물리(物理)와 신경과학 #1

 

물리(物理)와 신경과학

 

물리라는 것은 세상의 이치를 말한다. 우리가 살고 있는 우주가 어디서부터 왔고 왜 생겨났으며 어떠한 상호 관계를 가지는지를 밝혀내는 것이다. 그럼 이러한 것들은 우리하고 무슨 관계가 있는가? 우주를 이루는 거시세계부터 모든 물질을 구성하는 작은 소립자들의 세계는 우리에게 어떤 영향을 미칠까? 의학적으로는 어떤 관계가 있을까?

 

 

 

 

20세기 상대성 이론과 양자 역학이 탄생하기 전에는 눈에 보이고 측정할 수 있는 가시적인 과학만이 의미가 있는 것으로 보았다. 당연히 우주공간과 인체, 눈에 보이지 않는 원자 이하의 미시세계는 아무런 상관관계를 갖지 않는다고 생각하였다. 하지만 시공간의 개념과 양자역학은 눈에 보이지 않는 인체의 에너지 혹은 마음, 감정, 의식, 기억 등의 새로운 신경과학을 탄생하게 하였다.

 

 

또한 여러 과학들의 융합으로 나노선을 이용한 항암치료, 테라헤르츠 파를 이용한 종양의 검사, 측정, 치료, 세리아 나노입자를 이용한 뇌경색치료, 뇌-기계 인터페이스, 차세대 뇌영상시스템인 14T MRI, 인체통신, 인지로봇 등의 연구와 개발이 이루어지고 있다.

 

과학의 발전은 17세기의 코페르니쿠스의 근대과학에서 20세기 이전까지의 뉴턴에 의한 물리법칙이 이세상의 이치이자 물리법칙의 전부로 여겨졌다. 당연히 의학도 물리와 함께 같은 수준에서의 발전을 거듭했던 것이다.

그런데 20세기 이후 과학에는 많은 변화가 있었다. 모두들 익히 알고 있는 아인슈타인이라는 과학자에 의해서 이때까지 진리라고 여겨졌던, 시간과 공간의 개념, 중력의 개념, 빛의 개념이 완전히 달라지기 시작했고. 양자역학의 탄생으로 또 다른 표준모형이 탄생하여 아주 작은 미시세계의 소립자들의 상호작용에 대해서 새로운 국면을 맞이하게 되었다.

 21세기에는 아인슈타인의 상대성 이론과 양자역학의 통합을 꾀하면서 초끈이론, 통일장 이론까지 제안되고 있는 실정이다. 이런 물리의 발전으로 인해 에너지, 전자, 반도체, 우주과학, 항공, 의학 등 많은 분야에서 발전이 이루어지고 있다.

 

뉴턴의 운동법칙은 익히들 알고 있듯이 1법칙은 관성의 법칙, 2법칙은 가속도의 법칙, 3법칙은 작용 반작용 법칙이다. 이 운동법칙들은 200-300년 동안 절대 진리로 여겨져 왔다. 그러나 여전히 풀리지 않는 숙제들이 많이 있었다. 지구에서 우리가 감지 할 수 있는 범위에서는 뉴턴의 법칙이 정확히 맞아 떨어졌지만 거시적인 우주의 현상과 빛과 같은 빠른 물체에 대해서는 설명할 수가 없었다.

아인슈타인이 살았던 시기는 빛의 속도와 성질에 대해서 많은 논란이 있었던 시기였다. 빛이 진행하는 방향으로 이동하면서 빛의 속도를 재면 이전의 물리법칙상 빛의 속도는 빨라져야 함에도 많은 연구자들의 실험에서 모두 동일하게 나왔던 것이었다. 또한 빛은 알갱이로 이루어진 알갱이인가 파장을 가지는 파의 일종인가에 대한 논란도 많았던 시기였다.

이 모든 것을 물리학계의 비주류였던 젊은 과학자가 새로운 개념을 제시하면서 단숨에 세계적인 과학자가 되었다. 특허청의 직원이었던 아인슈타인이 그 주인공이다. 너무나도 유명한 거시세계의 물리학인 특수, 일반상대성이론을 발표하여 명성을 얻었던 것이다. 하지만 이 이론들로 노벨 물리학상을 탄것은 아니고, 아이러니 하게도 노벨 물리학상은 상대성 이론과 충돌을 일으키고 있는 양자역학인 광전자를 밝혀냄으로써 타게 되었다.

상대성 이론과 달리 양자역학은 원자 이하의 미시세계에서의 상호작용을 설명하는 물리학인데 아인슈타인은 이러한 이론들을 인정하지 않았었다고 한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 전자기파, 즉 광자를 특정 금속에 쏘았을 때 금속에서 전자가 튀어나가는 것을 말한다.

