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해수의 3.5%는 염분…무게로 환산하면 5조t

약 42억 년 전에 지구에 형성된 것으로 추정되는 바다는 육지와 해저에서 이온들이 지속적으로 공급되어 현재와 같은 염분을 지닌 바닷물을 가지게 되었다. 바닷물은 평균 3.5%의 염분을 가지고 있는데, 이것을 무게로 환산하면 약 5000조㎏(5조t)으로 바닷물이 모두 말라 붙어버린다면 지구는 약 45m 두께의 소금으로 덮이게 될 정도의 엄청난 양이다.해수의 염분은 고대 그리스의 철학자 엠페도클레스(Empedocles, 490-430BC)와 아리스토텔레스(Aristotle, 384-322BC)를 거쳐 로마의 세네카(Lucius Seneca, 3BC-65AD)에 이르기까지 끊임없는 호기심의 대상이었다. 염분비 일정의 법칙 확립해수의 염분에 대한 최초의 과학적 연구는 1674년 영국의 저명한 화학자 보일(Boyle, 1627~1691)에 의해 수행되었는데, 그는 자신의 수행 결과를 《바다의 염분에 대한 관찰과 실험》이라는 책으로 출판하였다. 보일은 영국 해협 표층 해수의 염분 변화에 대한 상당한 데이터를 측정하고 이를 축적하였다. 또한 직접 증발을 통해 남은 고체 성분으로 염분을 추정했지만 결과에 만족하지 못하고, 밀도를 염분의 지표로 사용하기도 하였다. 이후 한 세기 동안 염분에 대한 체계적인 연구가 이루어지지 못하다가 18세기 후반에 들어와서야 라부와지에(Lavoisier, 1743~1794)와 게이-뤼삭(Gay-Lussac, 1778~1850) 등에 의해 다시 증발과 적정법 등의 방법으로 염분 측정이 활발하게 수행되기 시작하였다.염분(salinity)이라는 개념은 1865년 덴마크의 화학자 포츠해머(Forchhammer, 1794~1865)에 의해 최초로 도입되었다. 포츠해머는 해수에 녹아 있는 모든 원소를 정량적으로 측정하려고 시도하지 않고 염소, 황산, 마그네시아, 석회, 칼륨 및 소다와 같은 주요 염류를 정밀하게
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레이저 프린터, 레이저 수술, 레이저 무기 등 널리 쓰이는 레이저…빛을 증폭시켜 얻은 직진성과 높은 에너지를 활용

'레이저'라는 용어를 이제는 일상생활 속에서 자주 접하게 된다. 레이저 포인터, 레이저 프린터, 레이저 마우스 등 간단 생활 도구에서 시작해 계산대에서 사용하는 바코드 스캐너, 안과·피부과 등 의료용으로 사용하는 레이저 치료 도구, 대형 공연장에서 사용하는 현란한 레이저 쇼, 사무실에서 종이류를 절단하는 레이저 커터, 철을 정교하게 자르는 공업용 레이저 절단기, 날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레지날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레이저 무기 등 우리 주변에서 너무나 많은 곳에서 레이저를 사용하고 있다.레이저가 무엇이기에, 어떤 특성을 가지고 있기에 이렇게 다양하게 활용되고 있을까. 레이저 원리는 빛의 유도 방출레이저 원리를 이해하기 위해선 먼저 모든 물질은 특정한 에너지 준위를 갖고 있다는 것을 알아야 한다. 물질은 어느 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동이 가능한데, 두 상태의 에너지 차이만큼 에너지를 외부로부터 흡수하거나 외부로 방출하게 된다. 외부로부터 에너지를 흡수하거나 방출하는 방법 중 하나가 빛이다. 빛은 파동이면서 입자로서 광자(빛 입자라는 뜻)라고 불리는데, 광자 하나는 빛의 진동수에 비례하는 에너지를 갖는다(E=hf). 외부에서 쪼여지는 빛의 에너지가 물질의 에너지 상태 차이와 같으면, 물질은 바닥 상태에서 들뜬 상태로 이동이 일어나며 빛을 흡수하게 된다(그림 1(가)). 반대로 들뜬 상태에 있는 물질은 저절로 바닥 상태로 이동하는 경향이 있는데, 이때 두 상태의 에너지 차이만큼의 빛을 방출하게 된다(그림 1(나)).아주 특별한 경우로 물질이 들뜬 상태에 있을 때 외부의 빛이 물질에 쪼여지면, 물질은 바닥 상태로 이동
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콩팥 덕분에 물 구하기 어려운 육상환경 서식 가능해

