발견 이야기

뉴턴이 떨어지는 사과를 보고 중력을 떠올렸다는 이야기는 뉴턴이 윌리엄 스터클리에게 들려준 것으로, 1752 년 스터클리가 쓴 뉴턴 전기에 처음 실린 전해 오는 이야기입니다.

뉴턴은 1687 년 펴낸 『프린키피아』에서 만유인력 법칙을 내놓았습니다.

모든 물질은 다른 물질을 끌어당기고, 그 힘은 거리의 제곱에 반비례해 약해진다는 법칙입니다.

케플러가 찾은 행성 운동 법칙은 뉴턴이 이 이론을 세우는 데 큰 바탕이 되었습니다.

1907 년 아인슈타인은 집 지붕에서 자유롭게 떨어지는 사람에게는 중력장이 없다는 생각을 떠올렸습니다.

승강기 안의 사람은 중력과 가속을 구별할 수 없다는 이 생각(등가 원리)이 일반 상대성 이론의 실마리가 되었습니다.

티타늄과 백금 시험 질량을 견준 MICROSCOPE 위성의 최종 결과도 이 원리가 깨진 흔적을 찾지 못했습니다.

아인슈타인은 1915 년 말부터 1916 년 초에 걸쳐 일반 상대성 이론의 꼴을 다 갖추었습니다.

이 이론에서는 무거운 물체가 둘레의 시공간을 정해진 방식으로 휘게 하고, 그 휨이 중력으로 나타납니다.

이 이론은 수성의 근일점이 조금씩 옮겨 가는 현상 가운데 그때까지 설명되지 않던 몫을 풀어냈습니다.

일반 상대성 이론으로 계산하면 해 곁을 지나는 별빛은 뉴턴이 내다본 값의 두 배만큼 휩니다.

1919 년 5 월 29 일 개기 일식 때 에딩턴은 아프리카 앞바다 프린시페섬에서, 크로멀린과 데이비슨은 브라질 소브랄에서 해 둘레의 별을 찍었습니다.

ESA 는 그 결과가 예측과 «대략» 맞았다고 적고, NASA 교사용 안내는 관측자의 기대가 결과에 들어갔을 수도 있다고 주의를 줍니다.

GPS 위성은 땅에서 약 20,200 km 높이의 중궤도를 돕니다.

상대성 이론의 효과를 맞추려고 위성 시계의 기준 진동수는 10.23 MHz 가 아니라 10.2299999954326 MHz 로 미리 맞춰 둡니다.

ESA 는 갈릴레오 항법 위성의 경우 이런 효과를 고치지 않으면 하루에 약 10 km 의 항법 오차가 생긴다고 설명합니다.

2015 년 9 월 14 일 09:50:45 UTC, 미국의 두 LIGO 검출기가 처음으로 중력파 신호 GW150914 를 잡았습니다.

LIGO 는 팔 길이가 4 km 인 L 자 레이저 간섭계 두 대로, 두 곳은 3,000 km 떨어져 있습니다.

NASA JPL 은 이 신호가 태양 질량의 약 29 배와 36 배인 두 블랙홀이 13 억 년 전에 합쳐지며 낸 것이라고 발표했습니다.

2017 년 노벨 물리학상은 LIGO 검출기와 중력파 관측에 크게 이바지한 세 사람에게 주어졌습니다.

플랑크는 1900 년 10 월 19 일 독일 물리학회 모임에서 새 복사 식을 발표했고, 그해 12 월 14 일까지 그 식의 바탕을 세웠습니다.

그는 에너지 덩어리를 «양자(quanta)» 라 부르고, 양자 하나의 에너지는 복사의 진동수에 보편 상수를 곱한 값(E = hf)이라고 보았습니다.

이 상수 h 는 지금 6.62607015×10⁻³⁴ J s 로 정해져 있습니다.

광전 효과는 1887 년 독일 물리학자 헤르츠가 처음 알아챘습니다.

1905 년 3 월 아인슈타인은 빛이 진동수에 따라 에너지가 정해지는 알갱이(지금 이름은 광자)로 되어 있다고 보고 광전 효과를 설명했습니다.

밀리컨은 1915 년 아인슈타인의 광전 방정식을 실험으로 확인했고, 아인슈타인은 이 연구로 1921 년 노벨 물리학상을 받았습니다.