이것으로 전자기파인 빛은 알갱이, 즉 양자라는 것이 밝혀졌고 이로써 빛은 파동의 성질과 입자의 성질 모두를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 이 입자를 광자, 포톤이라고 하며 전자기파의 매개 입자이다. 그리고 양자의 세계에서는 아주 이해 못 할 재미있는 일들이 이뤄지고 있으며 아직도 전 세계에서는 이 양자역학을 완전히 이해하는 사람이 몇 명이 안 된다고 한다. 단지 수학적 이론과 실험적 결과가 정확히 일치해서 이해는 하지 못하지만 많은 과학기술로 일상에서 쓰이고 있다. 물론 의학에서도 마찬가지이다.

그럼 상대성이론은 무엇인가?

먼저 특수한 상태에서의 상대성 이론이라는 의미의 특수상대성 이론은 무엇인가?

일단 원론적으로 알고 있어야 할 것은 빛의 속도가 정해져 있다는 것이다. 어떠한 상황에서든 어디에서든 그 속도는 1초에 약 30만 킬로미터로 정해져 있다. 물론 매질에 따라 우주공간과 물속에서의 차이는 현저하지만 일반적인 공기 중에서는 모두 똑같다. 이 하나의 사실로 시간과 공간의 개념이 완전히 달라지게 되었다. 모두들 고등학교 때 들어 봤던 "거, 속, 시"는 알고 있을 것이다. 거리는 속도 곱하기 시간이라는 것인데 이전까지의 개념으로 속도는 정해진 시간에 얼마를 갔느냐는 것이었다. 그래서 빛의 속도를 구하려고만 노력을 하였다. 그런데 속도가 정해져 버리면 시간과 공간이 정확히 반비례로 변하게 되는 것이다.

 

예를 들면, 엄청 빠른 속도로 달릴 수 있는 기차에 빛이 수직으로 왔다 갔다 하고 있다면 정지해 있을 때는 그냥 일직선으로 보일 것이다.

하지만 기차가 등속도 , 즉 일정한 속도로 움직이게 되면 기차 밖에서 보는 관측자는 빛이 사선으로 왔다 갔다 하게 보이는 것이다. 그러면 피타고라스의 정리, ‘빗변의 제곱은 직각인 두 변의 제곱을 합친 값과 갔다’로도 알 수도 있지만 그냥 눈으로 봐도 멈춰있을 때와는 등속도 운동일 때의 빛의 길이가 길어졌다는 것을 알 수 있다.

이것은 같은 시간에 거리가 늘어났으므로 속도가 늘어났다고 볼 수 있다. 하지만 빛의 속도는 정해져 있다. 그렇기 때문에 거리가 늘어났고 그러면 시간이 많이 걸린 것이 된다. 기차 밖 관측자의 입장에서 기차속의 빛은 거리가 늘어나서 시간의 소비가 줄었으니 관측자에 비하여 기차 속의 시간은 느리게 흐른 것이 된다. 아주 획기적인 개념이고 당시에는 이 상대성 개념을 이해하는 사람이 전 세계에서 30명 정도 밖에 안된다고 했을 정도이다.

 

따라서 빠른 속도로 이동할수록 그렇지 않은 사람에 비하여 시간은 느리게 가게 된다. 하지만 기차속의 사람은 빛이 여전히 수직으로 왕복만 하고 있으므로 시간의 변화를 감지하지 못한다.

이 개념으로 속도가 빨라지면 시간은 상대적으로 느려진다는 획기적인 개념이 생기게 되었다.

 

또한 특수상대성 이론에서 공간에 대한 개념도 바꿔놓았다. 이번에는 빠른 속도의 기차에 수평으로 빛이 왔다 갔다 한다고 하자. 그럼 빛은 진행방향으로 갔다가 돌아올 때는 기차의 속도만큼 덜 가게 된다. 그래서 기차 밖의 관찰자는 빛의 길이가 줄어들게 된다. 빠른 기차가 지나갈 때는 느린 기차보다 상대적으로 기차가 짧게 보이는 것과 같다. 따라서 속도가 빨라지면 상대적으로 길이는 줄어드는 것이다.

이것이 로렌츠 수축이라고 하는 것인데 앞의 상대적 시간 수식과 이 수식을 합쳐서 아인슈타인 하면 떠오르는 E=MC²가 탄생하게 된 것이다. 이 식 하나로 엄청난 에너지를 만드는 원자력을 개발하게 된 것이다.

이 식을 살펴보면 에너지 E는 질량M과 비례한다. 에너지가 질량으로 변환될 수도 있고 반대로 질량이 엄청난 에너지로 변환 될 수도 있는 것이다. 질량M이 광속인 3십만 킬로미터의 제곱과 곱해지니까 조금의 질량이 엄청난 양의 에너지로 변환된다. 그렇다고 아무 물질이나 광속과 곱해져서 엄청난 에너지를 내는 것은 아니고 우라늄 같이 핵 붕괴를 통해 광자나 전자가 튀어나가는 물질들에 한해서 일어난다. 그것이 지금 에너지원으로도 쓰이고 다른 나라를 협박할 때도 쓰이는 원자력인 것이다.

 

 

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