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by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:09 PM
Anyone in the world

어른들의 술안주로 또는 아이들의 영양간식으로 많은 사람들이 좋아하는 견과류, 마트에 가면 여러 종류의 견과류들을 함께 섞어서 파는 Mixed-Nuts를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 이런 믹스 너트를 구입해서 열어보면 항상 덩치가 큰 피칸이나 브라질 너트 등이 위에 있고, 상대적으로 크기가 작은 땅콩등은 아래쪽에 깔려 있는 것이 우연이 아니라는 것 알고 계셨나요?

이는 고체 알갱이들의 특이한 운동법칙에 의한 것인데, 믹스 너트에서 가장 크기가  큰 브라질 너트가 제일 위쪽에 위치하게 되는 것에 착안하여 브라질 너트 효과(Brazil Nuts Effect)라고 불립니다. 여러가지 크기의 고체 알갱이들을 하나의 통 안에 넣고서 충분한 시간동안 흔들어 주면, 시간이 지남에 따라 작은 알갱이들은 아래쪽으로 내려가고, 큰 입자들은 위쪽으로 올라오게 되는 현상을 볼 수 있습니다.  이것은 그냥 흥미로운 현상으로 끝나는 것이 아니라 사실 믹스 너트 제품을 생산하는 회사나 특히 제약회사 등에서는 오랜 기간동안 골칫거리로서 연구대상이 되어오고 있는 현상입니다. 제조과정에서 고르게 잘 섞어 놓은 분말 형태의 약이나 제품들이 유통과정을 거치면서 자연스럽게 흔들리게 되고, 그 동안 이 브라질 너트 효과에 의해 분말의 크기에 따라 층이 나뉘어져 버리기 때문입니다. 이 때문에 분말가루가 골고루 섞여야만 하는 약품과 같은 경우에는 유통과정의 마지막 단계에서 제품을 다시 섞어주는 공정을 거쳐야 하는 번거로움도 생기게 됩니다. 

이러한 고체 입자들의 운동에 대해서 연구하는 분야를 입자 동역학(Granular Dynamics)라고 하는데, 액체나 기체 상태의 입자운동에 비해서 많이 알려져 있지 않은 분야로 현재도 매우 활발히 연구가 진행되고 있는 분야입니다. 앞서 말씀드린 브라질 너트 효과 역시 그 현상은 알려져 있으나 정확한 원인에 대해서는 아직도 연구중에 있습니다. 사실 십여년 전까지만 하더라도 이 효과의 원인은 명확히 알려졌다고 생각했습니다. 즉, 우리가 곡물을 채를 치면 채망의 크기보다 작은 알갱이들만 채의 아래쪽으로 빠져 나가듯이 크기가 큰 알갱이들의 사이사이가 채망의 구멍과 같은 역할을 하고, 그 사이로 작은 입자들이 빠져 내려가기 때문에 이루어지는 현상이라고 생각되었습니다. 

그런데, 미국 Rutgers University의Troy Shinbrot교수가 실험을 하던 중, 소금입자들로 채워진 용기에 금속과 플라스틱으로 만들어진 볼트와 너트를 넣고 용기를 흔들어 본 결과, 금속으로 만들어진 물체들은 브라질 너트 효과에서 설명한 대로 위쪽으로 올라온 반면, 플라스틱으로 만들어진 물체들은 오히려 아래쪽으로 가라앉는 다는 것을 알게 되었습니다. 이 실험 결과는 고체 입자들의 움직임이 채반을 통과하는 효과라는 것만으로는 설명이 불가능 하다는 것을 알려준 것입니다. 이 실험 이후, 트로이 교수 연구팀은 생김새는 정확히 일치하지만 밀도가 다른 물체들을 준비해서 동일한 실험을 진행하였고, 그로부터 물체의 밀도가 높은, 즉 무거운 물체는 위쪽으로 올라오지만, 상대적으로 밀도가 낮은, 즉 가벼운, 물체는 아래쪽으로 가라앉는다는 예상을 뒤엎는 결과를 얻었습니다.

뿐만 아니라, 물체의 생김새와 입자의 진동방향 역시 이러한 운동에 영향을 줄 수 있다는 최근 논문도 발표하였는데, 그 논문에 따르면, 소금 입자들이 채워진 용기에 볼트와 고정핀을 넣고서 실험을 했을 때, 용기를 위아래로 흔드는 경우 볼트는 위로 올라오고 고정핀은 아래로 내려간 반면, 용기를 좌우로 흔들었을 경우에는 고정핀은 위로 올라오고 볼트는 아래로 가라앉는 것을 확인할 수 있었습니다. 이러한 입자들의 운동의 근본적 원인에 대해서는 아직도 정확히 밝혀진 바가 없고 연구중인데, 이러한 연구가 힘들고 밝혀내기 어려운 이유는 육안으로 보기에는 비슷한 작은 알갱이들 같지만, 현미경으로 들여다 보면 각각의 알갱이들의 생김새가 모두 다르고, 그에 따라 외부 운동에 대한 영향도 각기 다르게 전달되기 때문에 운동에 요인이 되는 물리적 값들과 변수들이 너무나 다양하기 때문입니다. 

“Who, then, can calculate the course of a molecule? How do we know that the creation of worlds is not determined by the fall of grains of sand?”

“과연 누가 분자 알갱이 하나의 움직임을 계산해 낼 수 있을 것이며, 과연 우리는 이 우주의 탄생이 흘러내리는 모래 알갱이의 움직임에 의해 결정되는 것이 아니라고 확신할 수 있다는 말인가?”

이는 빅토르 위고의 유명한 작품 “레 미제라블”에 나오는 대사입니다. 물론 빅토르 위고는 이 세상의 하찮아 보이는 작은 모래 알갱이의 움직임 하나하나에도 이 세상이 돌아가는 질서의 신비함이 깃들어 있다는 말을 문학적으로 표현한 것입니다.  흥미롭게도 그가 레 미제라블을 집필한지 100년이 지난 현재, 과학자들은 끝내 모래알들이 흘러내리는 패턴에 실제로 매우 정교한 과학이 숨어있다는 것을 밝혀 냈고 이러한 입자 동역학들이 이 세상에 존재하는 물질들과 그 질서에 실제로 무관하지 않다는 것을 많은 부분 밝혀내게 되었습니다. 우리가 무심코 떠올린 당연해보이는 현상에 대한 새삼스러운 질문들에 과학적으로 어떤 굉장한 질서와 법칙이 숨어 있을지도 모른다는 기대감으로 오늘도 과학자들은 연구에 연구를 거듭하고 있는지도 모릅니다. 


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    by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:09 PM
    Anyone in the world

    모든 가정의 집안에 빠짐없이 하나 이상 있는 것 중에 하나가 바로 천장에 붙어 있는 연기 감지기(smoke detector)입니다. 한국 사람들이 좋아하는 삼겹살구이 등을 하면 연기가 올라와 경보가 울려 자꾸만 시끄럽게 한다고 어떤 집들은 감지기를 비닐주머니로 꽁꽁 싸놓기도 하고, 또 심지어 아예 떼어 놓기도 하는데, 물론 이는 안전을 위해 올바른 방법들은 아닐 것입니다. 그런데 이러한 연기 감지기 내에 소량이지만 방사능 물질이 들어있다는 사실, 혹시 알고 계셨나요? 

