5월의 작은 선인장

과학에세이

.. 1. 불완전 평형에 의한 일반상식의 파괴
우리는 일반적으로 상식이 많은 사람을 똑똑한 사람이라고 칭한다. 그리고 상식이 많으면 생활하는데 있어서나 일하는데 있어서 같은 시간 내에 더 효율적으로 많은 일을 하게 되는 것이 사실이다. 그래서 우리는 그러한 사람이 되고자 노력한다. 하지만 언제나 만능으로 상식이 통하는 것은 아니다. 지금부터 몇 가지 상식이 통하지 않는 현상들을 살펴볼 것이다. 여러분들이 이를 읽고, 당연하다고 생각할지도 모른다. 하지만 가만히 생각해 보자. 이 글을 읽기 전에 과연 당신은 이 현상들을 당연하다고 생각했는지 말이다.

1.1 콜럼버스의 달걀

1.1.1 콜럼버스는 정당한 방법으로 달걀을 세웠는가?
콜럼버스가 아메리카 대륙(당시에는 인도라고 생각되었었다. 늙어죽을 때까지 콜럼버스는 인도라고 알고 있었다.)을 처음 발견했을 때 콜럼버스의 업적을 높이 평가하지 않는 귀족들 앞에서 콜럼버스가 달걀을 세로로 세워보라고 했다는 일화는 유명해서 이 글을 읽는 분들의 대부분이 알고 있을 것이다. 물론 이 일화가 진실인지 아닌지는 정확치 않지만, 어쨌든 진실이라고 하고 이야기를 전개하자.(진실이건 아니건 중요한 문제가 아니다.)

귀족들은 세로로 달걀을 세우라는 말을 듣고 매우 난감해 하거나 화를 내거나 했다고 한다. 물론 세로로 달걀을 세우는 것은 매우 힘든 일임에 틀림이 없다. 하지만 그들은 왜 달걀을 세로로 세우는 것에 대해 적대감을 가지고 있었을까??
그것은 바로 세로로 달걀을 세울 수 없다는 선입견을 갖고 있었기 때문이다. 귀족들의 상식으로는 달걀을 세로로 세울 수 있는 방법은 없는 것이었다. 그렇다면 세로로 달걀을 세울 수 있는 방법이 있다는 것인가???

세로로 달걀을 세우는 것은 해 본 사람들이면 누구나 힘들지만 할 수 있다고 한다. 콜럼버스의 해답을 가만히 살펴보자.
불가능하다는 답변을 귀족으로부터 들은 콜럼버스는 간단한 방법으로 달걀을 세운다. 즉, 한쪽 귀퉁이를 깨어서 내용물을 빼낸 후 달걀을 깨진 귀퉁이로 세운 것이다.

이 글을 알고 있는 사람들은 이해하겠지만, 이는 콜럼버스의 상식의 승리였다. 즉, 둥근 물체를 세우기 위해서는 접촉면적을 넓혀서 세운다는 간단한 상식으로부터 출발한 콜럼버스의 귀족에 대한 승리였다.

하지만 콜럼버스도 귀족도 그 자리에서 생각지 못한 오류가 있었다. 여러분들은 그것을 알 수 있는가? 밑의 글을 읽기 전에 한번 생각해 보기 바란다.

1.1.2 콜럼버스의 아메리카 발견은 정당한 것인가?
                                               - 콜럼버스의 업적을 인정할 수 있는가?
콜럼버스의 시대에는 지구가 둥글다는 생각이 유럽으로 뭉게뭉게 퍼지기 시작한 시기였다. 콜럼버스는 당시 과학자들이 지구가 둥글다고 주장하다가 처형당하거나 권리를 박탈당하는 시대에 그들의 주장이 정당하다고 믿고, 따라서 서쪽으로 계속 항해하면 인도에 도달할 수 있다는 생각을 가졌다. 당시 인도에 가기 위해서는 배를 타고 남쪽으로 가서 아프리카 희망봉을 돌아서 다시 북쪽으로 한참을 가서 인도에 가야 했으므로, 직접 인도에 갈 수 있다면 충분한 경제적 가치가 있는 것이었다. 그는 포르투갈과 에스파냐 왕들을 찾아가서 그의 주장을 펼치면서 자금과 인원을 대주면 자기가 직접 서쪽으로 가서 인도에 도착해 보이겠다고 설득했다. 당시의 일반적 상식으로서는 바다의 끝은 낭떠러지가 있고, 낭떠러지의 밑에는 끝도 없이 떨어지는 절벽만이 존재한다고 생각되어 왔었다. 물론 그곳에는 별과 태양이 솟아나거나 떨어지는 그런 장소이기도 했다. ^^;

