영화속 과학 지식(1) - 앤트맨은 현실적으로 가능 할까? (양자역학 기초)

영화 <앤트맨>을 보게 되면 주인공 앤트맨이

자신의 크기를 마음대로 늘렸다 줄였다 하는 모습을 볼 수 있다.

 

이게 과학적으로 정말 가능한 일일까 ? 

가능하다면 어떤 원리로 가능하게 되는 걸까 ?

 

오늘은 영화 <앤트맨>속 과학 지식을 같이 알아보자.

 

먼저 <앤트맨>속 과학 지식을 알기 전에 앤트맨이 어떤 캐릭터인지 알 필요가 있다. 앤트맨은 특수한 수트를 입으면 자신의 크기를 개미처럼 작게 하거나 비행기처럼 커지게 하거나 크기를 마음대로 조절 할 수 있게 된다. 이러한 기능이 과학적으로 가능 할까?

이 원리를 알려면 우리는 양자역학의 대해 알고 있어야 한다.

양자역학을 알기전에 우리는 기본이 되는 지식이 밑바탕 되야 한다.

 

양자역학은 원자나 분자 같은 미시세계를 설명하는 현대 물리학이다.

 

원자란 무엇일까?

"모든 것은 원자로 이루어져 있다." - 리처드 파인만

 

원자란 화학반응을 통해 더이상 쪼갤 수 없는 단위이다.

 

인간의 몸으로 예시를 들어보자면 인간의 몸을 자세히 들여다 보면 세포로구성되어 있는데, 약 100조개의 세포가 모여서 인간을 구성하게 된다. 그럼 하나의 세포를 자세히 들여다 보면 약 100조개의 원자가 들어있다. 이러한 원자의 크기는 1억분의 1cm 이다. 

이렇게 작은 원자는 우리가 보고 만지는 모든 물질을 구성하고 있다.

물, 머리카락, 자동차, 지구와 태양, 은하와 우주 전체가 이러한 원자로 구성돼있다는 것이다.

 

그렇다면 이 원자는 어떻게 생겼을까?

단순하게 생긴 원자, 수소를 살표보게 되면 수소는 양성자 하나, 전자 하나로 이루어져 있다.

원자의 중심 부분을 원자 핵이라고 하는데 전자는 마치 태양을 도는 지구처럼 원자핵을 중심으로 돌고 있다.

검정: 원자핵 / 빨강 : 전자 (예시 그림)

그럼 여기서 원자핵과 전자 사이에 거리는 얼마나 될까?

위의 그림을 참고하여 전자가 도는 둘레를 축구경기장이라고 가정 했을때 원자핵은 축구경기장 가운데에 있는 축구공 만하다고 생각하면 이해하기 쉽다. 즉, 물질을 구성하는 최소 단위의 99.99% 빈구조란 뜻이다.

 

왜 원자의 99.99%비어 있을까 ?

앤트맨의 원래는 이 99.99%의 영역을 마음대로 조절하는 능력인 걸까 ?

 

정답이다 ! 허무할수도 있지만 이 99.99%빈 영역을 마음대로 늘리거나 줄이거나 하게 된다면 우리도 앤트맨이 될 수 있는 것이다. 위에서 봤던 수소 전자로 다시 예를 들어보면, 가운데 있는 원자핵은 (+)인 양전하를 띄고 있고 전자는 (-)인 음전하를 띄고 있다. 자석을 생각해보면 (+)극과 (-)극이 만나면 서로 붙게 된다. 우리의 상식으로 생각해보면 (+)인 원자핵과 (-)인 전자는 서로 붙여야 정상이다.

 

하지만 전혀 그렇지 않다.

 

왜 그런지를 알려면 우리는 전자의 성질을 알아야한다. 입자인지, 파동인지

 

 

입자와 파동

원자핵 주변을 빙빙 돌고 있는 전자, 이 공간은 양자영역이다.

 

이 양자영역에선 인간이 이해할 수 없는 일들이 일어나고 있다.

그것은 바로 원자핵을 돌고 있는 전자는 입자와 파동의 성질을 둘 다 가지고 있다는 것이다.

 

입자는 무엇이고 파동은 무엇일까?

 

파동

파동을 알려면 파도나 소리를 생각하면 이해하기 쉽다.

파도는 물이라는 매질을 통해서 에너지가 퍼져 나간다. 물 속에 돌멩이를 던지면 파동이 일어나서 물 주변으로 퍼져 나간다. 소리도 마찬가지이다. 공기라는 매질을 통해서 파동 에너지가 주변으로 퍼져 나간다. 이러한 파동의 특징 중 꼭 알아야 하는 것은 파동이 퍼져 나가다가 장애물을 만다면 장애물을 뚫고 나아가는 것이 아니라 휘어져서 돌아 간다는 것이다. 

 

이해를 돕기 위한 이미지 (파동)

예를 들어 물결 파동이 퍼지다가 위의 그림과 같은 구멍이 뚫린 벽을 만나면 물결은 통과한 구멍에서부터 다시 파동이 생겨서 퍼져 나간다. 이러한 현상을 파동의 회절이라고 한다. 