우리 몸의 기관 중 중요하지 않은 기관은 하나도 없을 것이다. 심장은 혈액을 분출해 우리 몸 곳곳에 필요한 영양소와 산소를 공급해 주며, 간은 소장을 통해 흡수한 영양소를 화학적으로 처리하는 곳이다. 신장(콩팥)하면 배설기관, 다시 말해 신체의 대사 부산물로 생기는 노폐물을 배출하는 기관으로 잘 알려져 있다. 그런데 이보다 더 중요할지도 모르는 신체의 염분과 수분의 균형을 유지하는 기능을 가지고 있다.신장은 우리 몸의 골반 위 등쪽 좌우에 자리 잡고 있다. 신장은 혈액을 여과하고 이 여과액을 오줌으로 처리해 수뇨관을 통해 방광으로 보낸다. 오줌이 방광에 어느 정도 차면 몸 바깥과 통한 요도를 통해 배출된다. 포유류는 매우 잘 발달한 신장을 가지는데 신장은 무슨 기능을 할까. 신체 세포가 견딜 수 있는 삼투압 범위가 좁아사람이 속한 포유류는 높은 체온을 갖고 있고 활동적이어서 대사율이 매우 높다. 또한, 수중 환경과 비교하면 수분을 얻기 어렵고 밖으로 뺏기기 쉬운 육상 환경에 서식한다. 높은 대사율을 유지하기 위해서는 많은 에너지가 필요하며, 이런 에너지를 얻기 위해 체내에서는 엄청난 가수분해 반응이 일어난다. 가수분해 반응에는 물이 투입돼야 하므로 이때 체내 수분이 급격히 손실된다. 그뿐만 아니라, 이런 대사 과정의 부산물인 노폐물이 빠르게 체내에 축적된다. 포유류의 신장은 이들이 건조한 육상 환경에서 살아가기 위해 부족한 물을 보존하고 노폐물을 배출하는 기능을 가진다.신장의 두 번째 기능인 신체의 염분과 수분의 균형 유지는 왜 필요할까. 신장을 통해 신체 염분과 수분의 균형이 필요한 이유는 신체를 구성하는 세포 대다수가 견딜 수 있는
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계속 측정해 양자의 불안정성을 안정시키는 양자 제논 효과

아리스토텔레스가 쓴 ‘물리학’ 책을 현대 철학자들은 ‘형이하학’이라고 부른다. 이 책에 고대 그리스 철학자 제논이 남긴 역설이 소개돼 있다. 아킬레스는 거북이를 따라잡지 못한다. 아킬레스가 거북이보다 아무리 빨라도 뒤에서 쫓아간다면 아킬레스가 거북이가 있던 위치에 도달했을 때 거북이는 이미 더 나아가 있고, 다시 그 자리에 아킬레스가 오면 거북이는 또 더 나아가 있고 하는 식이어서 아킬레스는 거북이를 영원히 따라잡지 못한다는 것이다.이 역설은 “나는 화살은 날지 않는다”고 소개되기도 한다. 화살은 활과 과녁의 중간 지점을 지나야 하고, 다시 이 지점과 과녁의 중간을, 다시 그 지점과 과녁의 중간을 지나야 하는 식으로 무한히 많은 중간을 지나야 하므로 과녁에 도달할 수 없고, 따라서 화살은 정지해 있다는 것이다.제논의 역설은 고등학교 수학에서 무한급수의 합으로 간단히 해결된다. 반, 반의반, 반의반의반…을 모두 더하면 1이 되므로, 화살은 과녁에 도달한다. 양자물리학에 제논의 역설과 비슷한 표현으로 ‘주전자는 지켜보면 끓지 않는다(Watched pot never boils)’는 양자 제논 효과(Quantum Zeno Effect)가 있다. 재촉한다고 일이 빨리 되지는 않는다는 심리적인 현상을 ‘솥뚜껑을 자주 열어 보면 밥이 익지 않는다’처럼 우리에게 좀 더 익숙하게 표현할 수도 있겠다. 그렇지만 양자 제논 효과는 제논의 역설이 현대 수학으로 부정된 것과 달리 실제 실험으로 확인까지 됐다. ‘측정'의 문제와 관련 있는 게 특징양자 제논 효과는 양자물리학이 고전물리학과 가장 두드러지게 다른 ‘측정’의 문제와 관련이 있다. 고전물리학