드브로이는 1923 년 전자도 파동처럼 움직인다고 내다봤고, 뒤에 데이비슨과 거머가 이를 실험으로 보였습니다.

1925 년 하이젠베르크 · 보른 · 요르단은 행렬 역학을, 1926 년 슈뢰딩거는 파동 방정식을 내놓았습니다.

1926 년 5 월 슈뢰딩거는 두 방법이 같은 내용이라는 것을 보였습니다.

하이젠베르크는 1927 년 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다는 불확정성 원리를 내놓았습니다.

1935 년 아인슈타인 · 포돌스키 · 로젠은 양자 이론을 따지는 생각 실험을 내놓았고, 아인슈타인은 그 기묘한 이어짐을 «먼 거리의 유령 같은 작용» 이라 불렀습니다.

1964 년 11 월 4 일 실린 벨의 논문은 국소적 숨은 변수 이론에 한계를 긋는 부등식을 내놓았습니다.

1972 년과 1982 년의 실험이 얽힘을 확인했고, 2015 년 NIST 등이 빈틈을 막고 한 시험은 국소적 실재론을 강하게 배제했습니다.

2022 년 노벨 물리학상은 얽힌 광자 실험으로 벨 부등식이 깨짐을 보인 아스페 · 클라우저 · 차일링거에게 주어졌습니다.

1964 년 피터 힉스 · 프랑수아 앙글레르와 다른 이론가 넷은 전자 · 쿼크 같은 기본 입자에 질량을 주는 장을 내놓았습니다.

2012 년 CERN LHC 의 ATLAS · CMS 실험이 이 장에 딸린 힉스 입자를 확인했고, 2013 년 노벨 물리학상이 힉스와 앙글레르에게 주어졌습니다.

입자 자료집 PDG 2026 판에 적힌 힉스 입자의 질량은 125.13 GeV/c², 스핀은 0 입니다.

물질 입자(쿼크 · 렙톤)와 힘을 나르는 입자(보손)를 묶은 표준 모형은 자연의 네 가지 기본 힘 가운데 셋을 설명합니다.

넷째 힘인 중력은 표준 모형으로 제대로 설명되지 않습니다.

힉스 입자가 중성미자에게도 질량을 주는지는 아직 모른다고 미국 에너지부는 적습니다.

날씨는 거의 모두 가장 아래층인 대류권에서 일어납니다.

그 위 성층권은 약 50 km 높이까지이고, 지구 오존의 약 90 % 가 이 층에 있습니다.

약 85 km 까지인 중간권에서는 떨어지는 유성이 공기에 늦춰지며 타 버리고, 그 위 열권은 약 600 km 까지 이어집니다.

약 600~10,000 km 의 외기권에서는 원자와 분자가 우주로 빠져나가고 인공위성이 지구를 돕니다.

1735 년 해들리는 반구마다 큰 공기 순환이 하나 있다고 보았지만, 지금은 반구마다 해들리 · 페렐 · 극 순환의 세 고리가 있다고 봅니다.

지구가 돌아서 생기는 휨은 프랑스 수학자 코리올리(1792–1843)의 이름을 따 코리올리 효과(전향력)라 부릅니다.

제트 기류는 보통 약 9,100 m 높이에서 불고, 빠를 때는 442 km/h(약 123 m/s)를 넘습니다.

한대 제트 기류는 위도 50~60° 사이, 아열대 제트 기류는 위도 약 30° 에 있습니다.

우리나라와 일본은 최대풍속이 17 m/s 이상인 열대 저기압을 모두 태풍이라 부릅니다.

태풍이 생기려면 해수면 온도가 26.5 °C 이상이어야 하고, 전향력이 약한 남북위 5° 안에서는 거의 생기지 않습니다.

태풍은 바다에서 증발한 수증기를 받아 세기를 유지하며 고위도로 움직이고, 이렇게 지구 남북 사이의 에너지 불균형을 푸는 역할을 합니다.

1951~2024 년 북서태평양에서는 한 해 평균 약 26 개의 태풍이 생겼고, 그중 약 3 개가 우리나라에 영향을 주었습니다.

바다에는 큰 해류가 빙 도는 환류(자이어)가 다섯 개 있고, 북반구의 환류는 시계 방향으로 돕니다.

멕시코 만류는 1513 년 폰세 데 레온이 처음 본 기록이 있고, 벤저민 프랭클린이 1769 년 그 지도를 펴냈습니다.