    일반적으로 가정에서 사용되는 연기 감지기(smoke detector)는 광학식(optical smoke detector)와 이온화식(ionization smoke detector), 두 종류가 사용이 됩니다. 전기회로의 한부분에 광학신호를 주고받는 부분을 설치하고 그 사이에 일정량 이상의 연기가 들어오게 되면, 빛이 연기 입자들에 의해 산란되면서 검출기에 도착하는 빛의 세기가 줄어들게 됩니다. 이 빛의 세기를 지속적으로 측정하고 있다가 일정값 이하로 빛의 세기가 떨어지면 화재가 난것으로 간주하여 경보가 발생하는 원리를 사용하는 것이 광학식 감지기입니다. 하지만, 보통 광학식보다 제조 단가가 더 적게 드는 이온화 방식의 감지기가 더 널리 사용되는데, 이 이온화 방식의 연기 감지기에 바로 방사성 동위원소 아메리슘-241(americium-241)이 들어있습니다.

    방사선은 알파입자선(alpha-particle, helium nucleus), 베타입자선( beta-particle, electron), 그리고 감마선(gamma-ray, electromagnetic radiation)으로 나뉩니다. 알파입자선과 베타입자선은 실제 작은 입자가 방출되는 것이고, 감마선은 에너지가 방출되는 것입니다. 현대에 들어 알파입자는 헬륨의 핵을 말하는 것이고, 베타입자란 전자를 이야기하는 것, 그리고 감마선이란 전자기선을 의미하는 것이라는 것을 알고 있지만, 방사선이 처음 연구되던 때에는 이러한 방사선의 방출현상만을 알았을 뿐, 그것이 실제 어떠한 원리에 의해 방출되는 것인지를 제대로 알지 못했기 때문에 x-선과 마찬가지로 알파, 베타, 감마라는 식으로 이름을 붙이게 된것입니다. 

    아메리슘-241은 알파입자선을 방출하는 방사성 동위원소로서 반감기, 즉 방사성 세기가 반으로 줄어드는데 드는 시간이 약 432년정도입니다. 알파입자는 헬륨의 원자핵에 해당하는 입자로서 양의 전하를 띄기 때문에 전기 회로에 연결되는 경우 알파입자의 흐름을 이용해 전기의 흐름을 이어줄 수 있는 성격이 있으면서, 또한 그 입자의 크기가 상대적으로 커서 공간에 다른 입자들이 생기면, 당구공이 다른 공에 의해 튕겨져 진행방향을 바꾸듯이, 충돌에 의해 다른 방향으로 휘어져 나갈 수도 있는 성질을 갖고 있습니다. 연기 감지기는 이러한 알파입자의 성질을 이용해서 입자가 들어있는 작은 챔버를 전기 회로의 한부분에 연결하고 가까이에 위치한 다른쪽 전극으로 들어오는 알파입자의 양을 계속 모니터링을 합니다. 이 때 연기입자가 두 전극사이에 들어오게 되면, 알파입자가 연기입자에 의해 튕겨져 원래 전극으로 들어오는 양이 줄어들게 되고, 일정량이상의 알파입자 흐름의 감소가 감지되면 경보를 울리게 하는 것이 이온화 연기 감지기의 작동 원리입니다. 경보가 울릴 때, 재빨리 감지기 주변에 부채질을 해서 연기가 없어지게 하면 경보를 멈출수 있는데, 이것이 바로 회로내부에 들어온 연기를 없어지게 해서 알파입자의 흐름을 정상화시킬 수 있기 때문에 가능한 것입니다.

    알파입자 자체는 인체에 매우 심각한 해를 가져올 수 있는 위험한 방사선이긴 하지만, 연기 감지기에 사용되는 아메리슘-241은 방출되는 방사선의 세기가 약 33.3 킬로 베퀘렐(kBq)로 극소량에 해당할 뿐만 아니라, 그 입자의 크기가 커서 일반적인 종이 한장 정도에도 막혀 진행을 할 수 없는 성질이 있습니다. 때문에 금속 챔버 안에 들어있는 아메리슘-241 방사선 소스는 절대 밖으로 노출될 수 없어 가정마다 천장에 달려있다 하더라도 전혀 해롭지 않습니다. 또한 그 방사능 세기 자체가 워낙에 극소량에 해당하기 때문에 캐나다에서는 일반 쓰레기와 함께 폐기를 한다고 해도 괜찮다고 명시하고 있지만, 유럽의 몇몇 나라에서는 법적으로 연기 감지기는 지정된 프로토콜에 따라서만 폐기할 수 있게 하는 곳도 있다고 합니다.

    캐나다에서도 공사업체 등에서 한꺼번에 대량의 연기 감지기들을 폐기해야 한다거나, 매우 드문 경우이기는 하지만, 감지기 내부에 들어있는 방사선 소스가 라듐(radium)인 경우에는 개인적으로 폐기하지 말고 캐나다 핵 안전 위원회(Canada Nuclear Safety Commission, CNSC)에 연락하여 폐기 규정에 따라야 합니다. 이는 극히 드문 경우이기 때문에 일반적인 가정에서 사용하시는 감지기를 내부공사등에 의해 폐기해야 하는 경우는 걱정없이 일반 쓰레기와 함께 버리시면 됩니다. 

    항상 경계의 대상, 해로움의 대상으로만 여겨지는 방사성 물질이 실제 우리의 가정에 함께 하고 있고, 실생활에 사용되고 있다는 사실이 놀랍지 않으신가요? 사실 연기 감지기는 하나의 예에 해당할 뿐, 이 외에도 많은 곳에서 방사선은 우리들의 삶의 편리를 위해 사용되고 있습니다. 아무리 위험한 물질이라도 그에 대해 잘 알고, 다룰 수만 있다면 우리의 삶을 편리하게 하는데 사용할 수 있게 하는 것, 이것이 바로 과학의 힘이 아닐까 생각해 봅니다.


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      by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:08 PM
      Anyone in the world

      무선으로 전화를 하고, 인터넷을 통해 이메일을 체크하고, 스마트 폰으로 영화를 볼 수 있는 것들이 전혀 신기할 것이 없는 세상에 살고 있습니다. 밴쿠버에 살면서 와이파이(Wi-Fi)로, 혹은 LTE로 한국 뉴스를 찾아보기도 하고, 재미있는 드라마나 예능 프로그램을 인터넷을 통해 보며 즐거워 하기도 합니다. 이렇듯 너무나 많은 것들이 무선으로 가능해 지면서 보통 구세대 기술이라 생각하는 유선기술에 대한 중요성이 사람들 사이에서 점점 희미해져 가고 있는 것이 사실입니다. 사실, 와이파이를 통해 무선 인터넷을 사용하기 위해서는 인터넷 서비스를 제공하는 회사로부터 받은 모뎀(modem)과 라우터(router) 등이 유선으로 연결되어 있어야 하고, 아무런 연결이 없는 외부에서 스마트폰을 이용해서 무선 인터넷을 사용하는 것도 무선 신호를 연결시켜주는 기지국에 유선으로 정보망이 구축되어 있어야 합니다. 이렇듯 정보 통신망의 제일 끝자락이 무선화되어 발달되어 가고 있지만, 아직까지는 통신망의 중심을 이루고 있는 것은 유선으로 연결되어 있습니다. 

      우리가 매일같이 스마트폰이나 컴퓨터 등에서 손쉽게 찾아볼 수 있는 한국 소식들도 가만히 생각해 보면 대부분이 한국에 있는 어느 서버(server)에 저장된 내용들입니다 즉, 우리가 이러한 것들을 보고, 웃고, 즐기는 매 순간 한국으로부터 그 정보들을 받아보고 있다는 것인데요, 그럼 이런 데이터들은 어떻게 먼 바다 건너 태평양의 끝에서 끝으로 전달될 수 있을까요? 그 많은 데이터들이 모두 인공위성을 통해 송수신되는 것일까요? 아마도 그렇다면 인터넷 이용료는 지금보다 비교할 수 없을 비쌀 것이고, 어쩌면 인터넷은 중요한 군사적 목적이나, 매우 중요한 국가적 사안에 대해서만 사용이 가능할지도 모릅니다. 하지만 지금처럼 누구나 손쉽게 방대한 데이터들을 주고 받을 수 있는 것이 가능한 이유는 바로 대륙과 대륙사이를 이어주고 있는 해저 광케이블(submarine communication cable)이 있기 때문입니다. 

