[지식보관소] 핵폭탄은 왜 그렇게 강할까? - 상대성이론 쉽게 이해하기4

 

 

우리가 상대성 이론하면 가장 먼저 떠오르는 공식이 있죠

바로 E= MC2입니다.

 

그런데 대체 이 공식은 무엇일까요?

먹는 걸까요?

근데 여러분들은 사실 이 공식이 뭔지 궁금하지도 않으시죠?

다 알고 있어요.

 

그런데 이 재미없는 공식에 대해 깊이 들여다보면

김정은이 왜 핵을 포기하기 싫어하는지도 알 수 있습니다.

제가 쉽고 차근차근하게 설명해 드릴게요.

따라오세요.

 

 

 

뉴턴의 운동 법칙에는 가속도의 법칙인 F=MA가 있습니다.

영상 시작부터 요상한 공식 쓰니까 어려워 보이지만 사실은 별게 아닙니다.

힘= 질량 x 속도라는 의미입니다.

 

그러니까 우리가 길을 걷다가

이런 귀여운 꼬마가 달려와서 부딪쳤다고 가정해 봅시다.

이 꼬마 아이가 아무리 빨리 달려왔다고 해서

이때 너무 충격량이 커서

막 치유가 불가능한 중상을 입고, 막 다쳐서, 입원해서, 나이롱 환자가 되고

뭐 그러지 않으시죠?

아마 보험 사기꾼이 아닌 이상 그러지는 않겠죠.

 

그런데 횡단보도를 건너다가

거대한 트랜스포머 트럭과 살짝쿵 부딪혔다고 가정해 보겠습니다.

이 트럭이 그렇게 빠른 속도가 아니더라도 우리는 크게 다칠 수 있을 겁니다.

 

여기서 우리한테 큰 충격량을 준 가장 큰 요인은 질량입니다.

무게가 무거운 물체와 부딪히면

그 충격량이 가벼운 물체와 부딪혔을 때보다 훨씬 크겠죠.

 

그렇다고 이 충격량이 그 물체의 무게에만 영향을 받을까요?

아까 그 귀여운 꼬마 아이가 귀여운 BB탄총을 우리한테 쏜다면

맞으면 아플까요?

그럴 리가 없죠.

이런 귀여운 아이가 쏜 건데 아플 리가

있습니다. 사실은 아파요. 진짜 눈물 날 정도로 아픕니다.

 

근데 만약 BB탄총이 아니라

실제 권총에서 날아온 탄으로 헤드샷을 맞게 되면

아픈 게 아니라 순식간에 염라대왕이랑 노가리를 까고 있는 자신을 발견하게 되겠죠.

 

네. 이렇게 운동하고 있는 물체가 가진 에너지는

그 물체의 질량이 높을수록, 그리고 속도가 빠를수록

크다는 걸 알 수 있습니다.

그래서 무게도 무겁고 속도도 빠른 비행기가

미국에 있는 세계 무역센터를 무너뜨릴 수 있었던 거죠.

 

그런데 사실 우주의 모든 물체는

시공간 상에서 빛의 속도로 이동 중에 있습니다.

제 채널의 상대성이론 시리즈 1편부터 보신 분은 아시겠지만

우리가 속도를 내는 게 아니라

시간 방향으로 이동하던 운동 에너지를

공간 방향으로 변경한 것뿐이죠.

 

그렇습니다.

작은 총알도 빠른 속도로 움직이면 큰 에너지를 가지는데

우주에 질량이 있는 모든 물체는

그것보다 수만 배 빠른 속도로

이미 시공간상에서 움직이고 있는 중이죠.

 

아인슈타인은 이런 운동 에너지에 대해서 놀라운 생각을 합니다.

모든 물체는 사실 모두 동일하게

시공간상에서 빛의 속도로 이동하고 있다.

그렇다면 시공간상에서 빛의 속도로 이동 중인 이 에너지를

모두 다 사용한다면

엄청난 에너지가 되지 않을까?

뭔가 벌써 소름 돋을 각이 보이죠?

 

여기서 1편부터 3편까지 봤던 모든 내용을 되새겨서

이미 배웠던 내용 중에서 가장 중요한 내용을 복습해 봅시다.

 

우주의 모든 질량이 있는 물체는

시공간상에서 오로지 빛의 속도만 지닌다.

이 속도는 불변이다.

 

예, 그렇습니다.