 

입자

입자는 물질을 구성하는 아주 미세한 크기의 물체이다.

원자, 분자, 전자와 같은 것들을 말한다. 전자는 기본적으로 입자의 성질을 띄고 있다. 물이나 소리와 같은 파동을 제외하면 대부분의 물질들은 모두 입자의 성질을 갖고 있다. 입자라는 것은 작은 알멩이라는 것이고 이는 곳 질량을 가진다는 뜻이다.

만약에 바람개비를 향해서 전자를 쏜다면 바람개비는 전자와 부딪혀서 돌아갈 것이다. 왜냐면 전자는 입자의 성질을 가지고 있기 때문이다. 입자는 한 방향으로만 나아가기 때문에 벽에 부딪히게 되면 회절이나 통과를 할 수 없다.

 

이제 우리는 파동과 입자가 무엇인지 알게 되었다.

17세기의 뉴턴은 빛이 입자라고 주장 했고, 이것이 오랫동안 학계의 정설이였다. 뉴턴을 비롯한 과학자들은 세상 모든 물질을 파동과 입자, 두 가지로 나누기 시작했다. 과학자들은 물질들이 파동이면 파동, 입자면 입자지 파동이면서 입자인 무언가는 있을 수 없다고 생각했다. 그런데 여기서 하나의 실험으로 모든 상식이 무너졌다. 바로 이중슬릿 실험이다.

 

이중슬릿 실험

이중슬릿 실험이란 기다란 벽에 두 줄로 구멍을 뚫어놓고 기다란 벽에다가 전자를 발사하는 장치로 전자를 계속 쏘는 실험이다.

이중슬릿 실험 (예시)

이러한 실험을통해 전자가 입자라고 생각한 과학자들은 "어떤 전자는 벽에 부딪혀 튕겨져 나오고 어쩐 전자는 구멍을 통해 뒤에 있는 벽에 붙을 것이다." 라고 예상 했다. 그러나 결과는 전혀 예상 밖이였다. 뒤쪽 벽에 붙은 전자의 분포도는 구멍이 난 부분에서 들어오는 영역 이외의 전반적으로 다 전자가 붙어 있었던 것이였다.

이 결과를 두고 많은 사람들은 여러가지 의견을 냈었지만, 전자가 만약 파동이라면 뒤쪽 벽에 고르게 분포될 수 있다고 결론 지었고 전자는 파동이란 결과를 내게 되었다.

 

이렇게 이중슬릿 실험까지 알아보았다.

앞서 설명한 것들을 정리하면 다음과 같다.

 

1. 원자의 99.99%는 비어있다.

2. 원자는 (+)전하의 전자핵과 (-)전하의 전자로 이루어져 있는데 둘은 만나지 않는다.

3. (+)전하의 전자핵과 (-)전하의 전자가 만나지 않는 이유는 전자가 파동이기 때문이다.

4. 전자의 물질파

 

우리는 이제 이중 슬릿을 지나는 전자가 파동의 성질 또한 가지고 있다는 것을 알았다. 그런데 이 전자는 파동이기 때문에 원자핵을 중심으로 빙글 빙글 돌아간다. 이 현상이 왜 일어나는 것일까?

 

먼저 호수를 한번 예시로 생각해보자.

호수에 돌멩이를 던지면 이 파장은 호수 끝까지 전달 될 것이다. 파장이 끝없이 전진하면서 도달 하는 것이다. 반면에 기타를 생각해보자. 기타줄을 퉁 하고 튕겨내면 기타줄은 파동을 만들어 내는데 이 기타줄의 파동은 기타줄 안에서만 일어난다. 파동이 파동이 기타줄에 갖혀서 어느 방향으로도 나아가지 못하고 제자리에서만 진동을 하게 된다. 

 

파동이 갖혀서 제자리에서만 진동한다. 이것을 정상파라고 한다. 전자의 파동 역시 정상파이다.

예로 기타줄을 동그랗게 말아서 튕겨보면 기타줄의 파장은 동그란 줄을 따라 파동이 치는 모양이 될 것이다. 이것은 전자의 파동과 매우 흡사하다. 동그란 기타줄 안에 점을 찍으면 그 점이 원자핵 기타줄을 도는 점을 찍으면 전자 그러고 기타줄을 튕겼을 때 생기는 파동을 전자의 파동이라고 생각하면 전자가 발생시키는 정상파인 것이다.

 

여기서 전자는 궤도 안에서 정상파를 만들어 내면서 전자 궤도를 일정하게 유지 시킨다. 이 전자가 만드는 정상파 때문에 전자는 허용된 최소 반지름 보다 더 작은 궤도를 돌 수 없고, (-)전하의 전자는  (+)전하의 전자핵 쪽으로 빨려 들어가지 못한다. 원자의 크기는 정해진 것 이외로 작아 질 수도 없다. 

 

즉, 앤트맨속 원자의 크기를 자유자제로 변경하면서 물체를 변경하는 것은 아직까진 불가능 하다는 결론이 나온다.