만유인력의 법칙
뉴턴은 만유인력의 법칙을 정리했습니다. 이름에 법칙이 붙을 정도로 어떤 물체에서나 적용이 되는 놀라운 자연현상입니다. 비록 뉴턴이 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력의 법칙을 생각해내진 않았지만 뉴턴 덕분에 우리는 떨어진다는 현상이 지구와 떨어지는 물건 사이의 상호 인력 작용이라는 것을 알게 되었습니다.
만유인력의 법칙 공식
뉴턴은 만유인력의 법칙을 다음과 같은 아름다운 방정식으로 깔끔하게 정리하였습니다.
만유인력은 두 물체의 질량에 비례하고 두 물체 거리에 반비례합니다. 우리가 느끼는 중력은 보통 지구의 질량이 사람을 끌어당기는 것 같은 힘입니다. 중력의 방향은 지구 중심 핵을 향합니다.
밀어내는 힘도 있다?
지구가 지표면에 살고 있는 사람들을 지구 중심 쪽으로 끌어당기고 있다는 점은 의심할 여지가 없습니다. 만유인력의 법칙은 언제 어디서든 작동하는 것이니까요. 하지만 중력을 거스르는 밀어내는 힘 또한 있다는 것 아시나요?
우리는 단 한 번도 땅에 닿아본 적이 없다
사실 우리는 단 한 번도 땅에 닿아본 적이 없습니다. 그게 무슨 뚱딴지 같은 소리인가 싶겠지만 거시적인 현상으로 중력은 사람을 땅바닥에 붙어있게 하지만 원자 단위의 미시적인 세계로 들어가면 지구의 원자(땅, 아스팔트, 콘크리트 등)와 내 발의 원자끼리는 서로 밀어내고 있습니다.
정확히 얘기하자면 우리는 살짝 떠 있다고 볼 수 있겠습니다. 더 정확히 설명하자면 원자의 구조에 대해 이해가 필요합니다.
원자의 구조
원자는 원자핵과 전자로 구분됩니다. 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉘는데 양성자는 +극을 띠고 있고 전자는 -극을 띠고 있습니다. 원자핵을 전자가 돌고 있다는 개념은 1911년 러더퍼드가 만들었습니다. 우리가 흔히 알고 있는 원자의 이미지입니다.
신기한 것은 원자의 대부분은 빈공간입니다. 원자를 공과 같은 구(球)라고 가정했을 때 원자 내부 99.99%는 빈 공간입니다. 원자와 원자핵의 크기 비율은 약 100,000 : 1 이라고 합니다. 만약 원자가 지구만 하다면 원자핵은 고작 130m도 되지 않는 크기입니다. 학교 운동장만하다고 할 수 있겠습니다.
전자는 이보다 훨씬 작습니다. 이 전자 때문에 우리는 다른 존재와 만나지 못하는 것입니다. 전자의 - 전기력이 서로 밀어내기 때문입니다.
우주의 4가지 힘
우주에는 총 4가지 종류의 힘이 있습니다. 물체를 당기는 힘인 '중력'과 전자가 서로 밀어내는 것 같은 '전자기력'이 있습니다. 이 외에 원자 핵과 관련한 '핵력', '강력'까지 총 4가지 힘이 그것입니다.(관련 글 : 우주를 존재하게 만드는 '4가지 힘')
이 중 중력이 가장 약한 힘입니다. 전자기력의 척력은 중력보다 10^42(10의 42승) 배나 큽니다.
땅과 발이 만나지 못하는 이유
아무리 중력이 강력하다 할 지라도 원자에 있는 전자에 의한 척력이 훨씬 크기 때문에 우리의 발 원자가 중력으로 인해 땅 속으로 꺼지지 않는 것입니다.
발의 원자가 땅의 원자가 만날 때 전자의 서로 밀어내는 힘으로 인해 살짝 떠 있는 형국입니다. 그래서 지구는 사람을 만유인력으로 끌어당기고도 있지만 전자기력으로 인해 밀려나고 있기도 한 것입니다.
전자기력 덕분에 중력을 이기고 땅 위에 우뚝 발을 딛고 서 있는 것입니다. 만약 이 전자의 전자기력이 없었다면 우리는 99.99%가 빈 공간이기 때문에 벽을 자유롭게 통과하거나 중력으로 인해 땅 속으로 꺼져 지구핵까지 들어가게 되었을지도 모릅니다.
우주는 이렇게 오묘하게 조화롭게 만들어져 있습니다. 자연은 알아갈수록 놀라운 존재입니다.