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한국인 노벨상 수상자 올해도 배출 못했는데…한 달 꼬박 현미경 들여다 볼 호기심부터 가져야

또 한 번의 노벨상 시즌이 지나갔다. 지난 9월 말 연구실적 통계분석 기관인 클래리베이트가 발표한 '노벨상급' 인용지수를 갖춘 학자 명단에 현택환 서울대 화학생물공학부 교수가 포함돼 일각에서 올해는 혹시나 하는 기대도 있었던 모양이지만 올해도 한국인 노벨상 수상자는 없었다. 이렇게 노벨상 시즌이 지나고 나면 '우리는 언제쯤'이라는 질문이 어김없이 따라붙는다. 누구에게 묻느냐에 따라 이 질문에 대한 답은 '머지않아'부터 '아직 멀었다'까지 천차만별인데, 확실한 건 지금 당장은 아니란 거다.그런데 이런 문답을 접할 때마다 질문 자체가 섣부른 건 아닐까라는 생각이 든다. 물리학을 공부하려는 학생들에게 매년 강의시간에 어니스트 러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 이야기를 해준다. 실험이 갖는 과학사적 중요성에도 불구하고 노벨상이라는 직접적인 보상이 없었다는 사실, 실험 방법의 개념적 단순함에 비해 극도로 지루한 실제 실험 과정이 극명하게 대비되는 훌륭한 예이기 때문이다.알파 입자 산란 실험이란 1900년대 초 원자핵의 존재를 처음으로 확인해 원자 구조를 밝혀낸 실험을 말하는데, 기본적인 실험 방법은 다음과 같다. 종종 언론에 방사선 물질로 등장하는 라돈 가스에서 방출되는 방사선이 알파 입자인데, 이 알파 입자들을 아주 얇은 금박지에 쏴준다. 그러고 금박지에 부딪힌 알파 입자들이 어느 방향으로 얼마나 많이 튕겨 나갔는지를 측정하면 된다. 밥 로스의 말을 빌리자면 “참 쉽죠?” 오늘날에는 많은 대학에서 학부생 혼자 하루 만에 할 수 있는 실험이다. '끈기'로 밝힌 원자 구조당시의 원자 모형에 따르면 금박지에 쏴준
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샤르팡티에·다우드나 교수에게 노벨화학상 안긴 유전자 가위 기술

유전자 가위 기술을 개발한 공로로 스웨덴 우메오대의 에마뉘엘 샤르팡티에 교수와 미국 UC버클리의 제니퍼 다우드나 교수가 2020년 노벨 화학상을 받았다. 유전자 가위 기술은 세균이 바이러스를 물리치기 위한 생물학적 과정을 이용하여 특정 유전자의 발현을 억제하거나 유전자 서열을 바꾸는 데 이용 가능하며, 더 나아가 치료할 수 없다고 알려진 사람의 유전질환에 대한 치료의 가능성을 열었다.인류는 생물이 가지고 있는 유전적 특성을 우리에게 유용한 방향으로 이용해왔다. 가장 오래된 방식이 품종 개량이라고 하는 방법이다. 예를 들어 우리의 주식인 쌀은 야생 벼 품종으로부터 품종 개량을 거쳐 좀 더 맛이 좋고 알곡이 많이 열리도록 개량되었다. 벼와 같은 곡류 외에도 야채, 과일과 가축 등도 오랜 품종 개량을 거쳐왔다. 생명과학은 지난 세기 동안 DNA의 구조 발견, 핵산의 염기서열 결정, 단백질의 아미노산 서열 결정, 유전자 발현 과정의 규명 등 비약적인 발전을 거듭해 왔다. 이 과정에서 얻은 생명과학 지식은 인류가 직접 생물의 유전자를 조작하여 이용할 수 있게 해주었다. 유전자 재조합 기술을 비롯해 많은 방법이 개발되었지만, 그중 매우 간단하고 빠르게 유전자 서열을 편집하는 방법이 유전자 가위 기술이다. RNA와 CAS9 단백질 복합체로 DNA 유전자 편집유전자 가위 기술은 세균이 바이러스로부터 자신을 지키는 방법을 활용한 것이다. 세균은 자신이 과거 감염된 바이러스의 핵산 서열을 저장해 놓았다가 똑같은 서열을 가진 바이러스가 들어오면 그 바이러스의 핵산을 잘라내 바이러스를 물리친다. 유전자 가위 기술을 ‘CRISPR 가위’ 기술이라고도 하는데 이 단어는 세
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블랙홀 운명 밝혀 노벨물리학상 수상한 펜로즈, 우주 시공간의 전체 기하학적 구조에서 파악