      해저 통신 케이블은 1851년 최초 영국이 도버해협을 가로 지르는 해저케이블을 부설한 것을 시작으로, 현재까지 수 많은 해저 케이블들이 대륙과 대륙 사이를 연결하고 있으며, 현재 남극 대륙을 제외한 모든 대륙은 이러한 케이블들로 모두 연결되어 있습니다. 예전에는 동축 케이블을 이용하기도 했지만, 광섬유(optical fiber)를 이용한 광케이블에 비해, 전송 신호 감쇠가 너무 커서 약 40km마다 신호 증폭을 위한 중계기를 설치해야 하기 때문에, 태평양과 같은 먼 바다를 가로지르기에는 여러가지 제약이 많습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 해저 통신 케이블들은 모두 광케이블로 만들어져 있습니다.  광케이블은 매우 미세한 유리관으로 구성되어 빛의 전반사현상을 이용하여 정보를 전달하는 케이블입니다. 빛은 보통 유리판의 표면을 만나면 반사와 굴절을 동시에 일으키게 되는데 경계면으로 들어오는 빛이 일정 각도(critical angle)보다 크게 입사되면 굴절되는 빛은 사라지고, 들어온 모든 빛이 반사되어 나가게 됩니다. 이 현상을 전반사(total internal reflection)이라고 하는데 빛이 전반사를 일으키면, 모든 빛이 반사되어 나가기 때문에 이론적으로 잃어버리는 에너지가 전혀 없기 때문에, 정보를 손실없이 전달할 수 있게 됩니다. 광케이블은 이러한 전반사현상을 이용해서 빛으로 전환된 전기적 신호를 최소의 감쇠율로 정보를 전달할 수 있기 때문에 장거리 정보 송신에 있어 최적의 케이블이라 할 수 있는 것입니다.

      태평양과 대서양과 같은 대양을 가로지르는 광케이블들은 수심이 천미터(1000m) 이내인 대륙 근처에서는 해저로봇을 이용하여 해저 바닥을 2-3미터정도 파낸 후 매설하고, 수심이 천미터 이상인 깊은 바다에서는 쉽게 말해 전신주 위에 전선들처럼 늘어져 있게 내려놓습니다. 실제 케이블을 부설할 때에는 배가 상당한 무게의 케이블의 하중을 견딜 수 없기 때문에 대부분 부력이 큰 부이(buoy)를 케이블에 연결해 놓고 작업을 하고, 케이블을 노선에 맞게 늘어 놓는 일정 구간 작업이 끝나면 동시에 부이 연결 부분을 끊어서 해저에 떨어뜨리는 방법을 쓴다고 합니다. 

      이렇게 부설된 케이블들은 그 유지와 보수도 쉽지 않은데, 해안가에 가까운 곳에 설치된 광케이블은 어선들의 어망에 의해 손상을 입는 경우가 비일비재하고 그 밖에 해저지진등의 자연재해, 혹은  상어나 고래 같은 대형 수중 동물의 공격에 의해서도 케이블이 손상될 수 있기 때문입니다. 실제로 지난 후쿠시마 쓰나미 사건 때, 그리고 2007년 대만 지진 때에도 해저 광케이블에 손상이 생겨  북미대륙과 아시아간의 통신률에 이상이 생기기도 했었습니다. 

      매일 아무렇지도 않게 스마트폰만 열면 알 수 있는 바다 건너 한국의 이야기들, 전 세계의 크고 작은 소식들이 모두 수많은 기지국을 통한 무선 신호, 기지국과 기지국을 연결하는 유선 신호, 그리고 대륙과 대륙을 연결하는 바다속 깊은 곳의 해저광케이블을 통해 전달되는 전기적 신호들의 조합으로 이루어진 것이며, 그 먼 거리를 통해 실시간으로 영상통화 등을 할 수 있다는 사실에, 과학의 힘과 그를 이용하는 인간의 무한한 능력에 새삼 놀라게 됩니다. 


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        by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:08 PM
        Anyone in the world

        약 46억년 전, 드넓은 우주의 한 공간에 퍼져있는 가스와 먼지들 사이에 심상치 않은 기운이 감돌기 시작합니다. 회전 목마가 돌아가듯이 한방향으로 회전하고 있는 이 가스와 먼지들의 거대한 덩어리를 성운(Nebula)이라고 하는데, 주변에서 발생한 초신성폭발(Supernova)에서 만들어진 충격파의 영향으로 이 거대한 성운의 중심부에 다른 부분보다 밀도가 높은 가스와 먼지의 ‘덩어리’가 만들어지기 시작한 것입니다. 이 ‘덩어리’의 중력은 계속해서 주변의 물질들을 끌어들이게 되고, 회전하는 물체가 중심축에 가까이 다가갈 수록 그 회전속력이 빨라진다는 각운동량의 보존 법칙에 따라 중심부로 끌려들어가는 물질들은 점점 더 빠르게 회전하기 시작합니다. 이렇게 속력이 빨라지면서 주변의 물질들과 더 많은 충돌을 만들게 되고, 이런 충돌에 의해 발생되는 에너지가 점점 이 중심부의 ‘덩어리’를 뜨겁게 만들게 됩니다. 솜사탕을 만드는 통에 설탕가루들이 빠르게 회전하고 있을 때, 솜사탕 장수 아저씨가 휘젓는 나무젓가락을 중심으로 설탕가루들이 모여들어 커다란 솜사탕이 만들어지는 듯한 일이 그 오랜 옛날 우주 공간에서 일어나면서 흡사 솜사탕과 같은 커다란 가스와 먼지의 ‘덩어리’를 만들어 낸 것입니다. 이 덩어리가 바로 우리 태양계의 중심인 ‘태양’입니다. ‘태양’은 스스로 빛을 낼 수 있는 항성으로서, 지구로부터 가장 가까운 ‘별’이 바로 다름아닌 태양입니다.

        이렇게 커다란 가스 덩어리의 중심부분은 자신들의 중력에 의해 서로 뭉쳐 태양이 됐지만, 중력의 영향력이 크지 않은 주변부에 위치해서 중심까지 끌려가지 못한 가스와 먼지들은 자신들의 궤도를 회전하면서, 주변의 덩어리들과 서로 뭉쳐 태양을 중심으로 돌아가는 또 다른 ‘덩어리’들을 만들어 냈습니다. 이들이 바로 목성(Jupiter), 토성(Saturn), 천왕성(Uranus), 그리고 해왕성(Neptune)과 같은 바깥쪽에 위치한 행성(Outer planets, Gas giants)들입니다.

        한편 중심부의 중력에 의해 끌려 들어오기는 했지만, 무수한 충돌 속에서 중심의 태양에 뭉치지 못하고, 그 주변부를 회전하는 수많은 미행성(planetesimals)들이 만들어지기도 했습니다. 이러한 미행성들이 비슷한 궤도를 회전하며, 서로 충돌하여 깨지기도 하고, 서로 뭉치기를 반복하였고, 그 결과 네개의 단단한 암석 덩어리가 만들어진 것이 지금의 수성(Mercury), 금성(Venus), 지구(Earth), 그리고 화성(Mars)으로 태양에 가깝게 위치한 네 개의 행성(Inner planets, Terrestrial planets)에 해당합니다. 

