광물이 분해되어 토양이 되고, 토양에서 식물이 자라고, 식물은 광합성으로 생명의 에너지를 대기로 방출하는 모든 과정에는 우주의 기본 입자인 전자, 광자,양성자의 상호작용의 결과입니다.

다음 시간에는 자연현상은 원자의 결합과 상호작용에 대해 함께 알아보는 시간을 갖겠습니다.