2020년 노벨물리학상 수상자인 로저 펜로즈는 정신과 의사인 아버지와 함께 '펜로즈의 삼각형'<그림1>으로 알려진 비현실적인 도형을 디자인했다. 이 도형들은 상대론을 그림에 담고자 했던 화가 에셔(Escher)와의 교감을 통해 발전해갔다. 펜로즈의 삼각형과 에셔의 판화 '폭포(Waterfall)'<그림2>는 부분을 보면 현실적으로 가능하지만 전체를 보면 구현이 불가능하다. 펜로즈는 이런 불가능한 도형의 기하학적 연구를 확대해 블랙 홀 형성이 우리 우주에서 피할 수 없는 운명임을 밝혔다. 아인슈타인도 부정한 블랙홀의 존재아인슈타인의 일반상대론이 1915년 발표된 직후, 1916년 슈바르츠실트는 ‘구대칭 구조의 블랙홀 해(解)’를 발견했다. 이 해에 의하면 빛도 빠져 나오지 못하는 영역인 사건의 지평선이 존재한다. 그런데 블랙홀 해는 사건의 지평선과 중심에서 무한대로 발산하는 성질을 가지고 있어서 논란의 대상이 됐다. 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 부정했고 계산을 통해 블랙홀이 현실적으로 불가능함을 보였다. 상대론으로 우주 시공간의 인식을 바꾼 아인슈타인이지만, 양자역학에 이어 블랙홀의 존재까지 부정한 것이다.그런데, 아인슈타인의 계산은 몇 가지 잘못된 가정에서 출발했다. 별이 블랙홀로 수축하지 않고, 유한한 밀도를 가진 평형 상태에서 멈출 것이라고 가정한 것이다. 슈바르츠실트 해에 의하면 태양이 반경 3㎞ 이내로 압축되면 블랙홀이 되고, 지구가 반경 9㎜ 이내로 압축되면 블랙홀이 되는데, 당시 상식으로는 상상할 수 없는 현상이었기 때문이다. 압축되기 전에 다른 안정된 상태에서 멈추는 것이 훨씬 자연스러워 보였을 것이다. 펜로즈,
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측정값 어떻게 정의하는지 봐야 과학적 데이터로 신뢰 가능

이제는 '과학적 데이터'가 더 이상 과학자 사이에서만 소통되는 수치가 아니다. TV 건강 프로그램에서 식품 속의 영양 성분 양을 과학적 수치로 제시하거나, 뉴스에서 각종 경제 지표를 수치나 그래프로 제시하는 것을 일상에서 접하고 있다. 이렇게 과학적 수치 또는 데이터를 언급하면서 이를 근거로 주장하면 시청자나 독자는 근거가 있다고 생각하므로 주장의 신뢰성을 높이는 데 효과적이다.그런데 가끔 동일한 현상을 놓고 서로 반대되는 주장을 지지하는 ‘과학적 데이터’가 등장하고, 우리는 주장하는 사람의 논리에 이러저리 이끌려다니고 있음을 뒤늦게 느낄 때가 있다. 왜 이런 상황을 겪고 있으며, 어떻게 우리 스스로 중심을 잡고 ‘과학적 데이터’를 이해할 수 있을까? 어떻게 정의됐는지 알아야자연과학적 대상이든 사회과학적 대상이든 무엇인가를 측정할 때는 그 측정값에 이름을 정해주고, 그 의미를 수학적으로 정확하게 정의한다. 일반적으로 그 정의는 수치로 표현할 수 있다. 그런데, 이 측정값이 방송이나 신문과 같이 대중적인 글에 인용될 때 그 정의와 표현 방법까지 엄격하게 제시되지는 않을 때가 많다.예를 들어 살펴보자. 삼투압이라는 용어는 과학적으로 정의된 전문적인 개념이지만, 일상생활에서 편하게 통용되는 용어이기도 하다. 삼투압은 물은 잘 통과하지만 물속의 다른 물질은 잘 통과하지 않는 반투과성 막을 경계로 물이 한쪽으로 이동하는 현상의 결과로 나타나는 수압을 나타낸다. 삼투압의 정의를 <그림>으로 나타내면 다음과 같다. ‘시작 단계’는 왼쪽에 순수한 물이 있고 오른쪽에는 포도당 수용액(농도: Cο)이 있고 두

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