        이렇게 생성의 원리 자체가 다르기 때문에 동일하게 태양 주변을 회전하는 행성들임에도 불구하고, 그 특징이 크게 두 그룹으로 나뉘게 됩니다. 앞서 이용한 솜사탕을 이용해 쉽게 비유해 보자면, 나무젓가락을 중심으로 거대한 솜사탕이 만들어지는 동안, 안쪽으로 끌려 오지 못한 설탕가루들에 의해 통의 가장자리부분에 작은 솜사탕 덩어리 몇개가 만들어지고, 동시에 가운에 솜사탕에 뭉쳤던 설탕가루들 중 부스러기 몇개가 떨어져 나온 것이라고 볼 수 있습니다. 당연히 중심의 솜사탕보다는 작더라도 가장자리에 만들어진 덩어리들도 나름 크기가 어느정도 있다고 볼 수 있는 반면, 떨어져 나온 부스러기들은 솜사탕이라고 부를 수도 없을 만큼 작을 것입니다. 지구의 반지름을 1이라고 본다면, 수성, 금성, 그리고 화성은 모두 비슷하거나 지구보다 작지만, 목성은 약 10, 토성은 약 9 정도의 반지름을 갖고 있으며, 태양의 반지름은 무려 110배정도에 가깝습니다. 크기뿐만 아니라 태양으로부터의 거리도 확연한 차이를 갖고 있습니다. 지구에서 태양까지의 거리를 1 cm라고 보면, 물론 수성과 금성은 그보다도 더 태양에 가깝에 있고, 화성의 위치도 1.5 cm정도로 크게 차이가 나지 않는 반면, 목성의 위치는 약 5 cm, 토성의 위치는 약 9.5cm  정도, 그리고 제일 먼 곳에 위치한 해왕성은 무려 30 cm 떨어진 곳에 있다고 볼 수 있습니다. 즉, 화성까지는 태양근처에 다닥다닥 붙어 있고, 그 바깥쪽의 행성들을 멀찌 감치 떨어져 있는 형태인 것입니다. 

        태양계는 이렇게 태양과 8개의 행성을 그 주인공으로 갖고 있지만, 이들만이 있는 것은 아닙니다. 지구와 비슷한 형태의 행성중 제일 멀리 있는 화성과 바깥쪽에 형성되는 행성들 중 제일 가까이 위치한 목성의 사이에는 엄청나게 많은 작은 돌덩이리들이 모여 띠를 형성하고 있는 곳이 있는데, 이곳을 소행성대(asteroid belt)라고 합니다. 태양의 중력에 끌려오기에는 애매하게 먼 거리이면서 동시에 바깥쪽에 뭉치는 덩어리에 끌려가기에도 애매한 거리에 위치해서, 안쪽으로도 바깥쪽으로도 끌려가지 못하고 남아있는 소행성(asteroid)들이 그 지역에 많이 남아있기 때문에 형성된 지역입니다. 해왕성의 바깥쪽에도 매우 넓은 지역이 이렇게 뭉치지 못한, 상대적으로 작은 덩어리들이 분포하고 있으며, 쿠이퍼대(Kuiper belt), 산란분포대(Scattered disc)라고 구분됩니다. 이 지역에 있는 비교적 큰 질량의 명왕성(Pluto)는 1930년에 처음 발견되어 최근까지 태양계의 9번째 행성으로 분류되었지만, 이후 그 궤도가 행성으로 보기에 부적합하고(공전 궤도의 찌그러짐이 심해서 해왕성보다 안쪽으로 들어올 때도 있습니다), 그 질량이 에리스(Eris)라는 왜행성보다도 작다는 것이 관측되면서 2006년 국제천문협회 총회에서 행성의 지위를 잃었습니다. 명왕성, 에리스를 포함하여 세레스(Ceres), 하우메아(Haumea), 마케마케(Makemake)라는 다섯개의 왜행성이 이 지역에 위치하고 있으며, 대부분 물, 암모니아, 메탄 등이 얼어있는 얼음으로 이루어져 있습니다. 그리고 태양계의 가장 바깥쪽에는 낮은 밀도로 넓은 지역에 작은 소행성들이 분포하고 있는 지역이 있는데, 이곳을 오르트구름(Oort cloud)라고 합니다. 태양을 중심으로 공전하는 혜성(comet)들이 바로 이곳에서 만들어진 것으로 알려져 있습니다. 

        물론 설명드린 태양계의 형성과정은 다시 재현해 볼 수 있는 것이 아니기 때문에, 빅뱅이론(Big Bang Theory)과 같이 이론일 뿐, 검증된 법칙이라 할 수 없습니다. 그렇기 때문에 이 외에도 많은 이론들이 태양계의 형성과정이라고 주장되고 있지만, 설명드린 것이 현재 과학계에서 가장 가능성이 높은 것으로 인정받고 있는 이론입니다. 이 이론의 가장 기초가 되는 내용인 성운설(nebular hypothesis)은 1734년 엠마누엘 스베덴보리(Emauel Swedenborg, 1688-1772)에 의해 처음 제창되었고, 철학자로 유명한 이마누엘 칸트(Immanuel Kant, 1724-1804)가 1755년에 보충, 확장하여 발표한 이론입니다. 이와는 독립적으로 프랑스의 과학자 피에르시몽 라플라스(Pierre-Simon Laplace, 1749-1827)에 의해 비슷한 이론이 발표되었고, 이 후 천문학적으로 관측된 사실들을 바탕으로 보완, 보충하여 지금의 이론에 이르게 된 것입니다.

        평온해 보이는 저 밤하늘은 사실 그 옛날부터 지금까지도 전쟁터를 방불케 하는 혼돈의 세상이며, 매 순간 새로운 별이 만들어지기도, 생명을 다한 별이 폭발하여 다시 먼지로 퍼져나가기도, 또 행성들이 부딫혀 깨지기도 하며 쉼없이 변화해 가고 있습니다. 또한 그 넓이가 인간이 가늠할 수 없을 정도로 넓어서 전체 우주를 캔버스위에 그린다면 태양계, 아니 태양계가 속한 우리은하(Milky way galaxy)마저도 작은 점으로 조차 그려지지 못할 정도로 작습니다. 적어도 우리가 아는 한 가장 높은 지능을 소유하고 있다고 자부하는 인간이지만, 과학이라는 도구를 이용하여 자연의 원리를 알아보려 노력을 하면 할 수록, 그 거대함과 한없음에 그저 겸손해 질 수 밖에 없는 작은 존재임을 깨닫게 되는 것 같습니다.


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          by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:07 PM
          Anyone in the world

          우리가 살고 있는 지구에는 다른 행성에서는 흔히 발견되지 않는 옥시데인(oxidane)이라는 매우 특이한 화합물이 있습니다. 옥시데인이라는 이름은 화합물의 학술적 이름을 결정하는 국제 순정응용 화학연합(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)에서 결정된 공식 명칭이며, 분자식을 이용한 명명법으로는 일산화수소수(dihydrogen monoxide)라고도 불리는 물질입니다.

           옥시데인은 무색, 무취의 특성을 갖기 때문에 공기 중에 퍼져있어도 실제로 그 존재를 느끼기가 쉽지는 않고, 현재 지구 대부분의 지역에서는 액체상태로 존재를 합니다. 이 물질은 잘못 사용하거나 과다섭취를 하는 경우 생명을 위협할 정도로 심각한 문제를 일으킬 수도 있습니다. 기체 또는 고체 상태의 옥시데인에 피부가 노출되는 경우, 피부에 심각한 손상을 일으킬 수도 있고, 액체 상태의 옥시데인이 호흡기에 들어가는 경우, 적은 양으로도 폐기능에 문제를 일으킬 수도 있습니다. 생명체 뿐만 아니라, 금속이 옥시데인에 오랜 시간 노출되는 경우, 금속 특유의 성질을 잃어버리고 산화, 즉 녹이 슬어버릴 수도 있습니다. 또한 공기 중에 포함되어 있는 옥시데인은 이산화질소(nitrogen dioxide), 이산화 탄소(carbon dioxide) 등과 반응하여 산성비를 만들어내는 주범이기도 합니다.

