자연과 과학의 숨겨진 이야기

물과 과학을 연결해서 정리해보자.

그동안 알아봐 왔던 자연과 물에 대해 간단하게 정리하면서 복습해 보려고 한다. 네 가지의 기본 원칙을 알아보자.

제1원칙: 물의 상은 네 가지이다. 흔히 우리가 알고 있는 물은 고체, 액체, 기체라는 세 가지 상태가 있다고 배웠다. 다른 글에서 알아보았듯이 네 번째 상이라고 규정될 만한 새로운 물의 형상을 확인했고, 그게 바로 배타 구역이다. 이것은 액체도 고체도 아닌 무엇이다. 배타 구역을 삶지 않은 계란의 흰자와 흡사한 물리적 성질을 가진 액체 결정이라고 서술하는 것이 가장 정확할 것이다. 전에 글에서 배타 구역에 관해 알아보았는데, 배타 구역을 'EZ'라는 용어를 사용했다. 

제2원칙: 물은 에너지를 저장한다. 네 번째 상의 물은 에너지를 질서와 전하의 분리라는 두 가지 형태로 저장한다. 질서는 위상 전위차 에너지(configurational potential energy)를 구축하며 이것은 질서 상태에서 무질서 상태로 넘어갈 때 방출한다. 살아 있는 세포에서 질서-무질서 전이는 에너지 전달 기제의 핵심을 이루고 있다. 두 번째 형태인 전하의 분리는 배타 구역의 통상 음의 하전을 가지도록 하는 전자와 양의 하전을 갖는 양성자로 구성된다. 양성자는 히드로늄 이온으로 구성된다.

 

자연계는 사용할 수 있는 에너지 저장소를 버리지 않는다. 그 에너지를 아주 효과적으로 나뉘어 필요한 곳에서 사용한다. 현대 생화학의 아버지인 알베르토는 센트죄르지는 생물학은 결국 전자 에너지가 세포 혹은 유기체 내에서 어떻게 이용되는지를 이해하는 것이라고 말했다. 배타 구역은 사용할 수 있는 전자의 기원이며 엄청난 수의 생물학적 과정을 출동할 수 있다. 이를 보충하는 양성자도 중요한 역할을 한다. 양이온 농도는 압력을 만들어내고 이를 통해 흐름이 생겨난다. 흐름은 어디에서나 존재한다. 우리의 혈관계, 고도로 분화된 세포에서도 거대한 나무의 물관도 마찬가지다. 히드로늄 이온이 이런 흐름을 추동한다. 배타 구역의 전위차 에너지는 실제로도 작동한다. 주위에서 그 예를 바로 볼 수 있는데, 바로 정수기다. 배타 구역이 불순물을 포함하는 용질을 배제하기 때문에 오염되지 않는 배타 구역 물을 회수하면 되는 것이다. 간단히 말하자면 전자기 에너지를 받으면 물이 조직화하면서 필터 없는 여과 과정이 시작되는 것이다. 물은 에너지를 저장한다.

 

제3원칙: 물은 빛으로부터 에너지를 얻는다. 태양의 전자기 에너지는 물에서 전위차 에너지를 축적하게 한다. 광자가 질서와 하던 분리를 통해 배타 구역을 재충전한다. 태양 에너지는 물 분자를 쪼개고, 배타 구역을 조직화하며, 따라서 조직화한 배타 구역 쪽에 전하를 부여하고 나머지 일반적인 물 부분에 반대의 전하를 부여한다. 물은 환경으로부터 끊임없이 에너지를 흡수하고 그 에너지를 통해 일할 수 있다. 식물체도 이와 같은 일을 하고 있다. 식물은 환경에서 방사되는 에너지를 흡수하고 이를 통해 일한다. 식물의 대부분은 물로 이루어져 있다. 태양에서 오는 에너지가 실제로 우리 세포에 화학 에너지를 전달할 수 있기 때문에 우리는 에너지가 충분함을 느낄 수도 있다. 어떤 파장의 빛은 우리 몸을 통과해나간다. 전등을 손바닥에 비추고 그 비치 새어 나가는지 확인해보자. 실제 세포는 따뜻한 곳에서 더 빨리 자란다. 적외선에 노출된 세포와 같다. 빛이 물속에 에너지를 축적할 수 있고 우리 인간이 대부분 물로 이루어졌다면 우리가 환경으로부터 에너지를 받는다고 생각할 수 있다. 빛을 받을 수 있는 기제는 생물학에서 흔하게 발견된다. 이 원칙은 물리학과 공학에서도 적용된다. 예를 들면 물에 흡수된 빛 에너지를 획득하는 것은 전기 에너지를 얻는 쓸모 있는 수단이 될 수 있다. 배타 구역에서 전하의 분리는 광합성 초기 단계와 매우 흡사하다. 이 단계에서는 친수성 표면 근처에 있는 물이 쪼개진다. 전자기 에너지가 물 분자 안에서 전위차 에너지로 축적되면 그것은 에너지 저장소 역할을 할 수 있다. 이 에너지는 사방으로 퍼져나가면서 원래 에너지를 주었던 곳으로 돌아갈 수도 있고 뭔가 일을 하는 데 쓰일 수도 있다. 제4원칙: 같은 하전을 띤 것들까지 서로 당긴다. 리처드가 파이면 같은 유명한 물리학자가 이 원칙을 받아들였음에도 불구하고 여전히 대다수의 물리학자는 동일한 전하 사이에 인력이 작용한다는 사실을 수긍하지 않는다. 파이면 '반대 전하의 중개에 의한 동일 전하 간 인력"이라는 말을 만들어 냈다. 그는 이런 방식의 인력이 물리학과 화학에서 매우 중요하다는 점을 이해했다. 아까 말했듯이 대다수 과학자는 반사적으로 동일 하전 끼리끼리는 서로 배척해야 한다고 가정한다. 잠깐 일지라도 같은 하전이 다른 하전의 도움을 받아 끌어당길 수 있다고 생각하기를 원하지 않는다.

실험을 통한 증명을 논외로 하더라도 동일 하전 끌림 현상은 거시적이든 미시적이든 간에 자연계에서도 광범위하게 관찰될 것이다. 정리하면서 자연계에 법칙이라고 할 수 있는 네 가지의 원칙을 알아보았다.

 

 

전문 서적을 참고하여 작성하였습니다.