멕시코 만류는 1~3 노트(약 0.5~1.5 m/s)로 흘러 하루에 25~75 마일(약 40~120 km)을 갑니다.

깊은 바다의 흐름은 바닷물의 밀도 차이로 움직이고, 그 흐름을 온도(thermo)와 염분(haline)이 조절해서 열염 순환이라 부릅니다.

바다 얼음이 얼면 소금이 남아 둘레 바닷물이 더 짜지고, 이 흐름은 북대서양 극 가까운 바다 표면에서 시작합니다.

흐름은 초속 몇 cm 로 느려서, 바닷물 1 m³ 가 한 바퀴를 도는 데 약 1,000 년이 걸립니다.

1987 년 브로커는 이 흐름을 «컨베이어 벨트» 로 그린 그림을 내놓았습니다.

1600 년 길버트는 『자석에 대하여(De Magnete)』에서 지구가 커다란 자석이라고 풀이했습니다.

NASA 는 지구의 빠른 자전과 녹은 니켈 · 철 핵이 자기장을 만든다고 설명하고, 미국 지질조사국(USGS)은 지구 핵을 스스로 유지되는 발전기(다이너모)라고 적습니다.

지구 겉의 암석권은 유라시아판 · 태평양판 등 10여 개의 판으로 나뉘어 있고, 판 구조론은 1965~1968 년 무렵 하나의 이론으로 묶였습니다.

『조선왕조실록』 세종 23 년(1441) 8 월 18 일 자에 측우기를 만든 기록이 있습니다.

국가유산청은 1442 년(세종 24 년) 조선이 농업에 쓰려고 세계 최초로 측우기와 측우대를 만들었다고 적습니다.

측우기는 물 깊이를 재는 자 주척과 함께 전국 감영에 나눠 주었고, 지금 남은 조선 시대 측우기는 1837 년에 만든 공주 충청감영 측우기 하나뿐입니다.

1434 년(세종 16 년) 장영실은 정해진 시간에 종 · 징 · 북이 저절로 울리는 물시계 자격루를 만들었습니다.

물받이 통에 물이 차면 떠 있는 잣대가 올라가 지렛대를 건드리고, 쇠구슬이 구멍으로 굴러 들어가 인형이 종을 쳐 시각을 알립니다.

세종은 1434 년 음력 7 월 초하루부터 자격루를 나라의 표준 시계로 썼습니다.

지금 남은 국보 자격루는 1536 년(중종 31 년)에 다시 만든 것의 일부입니다.

1947 년 11 월 17 일부터 12 월 23 일 사이 벨 연구소의 브래튼과 바딘은 윌리엄 쇼클리의 지휘 아래 점 접촉 저마늄 트랜지스터를 만들어 보였습니다.

1959 년에는 벨 연구소의 강대원(Dawon Kahng)과 모하메드 아탈라(Mohamed Atalla)가 MOSFET 을 처음 만들었습니다.

IEEE 가 벨 연구소의 업적을 새긴 기록 동판에도 MOSFET(1959)이 올라 있습니다.

1960 년 5 월 16 일 시어도어 메이먼은 미국 휴스 연구소에서 처음으로 레이저를 작동시켰고, 그 바탕인 유도 방출은 43 년 앞서 아인슈타인이 내다본 현상이었습니다.

메이먼의 레이저는 섬광등으로 빛을 넣는 루비 막대였고, 붉은 빛을 밝게 번쩍 냈습니다.

1970 년 코닝의 마우러 · 슐츠 · 켁은 1 km 에 빛이 약 20 dB 만 줄어드는, 아주 맑은 통신용 광섬유 유리를 만들었습니다.

핵융합 장치 KSTAR 는 1995 년 12 월부터 2007 년 8 월까지 11 년 8 개월 동안 지어졌습니다.

한국핵융합에너지연구원(KFE)은 KSTAR 를 세계 최초로 Nb₃Sn(나이오븀-주석) 초전도 자석으로 만든 장치라고 적습니다.

KFE 의 연도별 성과에는 이온 온도 1 억 도 플라즈마를 2018 년 2 초, 2021 년 30 초, 2024 년 48 초 동안 유지한 기록이 있습니다.

최종 목표는 1 억 도 넘는 플라즈마를 300 초 동안 다루는 기술입니다.