           물론 옥시데인은 위험하기만 한 물질은 아닙니다. 이 물질은 생명체가 존재하기 위해 매우 중요한 물질 중에 하나로서, 다른 행성과 달리 지구에 생명체가 있을 수 있는 이유와도 밀접한 관계가 있습니다. 또한 옥시데인을 화학적으로 분리하면 에너지 원으로 사용할 수 있는 물질이 만들어지기 때문에, 차세대 에너지원으로도 현재 활발히 연구되고 있는 물질이기도 합니다. 또한 이 옥시데인은 다른 일반적인 액체들과 달리 매우 특이하게 고체 상태의 밀도가 액체상태의 밀도보다 더 낮아서, 고체형태의 옥시데인은 액체 상태의 옥시데인 안에서 아래로 가라앉지 않습니다.  앞서 말씀드렸듯이 색깔이 없는 것이 특징인데, 다량의 옥시데인이 함께 있으면, 빛의 산란효과에 의해서 푸른빛을 띄기도 합니다. 

           이렇듯 생명체에게 매우 중요한 요소이면서, 동시에 위험요소가 될 수도 있으며, 다른 액체 상태의 화합물과 비교했을 때 독특한 화학적 특성을 갖는 옥시데인은 우리들에게 친숙한 또 다른 이름이 하나 있는데, 그것이 바로 '물(water)'입니다.

           물은 우리 주변에 너무나 흔히 있는 물질이기에 매우 친숙하게 느껴지고, 상식적으로 모두가 잘 아는 물질이라고 생각하기 쉽습니다. 그러다보니 물의 특성을 보게 된다고 하더라도, 주변에서 워낙에 자주 볼 수 있는 현상이기에 그것이 특이한 것이라는 것을 생각해 본 적도 별로 없는게 일반적입니다. 예를 들어, 아이스커피를 타먹을 때도, 한겨울 강위에 얼음이 둥둥 떠 다닐때도, 물 위에 얼음이 떠있는 것을 보면서, 그저 당연하다고 생각할 뿐, 그것이 이상하다고 생각하는 사람은 별로 없습니다. 하지만,  곰곰히 생각해보면 고체 형태가 되면 대부분의 경우 밀도가 높아져서 동일한 부피일 경우 무게가 더 나가기 때문에 아래로 가라앉는 것이 정상이라는 것을 이해할 수 있을 것이며 물은 그에 반대되는 현상을 보여주고 있는 것입니다. 물의 경우는 독특한 수소결합(hydrogen bonding)이라는 분자간의 상호작용으로 인해서 얼음, 즉 고체가 되는 경우 물분자들이 일정한 육각구조를 형성하면서, 액체상태보다 분자간에 빈공간이 더 많이 생겨나 밀도가 액체 상태일때보다 더 낮아지는 특징을 갖게되고, 그 결과 섭씨 4도 온도를 갖을 때 물의 밀도가 가장 커지게 됩니다. 이러한 특이한 구조적 특징때문에 얼음이 물위에 뜰 수 있는 것입니다.

           이러한 특징은 물이 단지 다른 일반적인 물질과 달리 밀도의 역전현상을 갖는다는 이상의 큰 의미를 갖고 있습니다. 이는 바로 물의 이러한 특징 덕분에 생명체가 지구에 현재까지 살고 있다고도 이야기할 수 있기 때문입니다. 한 겨울이 되어 강이 얼어 붙는다고 하더라도 얼음이 위로 뜨기 때문에 상층부로 올라오고, 그 덕분에 강이 완전히 얼었다고 하더라도 그 아래는 얼지 않아 생명체가 살아갈 수 있는 환경을 유지할 수 있는 것이 이러한 물의 특성 덕분에 가능한 것입니다. 만약 물이 밀도 역전의 특성을 갖지 않는다면, 한겨울, 또는 빙하기에, 강물이나 바닷물 등이 아래로부터 완전히 얼어붙어 더 이상 생명체가 살 수 없는 조건이 되어 지금과 같은 생태계를 이루고 지구상에 생명체들이 살아가는 것이 불가능할 수도 있는 것입니다. 

          비록 우리에겐 너무나 흔한 것이라 그 특이성을 잘 느끼지 못하고 살고 있지만, 만약 지구 생명의 가장 근본이 되는 요소인 물이 다른 화합물들과 크게 다르지 않은, 그래서 비슷한 물질들을 쉽게 찾을 수 있는 그런 물질이었다면, 아마도 이 드넓은 우주에 다른 생명체가 살 수 있는 확률은 지금보다 훨씬 더 높아졌을 수도 있을 것입니다. 우리에겐 흔할지 모르지만, 전 우주로 보자면 매우 희귀한 특성의 물을 갖을 수 있었던 것, 그것이 바로 이 지구의 생명체들에게 기적이 아닐까 싶습니다. 비록 우리는 대부분 그 기적을 못 느끼며 살아가고 있지만 말입니다. 


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            by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:07 PM
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            지난 주 칼럼에서 살펴보았듯이 물은 지구에는 풍부하게 존재하지만, 다른 행성들에서는 쉽게 찾아보기 힘든 물질입니다. 그럼, 이 ‘물’은 도대체 언제, 어떻게 지구에 생겨나게 된 것일까요?  

            물분자는 두개의 수소원자와 하나의 산소원자가 결합하여 이루어진 화합물입니다. 수소원자는 우주에 존재하는 모든 원자들 중 가장 작고 단순한 원자로서 우주의  탄생즈음부터 우주 전역에 널리 퍼져 있었던 것으로 추측되고 있습니다. 이러한 수소원자들이 뭉쳐져 거대한 별을 이루고, 이렇게 생성된 별의 중심부에서는 높은 온도와 압력의 영향으로 수소원자들이 핵융합(nuclear fusion)과정을 거쳐서 베릴륨(Be), 탄소(C), 산소(O) 등의 수소보다 크고 무거운 원자들을 만들어 내게 됩니다. 산소도 오랜 기간동안 이러한 과정을 거쳐서 생성되었기 때문에 수소보다 한참을 지난 뒤에 우주에 나타난 것으로 보이며, 관측 결과와 이를 바탕으로한 계산결과 역시 산소는 우주가 생성된 이후 약 수억년이후에야 우주에 나타난 것이라는 가설을 뒷받침하고 있습니다. 오랜 기간동안 별의 중심부에서 만들어진 여러가지 종류의 원자들은 별이 자신의 생을 다하고, 초신성폭발(supernova)에 의해 우주로 다시 퍼져나갈 때, 우주의 전 지역으로 흩어질 수 있게 되었고, 이렇게 흩어진 원자들이 서로 화학결합을 통해 새로운 화합물을 만들어 내기 시작한 것으로 추측됩니다. 비록 물을 갖고 있는 행성은 많지 않지만, 물분자는 우주 공간에 적지 않은 양이 퍼져있는 것으로 관측되는데, 이러한 관측결과가 우주 전역에 퍼져 나간 수소와 산소원자들이 서로 결합하여 물분자가 생성되었다는 이론을 뒷받침해주고 있습니다. 즉, 물은 우주가 생성된 순간부터 존재한 것이 아니라, 오랜 세월이 지나서야 우주에 생성된 물질인 것입니다.