이러한 당시의 상식을 뛰어넘어서 콜럼버스는 지구가 둥글고 어느 방향으로 가나 낭떠러지로 떨어지지 않는다는 주장을 했으므로 당시의 많은 사람들로부터 비웃음과 멸시를 받으면서 배척당했다.
콜럼버스는 비록 자기가 발견하고자 했던 인도는 발견하지 못했고, 아메리카 대륙을 발견한 것은 그리 큰 공로(업적)는 아니었지만, 이러한 일반 상식의 파괴를 직접 행동으로 보여준 것은(그것도 생명을 거는 상태로 상식을 뛰어넘으려 한 것은) 충분히 훌륭하게 평가받을 만한 업적이다.

하지만 콜럼버스의 이러한 업적에도 오류가 있다. 콜럼버스가 아메리카를 발견하기 훨씬 이전인 수백 년 전 바이킹은 배를 타고 아메리카를 발견했으며, 실제로 그곳에서 수백 년간 거주하기도 했다. 하지만 그들은 지구가 소간빙기에 들어서자 그린란드가 너무 추워져서 그곳에서 철수했다. 그 후 지금 현재 누군지 명확지 않지만 콜럼버스보다 200년  앞서 아메리카에 간 사람들이 있었다. 그들을 정크 선을 타고 세계를 누비던 중국 명나라 사람들이라고 주장하는 사람들이 있지만 정확치는 않다. 그리고 콜럼버스는 그 200년 전의 기록을 봤을 가능성이 아주 높다. (콜럼버스는 항해를 하기 이전에 수년 동안 서점에서 일하며 많은 책을 볼 기회가 있었고, 여기서 지구가 둥글다는 것 또한 알게 됐다.)

따라서 콜럼버스는 처음으로 아메리카 대륙을 발견한 것은 아니었던 것이다.

이 글을 읽는 분들의 대다수는 이러한 나의 주장에 이해가 언뜻 가지 않을 수도 있다. 그것도 그럴 것이 지금까지 어떠한 곳에서도 나처럼 이렇게 콜럼버스의 업적을 평가하는 것을 본 적이 별로 없었기 때문일 것이다.

1.1.3 달걀을 정당하게 세우는 법
콜럼버스의 상식의 단점은 두 가지가 있다.

첫 번째, 콜럼버스가 세운 달걀은 진짜 달걀인가???
지금 이 질문을 하면 읽는 분들은 모두 생각을 하겠지만, 콜럼버스가 세운 것은 달걀이 아닌 달걀껍질이다. 따라서 콜럼버스는 달걀을 세로로 세우는 데에 실패하고 말았다.
두 번째는 과연 둥근 물체는 세로로 세울 수 없는 것인가?

콜럼버스는 미쳐 그것까지 깨닫지 못했지만, 누구도 충분한 시간과 노력을 들이면 달걀을 세로로 세울 수 있다.
의심이 가는 사람이라면 지금 냉장고로 가서 달걀 하나를 가져다가 컴퓨터가 있는 책상, 혹은 다른 평평한 곳에 달걀을 세우는 작업을 해 보아라. 빠른 사람은 10분정도면 충분히 세울 수 있고, 느린 사람도 두 시간이면 충분히 세울 수 있다.

이것을 우리는 불완전평형이라고 한다. 즉 어느 한쪽으로 치우치면 다시는 그 상태로 되돌아가지 못한다. 이에 반해서 웬만큼 힘을 가해도 되돌아가는 성질을 띠는 평형 점을 완전평형이라고 부른다. 달걀을 세로로 세운 상태는 분명 불완전 평형이 되며, 우리가 힘을 가하면 가로로 휙 누워버린다. 반대로 가로로 누운 상태의 달걀에 힘을 가하면 달걀이 깨지지 않는 한 대부분 다시 가로로 다시 누워버린다.

