물질의 상태 (고체, 액체, 기체)

모양의 세계

여러분이 앉아 있는 의자, 마시는 물, 그리고 숨 쉬는 공기가 모두 공통점을 가지고 있다는 사실을 생각해 본 적 있나요? 그 공통점은 바로 저랍니다. 저는 한 가지 모습만 가지고 있지 않아요. 때때로 저는 얼음덩어리나 튼튼한 책상처럼 단단하고 움직이지 않는 성격을 가집니다. 제 안의 아주 작은 알갱이들이 군인들처럼 빽빽하게 줄을 서서 제자리에서 살짝 떨기만 할 뿐, 절대 대열을 벗어나지 않기 때문이죠. 이런 저를 '고체'라고 부릅니다. 저를 밀거나 제 위에 앉을 수는 있지만, 저는 제 모양을 꿋꿋하게 지킵니다. 하지만 약간의 열만 가해져도 저는 완전히 다른 성격으로 변신할 수 있습니다. 그 단단했던 얼음이 녹아내리면, 저는 갑자기 흐르고 튀는 자유로운 존재가 됩니다. 강물을 따라 흘러가거나, 컵을 가득 채우거나, 길가의 웅덩이에서 첨벙거릴 수 있죠. 제 작은 알갱이들은 여전히 서로 가깝게 붙어 있지만, 이제는 마치 붐비는 파티의 댄서들처럼 서로를 스쳐 지나가며 미끄러질 수 있습니다. 그래서 저는 저를 담는 그릇에 따라 모양이 바뀌는 '액체'가 됩니다. 저에게 훨씬 더 많은 에너지를 주면 어떻게 될까요? 저는 보이지 않는 자유로운 영혼이 됩니다. 컵에서 탈출해 방 전체를 가득 채우고, 얼굴에 스치는 부드러운 바람이 되기도 하죠. 제 작은 알갱이들은 이제 마치 통제 불능의 벌떼처럼 엄청난 속도로 사방을 날아다닙니다. 서로 너무 멀리 떨어져 있어서 제가 거기에 있는지도 알아채기 힘들 정도입니다. 이것이 바로 저의 '기체' 모습입니다. 고체, 액체, 기체. 이렇게 세 가지 다른 성격 모두가 바로 저랍니다. 제가 어떻게 이렇게 많은 모습을 동시에 가질 수 있을까요? 이것은 수천 년 동안 호기심 많은 인간들이 풀어내려고 애써온 저의 비밀이었습니다.

나를 알아내다

저에 대한 수수께끼는 아주 오래전, 햇살이 내리쬐는 그리스라는 땅에서 시작되었습니다. 데모크리토스라는 아주 똑똑한 철학자가 조개껍데기를 보며 깊은 생각에 잠겼습니다. 그는 조개껍데기를 반으로 자르고, 또 반으로 자르고, 계속해서 자르는 상상을 했습니다. '더 이상 자를 수 없는 지점이 있지 않을까?' 그는 분명히 그런 지점이 있을 것이라고 생각했고, 이 작고 더 이상 자를 수 없는 조각들을 '더 이상 나눌 수 없다'는 뜻의 '아토모스(atomos)', 즉 '원자'라고 불렀습니다. 그는 세상의 모든 것이 바로 이 원자들로 이루어져 있으며, 원자들의 모양과 배열 방식에 따라 저의 모습이 달라진다고 믿었습니다. 정말 기발한 생각이었지만, 증명할 방법이 없었기에 그저 하나의 멋진 아이디어로 남았습니다. 수많은 세월이 흐른 뒤, 1700년대 프랑스에서 앙투안 라부아지에라는 꼼꼼한 과학자가 등장했습니다. 그는 생각만 하는 사람이 아니라, 직접 행동으로 옮기는 사람이었습니다. 그는 실험실에서 정밀한 저울을 가지고 저의 보이지 않는 기체 형태를 연구하는 것을 특히 좋아했습니다. 그는 수은을 조심스럽게 가열하여 공기 중의 어떤 기체와 결합시켜 붉은 가루로 만드는 유명한 실험을 했습니다. 그런 다음, 그 가루를 다시 가열하여 원래의 기체를 모았습니다. 그는 실험 전과 후의 모든 것의 무게를 정확하게 측정했습니다. 그의 놀라운 발견은 바로 아무것도 사라지지 않았다는 것이었습니다. 제가 반짝이는 액체 금속에서 붉은 가루로, 그리고 다시 기체로 변할 때조차 저의 총량은 정확히 똑같았습니다. 그는 제가 그냥 나타나거나 사라지는 것이 아니라, 단지 형태만 바꾼다는 '질량 보존의 법칙'을 증명해냈습니다. 이것은 저의 비밀을 푸는 데 있어 거대한 발걸음이었습니다. 라부아지에와 그를 이은 과학자들은 마침내 저의 가장 큰 비밀을 풀었습니다. 데모크리토스가 상상했던 작은 입자들에 대한 생각이 맞았습니다. 모든 것은 그 입자들이 어떻게 행동하느냐에 달려 있었던 것입니다. 학교 운동장을 상상해 보세요. 저의 고체 상태는 모든 학생이 교실 책상에 가지런히 앉아 있는 것과 같습니다. 학생들은 자리에서 꼼지락거리지만 자리를 떠나지는 않죠. 그래서 고체는 단단한 형태를 유지합니다. 저의 액체 상태는 쉬는 시간을 알리는 종이 울린 것과 같습니다. 학생들은 운동장을 돌아다니며 서로 어울리지만, 학교 담장 안에는 머물러 있죠. 그래서 액체는 흐르고 용기의 모양에 따라 형태가 바뀝니다. 저의 기체 상태는 마침내 학교가 끝난 시간입니다. 학생들은 사방으로 흩어져 동네 곳곳으로 달려갑니다. 에너지가 너무 넘쳐서 한 곳에 가둬둘 수가 없죠. 그래서 기체는 어떤 공간이든 가득 채우며 퍼져나갑니다. 이것은 마법이 아니라, 에너지와 운동에 관한 과학이었던 것입니다.

