과학계를 뒤흔든 금지된 물질의 충격적 비밀 공개!

우주와 물질, 그리고 반물질 이야기

1. 우주는 왜 물질만 가득할까? (빅뱅의 수수께끼)

• 빅뱅 초기에는 물질과 반물질이 50대 50으로 있었을 것으로 추측돼.
• 그런데 지금 우주는 대부분 물질로 이루어져 있지? 반물질은 다 어디로 갔을까?
• 이게 현대 물리학이 풀지 못하는 큰 숙제 중 하나야.
• 어떤 과학자들은 반물질로만 이루어진 우주도 있을 수 있다고 주장하기도 해.

2. 별은 왜 폭발할까? (별의 최후)

• 별은 수명이 다하면 안에 있는 연료가 고갈돼.
• 그러면 별을 지탱하던 균형이 깨지면서 폭발하게 되는 거야.
• 별이 잘 살고 있는 이유는 크게 두 가지 힘의 균형 때문이야.
  • 중력: 별 자체의 질량 때문에 안쪽으로 무너뜨리려는 힘.
  • 내부 압력: 별 내부 핵융합으로 발생하는 뜨거운 열 때문에 밖으로 팽창하려는 힘.
• 이 두 힘이 거의 균형을 이루고 있어서 태양 같은 별은 잘 버티고 있는 거지.
• 별이 폭발하는 건 안에서 화약처럼 터지는 게 아니라, 먼저 중력 때문에 안으로 붕괴했다가 그 반동으로 파편이 사방으로 날아가는 걸 말해.
• 마치 공을 떨어뜨렸다가 튀어 오르는 것처럼 말이야.
• 별의 중심부에는 더 무거운 물질이 뭉쳐 있고, 바깥쪽으로 갈수록 가벼운 물질이 있어.
• 붕괴할 때 안쪽의 무거운 물질이 튕겨 나가면서 바깥쪽의 가벼운 물질과 부딪히고, 이 과정이 반복되면서 엄청난 에너지가 발생해 폭발처럼 보이는 거야.
• 폭발 후에는 중심에 뜨거운 백색왜성이나 중성자별 같은 것이 남기도 해.
• 별이 폭발하면 주변 행성들도 파괴되거나, 별의 중력이 약해져서 행성들이 멀어지기도 해.
• 베텔게우스 같은 큰 별이 폭발하면 엄청난 장관을 볼 수 있겠지만, 지구에 직접적인 피해를 줄 정도는 아니라고 해. (다만 아주 희박하게 감마선 폭발 같은 경우엔 영향이 있을 수도 있대.)

3. 종이가 물에 젖으면 왜 찢어질까? (종이의 비밀)

• 종이는 아주 가느다란 셀룰로스 섬유들이 그물망처럼 얽혀 있는 구조야.
• 물 분자가 이 그물망 사이로 스며들면, 셀룰로스 섬유들을 엮고 있던 풀 같은 성분이 약해지거나 녹아버려.
• 섬유들 사이의 결합이 약해지면서 종이의 기계적 강도가 떨어져서 쉽게 찢어지는 거지.
• 젖은 종이를 말릴 때는 한 번에 너무 뜨겁게 말리면 쭈글쭈글해지거나 붙어버릴 수 있어서 조심해야 해. (냉동실에 넣는 방법도 있다고 하네!)

4. 반물질이란 무엇일까? (물질의 쌍둥이)

• 반물질은 우리가 아는 물질과 똑같은 질량을 가졌지만, 성격이 완전히 반대인 입자야.
• 예를 들어, 전자는 음전하를 띠는데, 전자의 반물질인 양전자(포지트론)는 양전하를 띠어.
• 물질과 반물질이 만나면 서로 소멸하면서 엄청난 에너지를 빛(광자) 형태로 방출해.
• 이런 반물질은 의료 현장에서 PET 촬영 등에 활용되기도 해. (암세포를 찾아내는 데 쓰인대!)
• 과학자들은 입자 가속기를 이용해 반수소, 반헬륨 같은 반물질을 만들어내기도 했어.
• 만약 반물질 1밀리그램만 있어도 작은 핵폭탄 정도의 에너지가 나온다고 계산될 정도야.
• 반물질은 자기장 트랩에 보관하는데, 아주 잠깐만 보관할 수 있고 많은 양을 만들기도 어려워.
• 반물질도 우리 물질처럼 스펙트럼이 똑같아서, 반수소는 수소와 똑같은 스펙트럼을 보여.
• 어떤 과학자들은 우주 어딘가에 반물질로만 이루어진 우주가 존재할 수도 있다고 주장해.
• 빅뱅 초기에 물질과 반물질이 50대 50으로 있었는데, 왜 지금은 물질만 남았는지, 반물질은 다 어디로 갔는지도 아직 풀리지 않은 수수께끼야.
• 이런 물질과 반물질의 불균형을 '대칭성 깨짐'이라고 부르는데, 이것도 현대 물리학의 중요한 난제 중 하나야.
• 우리 몸을 이루는 DNA도 대부분 오른손 방향으로 꼬여 있는데, 왜 그런지도 아직 명확히 밝혀지지 않았어. 어쩌면 다른 우주에는 왼손 DNA가 있을 수도 있겠지?

5. 광자는 입자일까, 반입자일까?

• 전자와 양전자가 만나 소멸하면 에너지가 나오는데, 이 에너지가 바로 광자야.
• 광자는 입자이면서 동시에 반입자라고 볼 수 있어. 즉, 광자는 자기 자신과 반대되는 관계인 셈이지.
• 전자와 양전자가 만나 소멸할 때 광자가 하나만 나오면 운동량 보존 법칙에 위배되기 때문에, 항상 두 개의 광자가 반대 방향으로 나와야 해.