1.1.4 일반인이 생각지 못했던 문제들
                                       - 직접 시도해 보지 않고 성급하게 결론내기
자... 이제 일차적인 결론을 말할 때가 된 것 같다. 일반인이 생각할 때에 가끔 상식을 가지고 접근하는 경우가 많다.
대표적인 예가 선풍기를 틀면 온도가 내려간다는 것이다. 하지만 이미 중학교나 고등학교 과학을 배운 사람이라면 선풍기는 절대로 온도를 내리지 못한다는 것을 알고 있다. 이는 온도계를 설치하는 단순한 방법의 실험만으로도 간단하게 증명할 수 있다. 하지만 일반적 체감만으로는 이것을 알아차리기가 쉽지 않다. 따라서 직접 시도해보지 않고 결론을 내리기 좋아하는 일반인들에게 이것은 알아내기 쉽지 않은 면도 있다.

우리가 과학적 사고를 하여 우리 생활을 더 나아지게 하려면 이런 것처럼 당연해 보이는 것도 깊은 사고와 실험을 해 보는 것이 중요하다.
지금부터 당연하다고 생각되는 일들을 하나씩 하나씩 검증하는 절차를 가져보자.

1.2 시험관의 물 빠짐

1.2.1 초등학교 과학에서 시험관의 물 빠짐
내가 초등학교(당시는 국민학교) 4학년 때에 자연시간에 과학실에서 실험을 한 적이 있다. 실험 주제는 시험관에 물을 채워서 물 위에 거꾸로 세우면 물기둥을 세울 수 있다는 것이 요지였다. 물론 시험관을 계속 들어서 시험관의 끝이 물과 떨어지는 순간에 시험관의 안에 들어있는 물은 당연히 밑으로 쏟아지게 된다.
여러분들은 이 실험을 해 보았는가? 직접 해 보지 않았어도 생활속에서 많이 겪었을 것이다. 하지만 이 실험에서 두 가지 오류가 있었다. 물론 초등학교 수준에서는 그 두 가지 오류중 하나밖에 생각할 수 없었지만 어쨌든... 나는 이 실험을 하면서 직접 오류를 실험에서 발견하게 된다.

1.2.2 실제 나타날 수 있는 현상으로써의 물 빠짐
당시 내가 겪었던 물 빠짐 현상을 초등학교 4학년, 5학년 학생들에게 직접 들려주었을 때에 학생들의 반응은 별의별 신기한 것이 다 있다는 반응이었다. 그만큼 물이 든 시험관을 위로 들어올렸을 때 물이 빠지는 것은 일반상식으로는 당연한 것이었다. 그렇다면 내가 4학년 때 했던 실험에 대해서 살펴보도록 하자.

우선 이 실험을 성공하기 위해서는 여러 번에 걸쳐서 시도를 해 보아야 한다.
실험을 열심히 하다보면 시험관을 들었을 때에 전후좌우의 균형이 딱 맞고, 또 물이 수면에서 떨어지는 순간 묘하게 시험관 주둥이 밑으로 또 다른 수면이 찰람거리게 생기게 된다. 방향만 틀릴 뿐이지 일반적인 수면과 별반 다를 것이 없다.
이 현상은 시험관 주둥이가 작고, 흠이 없을수록, 물의 온도가 낮을수록 잘 일어나게 된다. 또한 조심스럽게 시험관을 들어야 되는 것은 당연하다.

이러한 현상이 일어나는 것은 중력과 압력의 균형에서 답을 찾을 수 있다. (사실 나도 국민학교 4학년 때에 처음 이 실험이 이리 됐을 때는 원인을 알지 못했다.) 시험관의 높이가 10m가 되지 않는 한 시험관 안의 물의 압력은 대기압보다 작아지게 되므로 밑으로 물이 빠질 수 없는 것이다. 물론 균형이 시험관 주둥이의 일부에서라도 무너지면 전체의 균형은 무너지게 되는 것이다. 이 일부의 균형이 유지되는 것은 표면장력이라는 또 하나의 물리적 현상이 관여하게 된다.
이 모든 것을 다 설명하려면 글이 너무 길어지므로 여기서는 생략하도록 하자. (나중에 기회가 되면 다시 올리겠다.)

1.2.3 불완전 평형으로 나타나는 문제와 해결책
불완전 평형은 예상외로 우리 일상생활에서 자주 일어나게 된다. 우리가 동전을 던져서 앞뒷면이 나오는 내기를 했을 때에 동전이 서버리면 어떻게 될까???
예상외로 실제 이런 일을 겪으신 분들을 주위에서 심심찮게 찾아볼 수 있다.
또, 화성에 간 스파이펜던트 호(?)에 실려 간 로봇이 움직이자마자 정지해 버린 것도 알려지지는 않았지만, 이 불완전평형이 그 원인이 아닐까 하고 생각해 본다.