나의 초강력 사촌

이제 여러분이 저의 비밀을 거의 다 풀었다고 생각할 때쯤, 제가 놀라운 사실을 하나 알려드리겠습니다. 저에게는 네 번째, 훨씬 더 에너지가 넘치는 모습이 있습니다. 바로 저의 '초강력 사촌'이라고 부를 수 있는 '플라스마'입니다. 저의 기체 상태를 계속해서 가열하고 또 가열한다고 상상해 보세요. 에너지가 너무나 거대하고 강력해져서 마침내 제 작은 원자들을 산산조각 낼 정도가 됩니다. 원자 안에 있던 '전자'라는 더 작은 알갱이들이 튕겨져 나옵니다. 갑자기 저는 중성 상태의 원자들이 날아다니는 것이 아니라, 전기를 띤 입자들이 뒤섞인 빛나는 전기의 수프가 됩니다. 저는 전기를 통하게 하고, 자기장을 만들어냅니다. 저는 그야말로 자연의 강력한 힘 그 자체가 되는 것입니다. 여러분은 이런 형태가 아주 드물 것이라고 생각할지도 모릅니다. 하지만 사실 플라스마는 이 넓은 우주에서 가장 흔한 저의 상태입니다. 밤하늘을 올려다보세요. 저 반짝이는 수많은 별들이 모두 거대한 플라스마 덩어리입니다. 하늘에서 아름답게 춤추는 오로라의 다채로운 빛깔도 바로 플라스마 상태의 저입니다. 뇌우가 칠 때 하늘을 가르는 번개의 번쩍임도 순수한 플라스마입니다. 심지어 여러분 주변의 네온사인이나 최신 텔레비전 화면 속의 밝은 빛도 기체에 에너지를 가해 저를 눈부신 플라스마 형태로 만들어서 내는 빛입니다.

나는 모든 곳에 있어요

이제 여러분은 저의 네 가지 주요 정체를 알게 되었습니다. 이것이 왜 중요할까요? 저를 이해하는 것은 인류가 만들어낸 거의 모든 것의 핵심 열쇠가 되기 때문입니다. 액체에서 기체로 변하는 저의 성질을 제어하는 법을 배움으로써, 사람들은 기차와 공장을 움직여 세상을 바꾼 증기 기관을 발명했습니다. 저의 고체와 액체 형태를 이해함으로써, 우주를 탐험하기 위한 강력한 로켓 연료를 만들어냈습니다. 여러분이 타는 자전거의 단단한 금속부터, 물병 속의 액체, 생일 파티의 풍선을 채운 기체, 그리고 번개의 섬광 속 플라스마에 이르기까지, 저는 모든 곳에 존재합니다. 저는 이 우주를 이루는 바로 그 자체, '물질'입니다. 그리고 저의 이야기는 아직도 쓰여지고 있습니다. 여러분이 저에 대해 더 많이 배울수록, 더 많은 것을 창조하고, 발명하고, 문제를 해결할 수 있습니다. 그러니 계속 호기심을 갖고 주변 세상을 자세히 들여다보세요. 어쩌면 여러분이 저의 또 다른 비밀을 발견하고 그것을 이용해 더 나은 미래를 만드는 다음 사람이 될지도 모릅니다.