            이렇게 생성된 물이 언제, 어떻게 지구에 도착했는가에 대한 가설은 크게 두가지로 설명되는데, 하나는 1800년대 말에 등장한 가설로서, 물은 지구 내부에서 자체적으로 발생되었다는 가설입니다. 초기 지구에서 일어난 수억년 이상 지속된 화산활동을 통해, 지구 내부의 녹아있는 상태(molten state)의 용암이 암석으로 굳어지는 과정에서 물분자가 빠져나왔다는 것입니다. 물론 초기의 지구는 워낙 고온이었기 때문에 이렇게 빠져 나온 수증기들이 지구에 있지 못하고 우주로 빠져나갔지만, 지구의 온도가 섭씨 100도 이하로 떨어지고, 대기가 형성된 이후로부터는 수증기가 대기에 잡혀 지구 대기권 내에 머물 수 있게 되었고, 포화상태의 수증기가 모여 비를 내림으로써 바다를 이루었다고 보는 주장입니다. 현재 암석들에 포함되어있는 수분을 기준으로 계산해 봤을 때, 이러한 가정이 나름 유력한 이론이라고 평가되어왔지만, 사실 지구에 물이 지금과 같이 없는 상황에서 암석내의 수분량이 현재와 비슷할 것이라는 가정 자체가 논리에 어긋난다는 반론 역시 적지 않은 지지를 받고 있습니다. 

            현재 과학계에서 가장 유력하다고 받아들여지고 있는 또 하나의 가설은 ‘우주 유입설’로 물분자가 우주로부터 들어왔다는 가설입니다. 앞서 설명드렸듯이 우주 공간에는 많은 양의 물분자들이 퍼져있고, 이러한 물분자들이 우주 공간을 돌아다니는 혜성, 소행성 등에 얼음형태로 붙게 되었다고 봅니다. 수많은 혜성 및 소행성들이 초기 지구에 대기권이 완벽하게 만들어지기 전에 지구에 충돌하였고, 이때 혜성과 소행성에 있던 물이 지구로 전해질 수 있었다는 가설입니다. 이러한 가설은 혜성의 주성분이 다량의 얼음을 포함한 우주 먼지들이라는 것이 관측되면서 제기되기 시작하여, 초기에는 크게 인정받지 못했지만, 2000년대에 들어서 그 가능성에 과학자들이 주목하기 시작했습니다. 미항공우주국(NASA)의 관측에 따르면, 현재에도 유성으로부터 소량이긴 하지만, 수분이 대기에 유입되는 사실이 입증되었고, 또 2013년 유럽우주항공국(ESA)의 발표에 따르면, 그들이 1997년 허블망원경을 이용해서 목성의 성층권에서 관측한 수증기가 1994년 7월 목성에 충돌한 ‘슈메이커-레비 9 혜성(shoemaker-levy 9)’에 의해 목성의 대기에 유입된 것으로 보인다고 합니다. 또한 ESA는 목성의 혜성 충돌 지역에 다량의 물이 이 집중되어 있는 것을 허블망원경을 이용해 확인함으로써 이 가설에 더욱 더 강한 확신을 주었습니다.

            하지만 아이러니하게도 이러한 관측 결과를 바탕으로 확실한 증거를 잡고자 ESA 가 추진한 로제타 프로젝트(67P/C-G 혜성에 탐사선을 착륙시켜 데이터를 받아들이는 프로젝트, 2014년 11월 과학칼럼 참고)로부터 최근에 얻어낸 데이터를 통해서 다시 물의 ‘우주 유입설’은 미궁속으로 빠져들게 됩니다.  10년의 비행끝에 작년 8월 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에 도착한 로제타 탐사선이 분광기를 이용해서 관측한 혜성의 물분자 분석결과가 3개월후 지구에 도착했는데, 그 데이터는 지구의 물이 혜성으로부터 기원했다는 것을 증명해보이기 위해 프로젝트를 시작한 많은 과학자들을 시쳇말로 맨붕에 빠지게 만들었습니다. 로제타가 보내온 데이터에 따르면 혜성에 있는 물은 지구의 물과 성분이 전혀 달랐기 때문입니다. 원자는 몇개의 양성자를 갖고 있는가에 따라서 분류되는데, 같은 원자라 하더라도 중성자의 갯수가 다르면 그에 따라 질량, 끓는점과 같은 물리적 성질에 차이를 갖게 되기 마련입니다. 이러한 입자들을 동위원소(isotopes)라고 부르는데, 물의 구성물질인 수소원자도 중성자의 갯수에 따라 중수소(Deuterium), 수소(Hydrogen)  등의 동위원소를 가지고 있습니다. 이들의 화학적 특성은 같기 때문에, 물분자 내부의 수소는 중수소, 수소 모두가 가능합니다. 그런데, 중수소로 이루어진 물분자와 일반 수소로 이루어진 물분자의 비율은 물분자가 처음 만들어진 시기의 환경과 밀접한 관계가 있기 때문에, 이 비율은 우주에 퍼져있는 물이 동일한 기원을 갖고 있는 물인지 아닌지를 확인하는 중요한 척도가 됩니다. 바로 이 비율이 로제타에서 보내온 혜성의 물분자가 지구의 물분자의 비율의 약 세배에 해당하는 값을 보인 것입니다. 이 것은 혜성에 있는 물과 지구의 물의 기원이 다르다는 것을 뜻하는 것으로 지구의 물이 혜성으로부터 왔다는 ‘우주 유입설’에 완전히 반하는 데이터가 되버린 것입니다. 

            물론 혜성 하나로부터 얻어들인 데이터로 혜성이 지구상의 물의 기원이 아니라고 단정지을 수도 없는 것입니다. 지금은 태양의 반대편으로 돌아가 혜성에 착륙한 직후 깊은 잠에 빠져버린 로제타 프로젝트의 핵심 탐사로봇 필레(Philae)가 다시 활동을 시작하면 더 정확한 데이터들을 보여줄 수 있을것으로 기대되며, 또 다른 혜성의 물도 탐사해봄으로써 좀 더 정확한 결론을 얻을 수도 있을 것입니다.

            물의 기원을 밝히는 연구는 생명체의 기원과 밀접한 관계를 갖고 있습니다. 또 그에 대한 연구 결과가 우주의 다른 생명체의 존재에 대한 중요한 단서가 될 것이기에, 무엇보다 중요한 연구라 할 수 있으며, 반드시 밝혀내야할 인류의 최대 관심사라 해도 과언은 아닐 것입니다. 


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              by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:03 PM
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              게으르고, 무언가 새로운 것을 추구하거나 변화를 일으키는 것을 너무 귀찮아 하는 것 같아 걱정이 되곤 하시나요? 사실 우리는 누구나 힘들여 노력하지 않는다면 현실에 안주하게 되고, 변화로부터 멀어지게 되는데, 이러한 것은 원래 자연의 본성이 그러하기 때문입니다. 자연은 원래부터 스스로 변화를 싫어하고 현재 가지고 있는 것들을 그대로 유지하고자 하는 본성을 갖고 있습니다. 이러한 자연의 본성은 우리들의 ‘게으름’으로 뿐만 아니라 많은 자연법칙에 그대로 나타나고 있습니다. 고전역학의 뉴튼의 제 1법칙 (Newton’s 1st Law of Dnamics), 전자기학에서의 패러데이의 법칙(Faraday’s law), 그리고 화학에서의 르샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s Principle) 등이 모두 현재에 안주하려는 자연의 본성이 들어난 법칙들이라 할 수 있습니다.