이렇듯 불완전평형의 문제는 생각 외로 많이 발견할 수 있는데, 그것을 일반적으로 고려치 않는 원인은 균형을 이루기만 하면 무조건 정지상태로 있을 수 있다는 것을 일상 경험에서는 체험하기 힘들기 때문이다.
따라서 불완전평형의 문제를 쉽게 알려고 한다면 그 상태에 미치는 요소들이 어떤 것인가를 알아보는 것이 최선이다.

1.3 파이프의 단면과 물 빠짐 속도
                          - 어떤 모양으로 파이프를 만들어야 가장 빨리 물을 뺄 수 있을까?
파이프에 물이 쉽게 빠지게 하는 문제는 우리 일상생활에 큰 영향을 미치고 있는 문제이면서도, 우리가 당연시 하는 문제이기도 하다. 우리가 알기에 원형 수도 파이프를 통해 물을 빼는 것이 면적당(혹은 파이프 재료당) 가장 많은 물을 쉽게 빼는 것이 가장 많은 물을 빼는 방법일 것이다. 혹시 이렇게 생각하지 않는 분????
하지만 실제 실험을 해 보면 우리 일반 상식이 틀렸다는 것을 쉽게(?) 알 수 있다. 사실 쉽게는 아니다. 그런 관을 만드는 것이 생각보다는 어렵기 때문이다...^^
아직 밝히진 않았지만.... (아니다.. 글을 써 나가면서 차차 말하자!!!)

1.3.1 파이프에 물 빠짐에 영향을 주는 요소
                                                  - 점성저항과 파이프의 모양들 (네모, 세모, 원 등등..)
우선 우리는 초등학교 때에 물이 굽이치는 개울의 안쪽에서 더 느리게 흐르고, 먼 쪽도 강변의 영향으로 좀 느리게 흐르고, 수면이나 강바닥과 접하는 부분에서도 좀 느리게 흐른다고 배웠을 것이다. 물론 이것 말고도 다른 몇몇 현상을 배우고 지나간다. 이건 실생활에서 어떤 상황에 닥쳤을 때에 이 상식을 이용해서 많은 문제들을 해결하게 된다.
즉 이러한 상식을 동원했을 때 파이프 안에서 물이 빨리 흐르려면(유체는 빨리 흐르면 많이 흐르게 된다.) 당연히 원형을 띄어야 하는 것이다.
또한 파이프와 물의 점성저항이 적어야 마찰이 적고, 당연히 물이 많이 흐를 것이므로, 당연히 물의 상태에도 차이가 나게 된다.

1.3.2 이상한 파이프의 결과
                                                   - 회전하는 요철이 있는 파이프
하지만 실험 과학자들이 19c에 실험을 직접 해 본 결과 해결할 수 없는 모순에 봉착하고 말았다. 즉 원형의 파이프보다도 원형의 안쪽에 요철이 나 있는 관이 물을 더 많이 흐르게 할 수 있었다.^[각주:1]
또 비슷한 다른 현상이 또 있다. 운하를 만들어서 벌채한 목재를 운반할 때에 어떻게 하면 더 많은 목재를 하류로 쉽게 흘려보낼 수 있을까???
놀랍게도 곧게 뻗은 운하보다는 구불구불 뱀이 기어간 자국처럼 만들어진 운하에 더 많은 목재를 수송할 수 있었다고 한다. 이 운하들은 실제로 유럽에서 건설되어 20세기 초까지 사용되다가 산림보호(?)를 목적으로 모두 폐지되었다고 한다.

1.3.3 왜 이런 현상이 있는가?
                                                     - 과학계가 풀어야 할 과제!!!
이 문제의 확답은 할 수 없다. 아직까지 과학계가 이 문제를 제대로 풀지 못하고 있다. 대단위 거시세계나 아주 작은 미시세계는 그런대로 만족시키는데, 사실 중간쯤 되는 현실세계는 모르는 것이 너무도 많다.
이런 문제들을 해결해야 한다니... 재미있을 것 같지 않은가???



ps.
이 글들의 꼭지 번호가 모두 '1'로 시작되는 것은 원래 시리즈로 기획되었었기 때문입니다. 이 글을 작성한 뒤에 기획했었던 기록을 잃어버려서 계속 작성되지 못한 비운의 시리즈물이랍니다. ㅜㅜ

포털에 펌할 수 없음!

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