질량이 있는 이상

공간상에서 이동 속도가 없다고 하더라도

시공간상에서는 더도 말고 항상 빛의 속도로 이동 중인 겁니다.

 

속도는 그 수치가 바뀔 수 있는 값이 아니라

고정된 값이고

방향만 바뀌는 겁니다.

 

네, 시공간상에서 빛의 속도로 이동 중인 모든 에너지를 사용하기 위해서는

질량이 사라져야 됩니다.

질량이라는 것 자체가 빛의 속도로 이동하는 에너지량을 나타내는 거니까요.

모두 다 빛의 속도로 움직이니까요.

 

그리고 질량이 사라지면

에너지 보존 법칙에 따라

그 질량이 시간상에서 빛의 속도로 이동 중이던 그 에너지가

우리가 직관적으로 느낄 수 있는 공간으로 전부 다 방출이 되겠죠,

 

E=MC2

에너지는 질량 곱하기 빛의 속도의 제곱이다라는 공식이

여기서 나오는 겁니다.

 

모든 물체는 시공간에서 빛의 속도로 움직이고 있으니까

1KG의 물체는

그 물체가 광속의 제곱으로 움직이는 에너지를

잠재하고 있는 겁니다.

그 물체의 질량이 사라지게 되면 그런 엄청난 에너지가 발생하는 거죠.

 

정말 소름 돋지 않나요?

그러니까 아인슈타인은

시간이 상대적으로 변할 수 있는 물질이라는 생각으로부터

우주라는 게 무엇이고

질량이라는 게 무엇인가

우리는 무엇인가 하는

철학적인 의미까지 해결해버린 겁니다.

 

그리고 아인슈타인의 이 공식 E=MC2

이거로부터 질량은 에너지로 변환이 가능하고,

모든 물체는 시공간에서 빛 속도로 이동 중이기 때문에

물체의 질량이 사라지면

어마어마한 에너지가 나올 수 있다는 사실이 알려진 겁니다.

 

그리고 방사능 붕괴라고 하는 물체의 질량이

일부가 사라지는 현상이 발견되면서

인류는 엄청난 에너지를 만들 방법을 알아내게 되는데

이게 바로 원자 핵분열반응 폭발물(원자폭탄)이라 불리는 핵폭탄입니다.

 

와 그리고 정말 소름 돋는 건

핵폭탄은 핵분열 연쇄 반응을 거치는데

이 과정에서 일부 질량이 소실되고

핵폭탄이 발생시키는 에너지량은

그 소실된 질량이 빛의 속도의 제곱으로 움직였을 때 발생하는 에너지량만큼이 발생하는 거죠.

그러니까 E=MC2 이라는 공식이 정확하다는 게 입증됐다는 겁니다.

 

그리고 이 공식이 나온 과정을 돌이켜보면,

모든 물체가 시공간상에서 빛의 속도를 지니고 있다는 가정으로 인해 나온 공식이기 때문에

특수상대성 이론은 학계의 정설로 인정이 되고

유명세가 없었던 아인슈타인이 물리학계에서는

갑자기 슈퍼스타가 된 겁니다.

 

그렇습니다.

우라늄 35는 핵분열 과정에서 235개 중에

1개의 양성자가 중성자로 변환될 때 질량만 소실되는 반면에

수소 핵융합은 양성자, 중성자 2개로 이루어진 중수소가 핵융합을 하기 때문에

핵분열보다 효율이 100배 이상 좋습니다.

그래서 김정은이 핵분열 폭탄보다 더 진보된 기술인 수소 핵융합 폭탄

즉 수소 폭탄을 개발하려고 하는 거죠.

 

그리고 현재 원자력발전소는

이런 엄청난 핵분열 에너지를 이용하기 때문에

위험 부담이 큰 만큼 굉장한 에너지를 낼 수 있는 것이죠.

 

그리고 핵융합발전소를 만들려고 연구하는 이유는

중수소와 삼중수소 100개가

우라늄 하나와 질량이 비슷하기 때문에

이론적으로 핵융합발전소가 현재 원자력 발전소보다

100배 이상 좋은 효율을 낼 수 있기 때문입니다.

그리고 그런 높은 효율로 에너지를 내고 있는 천체가 바로 태양인 거죠.

 

그리고 이런 과학계에 일대 파란을 일으켰던 아인슈타인은

‘질량이 있는 물체가 시공간을 휘어지게 만든다’는

지금까지의 얘기보다도 더 소름 돋는 생각을 하게 되는데

다음 편에서 얘기하겠습니다.