              첫번째, 뉴턴의 동역학 제 1법칙은 우리에게 관성의 법칙(Law of Inertia)라는 이름으로 잘 알려져 있습니다. 관성(Inertia)란 물체가 현재의 움직을 그대로 유지하려는 성질을 뜻하는 것으로 가만히 멈춰있는 물체는 멈춰있는 상태를 유지하려고 하고, 일정 속도를 갖고 움직이고 있는 물질은 그 속도를 그대로 유지하며 그 움직임을 지속하려는 성질을 갖는다는 것입니다. 이는 이미 잘 알려져 있는 법칙으로 자동차가 출발할 때 몸이 그자리에 멈춰있으려는 속성때문에 뒤로 쏠린다던지, 자동차가 정지하려는 순간에는 반대로 움직임을 계속하려는 성질로 인해 몸이 앞쪽으로 쏠리는 현상이 관성때문이라는 것은 널리 알려진 사실입니다. 하지만, 관성이라는 것은 이보다 훨씬 더 많은 부분들에 의해 우리 주변에서 이용되고 있으며, 우리는 그것을 머리로 이해를 하고 있건 없건 간에, 경험에 의해 관성을 이용하고 있습니다. 가장 쉽고 재밌는 예를 들어보자면, 화장실에서 화장지를 끊을 때 우리들은 매우 정확하게 관성의 법칙을 이용하고 있습니다. 화장지를 천천히 잡아당기면 이미 움직임을 시작한 화장지가 계속 딸려나오지만, 끊고자 할 때 빠르게 확 잡아당기면, 그자리에 가만히 멈춰있으려는 화장지의 관성에 의해서 화장지가 뜯겨지게 되는 것입니다. 화장지를 끊지 못해 당황하지 않고, 원하는 만큼의 화장지를 빠른 스냅으로 잘라낼 수 있다면 생활속에서 이미 관성의 법칙을 잘 활용하고 계신 것입니다. 이불이나 옷을 두드려 먼지를 털어낼 때, 자동차의 안전벨트의 원리 등 셀 수 없이 많은 부분에서 우리는 이미 관성의 법칙에 지배를 받고, 또 이를 이용하며 살아가고 있습니다. 관성에 대한 또 한가지 흥미로운 점은 물체의 관성을 나타내주는 물리량이 우리가 잘 알고 있는 ‘질량(Mass)’라는 것입니다. 질량이 얼마나 무거운가를 나타낸다고 일반적으로 이해하고 있지만, 이는 무게(weight)라는 힘의 개념이 더 맞는 것이고, 실제로 물체의 관성이 얼마나 강한가를 나타내는 물리량이 바로 질량의 올바른 개념입니다. 즉, 질량이 큰 물체(일반적으로 무거운 물체)는 그 만큼 관성이 크다는 것으로, 물체의 움직임을 유지하려는 성질이 강하기 때문에, 정지해 있는 물체를 움직이려할 때도, 움직이고 있는 물체를 멈추게 하려 할 때도, 그만큼 더 큰 힘(Force)이 필요한 것입니다. 이러한 모든 관성에 관한 현상들과 개념들이 자연의 변화를 싫어하는 본성이 역학에 들어난 결과라 볼 수 있습니다.  

              두번째로 변화를 싫어하는 자연의 본성이 들어나는 법칙은 전자기학(electromagnetism)에서 등장하는 패러데이의 법칙(Faraday’s law)입니다. 이는 발전기의 원리를 설명해 주는 법칙으로 영국의 과학자 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)에 의해 1831년에 발표되었습니다. 전기 회로가 위치한 지역의 자기장에 변화가 일어나면 그로 인하여 회로에 전류가 만들어진다라는 원리로, 현재 모든 발전기는 이 원리를 바탕으로 만들어지고 있습니다. 이 때, 전류가 생성되는 이유가 바로, 회로가 위치한 공간의 자기장에 변화가 일어나면, 자연은 그 변화를 싫어하기 때문에, 회로에 전류를 생성시켜 그 변화를 상쇄시키려 하기 때문입니다. 아이들 장난감이나 등산 응급용품등에서 찾아볼 수 있는 건전지가 필요없는 손전등 역시 이러한 원리를 이용하고 있습니다. 막대 모양으로 생긴 손전등을 위아래로 흔들면, 안에서 달그락거리는 소리가 나며 전구에 불이 들어오게 되는데, 막대 모양으로 생긴 내부에 코일이 감겨있고, 그 안쪽에 놓인 막대자석이 위아래로 움직이면서 자기장에 변화가 생기면 , 그를 상쇄시키기 위해 코일에 전류가 생기고, 이로써 전구에 불이 들어오게 되는 것입니다. 역시, 그저 변화를 싫어하는 자연의 본성이 나타나는 하나의 예에 해당하는 것입니다.

              세번째 예로 말씀드린 르샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s Principle)은 화학반응이 평형점에 도달하여 더이상의 거시적 변화, 즉 온도변화, 농도변화 등을 일으키지 않을때, 어떤 화학적 조건의 변화를 주면, 그 변화에 반대하는 방향으로 반응의 평형점이 이동한다는 것입니다. 일정 화합물의 농도를 높여주면, 그 농도를 낮추는 방향으로 평형점이 이동을 하고, 또 전체 온도를 상승시키면, 다시 온도를 낮추기 위해서 화학반응이 진행되기도 합니다. 어떤 변화를 일으키던 간에, 자연은 그 변화를 없애려는 방향으로 화학반응을 스스로 이동시키게 되는 것입니다. 프랑스의 화학자 앙리 루이 르 샤틀리에(Henry Louis Le Chatelier, 1850-1936)에 의해 발견된 이 법칙은 화학반응에 가장 알맞는 조건을 찾는데 있어서 가장 중요한 원리로 여겨지고 있는 화학의 가장 중요한 기본원리 중에 하나입니다.

              이렇듯, 변화를 싫어하고, 현재에 안주하려는 것은 게으른 자의 특성이 아니라, 자연이 원래 그러한 것이기 때문이며, 그에 대한 효과는 여러가지 자연 법칙에 기본 원리로 반영되고 있습니다. 하지만, 자연이 원래 그렇다고 해서, 현실에 안주하며 변화를 싫어하는 것이 옳다는 것은 아닙니다. 또한 자연의 본성은 그러하지만, 실제 자연속에서 살아 남아있는 생명체들은 현실에 항거하며, 도전적으로 노력한 생명체들 만이 살아남아 있는 것이 또한 자연이기도 합니다. 유명한 ‘자연선택설’은 동일한 자연환경속에서 선택된 형질들 만이 살아남는다고 설명되지만, 사실상 지속적으로 변화하는 자연환경에 적응하기 위해 스스로를 변화시키며 끊임없이 노력한 개체들만이 살아남아 ‘선택’을 받은 것이라 볼 수 있습니다. 원래부터 모두가 게으르고, 현실에 안주하려고 하는 본성을 갖고 있는 것이 자연적인 것이지만, 이러한 자연의 본성을 극복하고, 스스로 변화를 주도하기 위해 노력하는 자들에 의해서 그 자연이 지배되고 존속되고 있는 것입니다. 무언가를 얻기 위해서는 이 자연법칙에 반항하여 변화를 주도해야하는 것이지요. 화장지 한장을 끊기 위해서도 관성을 극복해야 하듯이 말입니다. 


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                by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:03 PM
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                캠핑의 계절입니다. 우리가 살고 있는 이곳, 밴쿠버 지역만큼 캠핑을 즐기기 좋은 곳도 아마 드물지 않을까 싶을 정도로 최상의 캠핑장들이 주변이 자리잡고 있습니다. 텐트를 치고, 아이들과 물놀이도 즐기고, 배부르도록 바베큐도 해먹고, 밤 늦은 시간 조용히 앉아 하늘을 바라보면 어두운 밤하늘에 무수한 별들이 반짝이고 있습니다. 모두가 반짝이는 별들과 가끔식 지나가는 유성들을 바라보고 있을 때, 조금 색다르게 밤하늘을 바라보는 건 어떨까요?

                “밤하늘은 왜 어두운 걸까요?”

                당연히 밤이라, 햇빛이 없으니까 어둡다고 생각할 수도 있겠지만, 위성에서 지구를 바라본 사진이나 우주를 배경으로 한 영화등을 보면 태양이나 별이 있어도 그 주변은 빛이 없습니다. 즉, 밤에 태양이 하늘에 보이지 않기 때문에 어둡게 보이는 것이 아니라, 그것이 원래 우주 밖 배경의 색깔인 것이고, 낮에 태양으로부터의 빛들이 대기권에 산란되어 밝게, 그리고 푸르게 보이는 것입니다. 다시 말하면, 우주의 배경은 원래부터 어두운, 즉 빛이 없다는 것인데, 왜 그런 것일까요?

                이 문제는 문득 생각하면 우스꽝스러운 질문 같지만, 천체 물리학계에서 오랜 세월동안 그 답을 찾고자 노력했던, 우주를 이해하기 위한 매우 중요한 질문입니다. 그리고 이 문제에 제일 먼저 답을 한 과학자는 바로 우리의 태양계에 대한 연구로 유명한 케플러(Johannes Kepler, 1571-1630)입니다. 케플러는 밤하늘이 어둡다는 ‘관측결과’가 이 우주가 유한한 경계를 갖고 있다는 증거라고 설명했습니다. 만약, 우주가 무한하다고 가정한다면, 우주에는 무한한 별이 있다는 이야기가 됩니다. 무한한 별들이 각각 그 빛을 내고 있다면, 이 우주공간에는 무한한 양의 빛이 퍼져나온다는 결론을 얻게 됩니다. 그렇다면, 우주의 전공간에서 빛이 나온다는 것과 같은 것으로 우주는 어두운 것이 아니라 사방에 불을 밝히고 있는 것처럼 밝은 공간이 되야만 합니다. 하지만, 매일밤 관측되는 바와 같이 우주는 어둡기 때문에, 반증법적으로 이 우주가 무한하지 않다, 즉 유한하다고 결론지을 수 있다고 설명했습니다. 케플러의 깔금한 설명덕분에 16세기 이 후 사람들은 우주가 유한한 경계를 갖고 있다고 믿게 되었고, 우주의 끝부분이 있다는 개념은 철학적 사고, 종교적, 그리고 문학적 성향에 많은 영향을 끼치게 됩니다. 

                케플러의 유한한 우주개념에 반기를 든 과학자는 아이러니하게도 케플러의 업적으로부터 얻어진 태양계의 움직임을 바탕으로 중력의 개념을 발견한 뉴튼(Sir Isaac Newton, 1643-1727)이었습니다. 뉴튼은 잘 알려진 대로 질량을 갖고 있는 모든 물질들은 서로 끌어당긴다는 만유인력 법칙을 발견하였습니다. 이 법칙에 따르면 유한한 거리에 있는 모든 물질들은 잡아당기는 인력을 갖게 되고, 이들이 태양을 중심으로 회전운동하는 지구와 같이 거대한 질량을 중심으로 일정하게 회전운동을 하지 않는 한, 인력의 영향으로 서로 끌어당겨져야 합니다. 쉽게 말하면, 유한한 우주의 모든 물질들은 한 점의 방향으로 수축되어야 한다는 것인데, 우주가 이렇게 수축되고 있다는 사실은 당시의 관측기술로도 설명될 수 없었습니다. 오히려 근대 과학으로 우리는 우주가 팽창되고 있다는 것을 알고 있습니다. 이렇게 해서 뉴튼에 의해 밤하늘이 어두운 이유는 미궁에 빠지고, 결국 우주는 유한한 것이 아니라 무한한 것이라고 받아들어지게 됩니다. 적어도 만유인력의 법칙이 이 세상을 지배한다는 것은 관측으로 입증된 사실이었기 때문입니다.

                100년넘게 해결의 실마리를 찾지 못하던 이 문제에 다시 도전장을 내민 과학자는 독일의 천문학자 올베르스(Heinrich Wilhelm Matthaus Olbers, 1758-1840)입니다. 1815년 혜성(comet)을 발견하여 자신의 이름을 따서 올베르스 혜성이라고 명명한 것으로도 유명한 그는 이 문제를 해결하기 위해서 ‘가스층 흡수이론’을 주장합니다. 맑은 날에는 가시거리가 멀지만, 스모그현상 등에 공기가 탁해지면 멀리있는 빛을 보기 힘들 듯이 우주 공간에 퍼져있는 먼지, 가스층 등에 의해 무한한 공간의 무한한 별들로부터 오는 빛이 산란되어 지구에 모두 도착하지는 못하는 것이라고 설명했습니다. 무한한 우주의 무한한 별들이 있는 것은 맞지만, 그로부터 출발한 모든 빛이 지구에 도착하지 못하기 때문에 어둡게 보이는 것이라는 것입니다. 하지만, 이 설명이 맞다면, 오랜 기간동안 무한한 별들로부터 빛을 흡수하거나 산란시키며 에너지를 받은 먼지, 가스층이 스스로 빛을 발광할 수 밖에 없기 때문에 빛을 발산하는 가스층이 발견되어야만 하는데, 아직까지 이러한 가스층은 발견된 적이 없습니다. 

                매우 흥미롭게도 이 문제를 가장 과학적으로 설명한 사람은 전문 과학자가 아니라, 추리 소설 작가로도 유명한 아마추어 천문학자 애드거 앨런 포(Edgar Allan Poe, 1809-1849)였습니다. 그는 자신의 유레카(Eureka) 라는 산문시집에 다음과 같이 서술했습니다.

                “We could comprehend the voids which our telescopes find in innumerable directions, would be by supposing the distance of the invisible background so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.”

                즉, 우주는 무한하고, 그 안에 별들도 무한한 것이 맞지만, 그들로 부터 지구까지의 거리가 너무나도 멀어서 아직 그 별로부터 출발한 빛이 지구에 도달하지 못했기 때문에 어둡게 보이는 것이라는 설명입니다. 빛의 속도가 유한함을 이용해서 무한한 빛의 출발점이 있음에도 불구하고 그 빛을 보지 못하는 이유를 설명한 매우 획기적인 발상입니다. 하지만, 이 설명도 문제점이 있는데, 그럼 충분한 시간이 지나고 나서, 모든 빛이 도착할 수 있다면, 언젠가 하늘은 밝아질 것인가라는 질문입니다. 

                이는 우주 팽창설을 이용해서 보충 설명이 가능해집니다. 빅뱅 이론에 관한 칼럼에서 설명드렸듯이 우주는 팽창하고 있으며, 우주의 가장자리로 갈 수록 그 팽창속도는 더욱 빨라지고 있습니다. 이렇한 공간 자체의 팽창으로 인해 빛은 지구로 다가오는 것이 아니라 오히려 더 멀어지고 있다고 볼 수 있으며, 오랜 시간이 지난다고 해도 그 빛이 지구에 도착할 수 없게 됩니다. 

                요약하자면, 우주는 무한하고, 그 안에 무한한 별들이 빛을 내고 있는 것은 맞지만, 그 무한한 우주공간이 팽창하고 있기 때문에 모든 별에서 방출된 빛이 지구에 도달할 수 없습니다. 그 결과 우리는 빛이 없는 어두운 하늘을 갖게 된 것입니다. 햇님이 하루일과를 마치고 들어가면 당연히 어두워지는 것이라 생각할 법도 한 밤하늘이 어두운 이유에는 이와같이 우주에 관한 집약적인 과학적 고찰이 함께 관련되어 있습니다. 


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                  by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:03 PM
                  Anyone in the world

                  세계에서 가장 오래된 쌀, 볍씨가 한국의 충청북도 청원군 소로리에서 출토된 볍씨라는 것 알고 계셨나요? 2001년 출토된 이 볍씨는 연구결과 약 1만5000년에서 1만7000년전의 볍씨인 것으로 알려졌습니다. 또한 현재까지 발견된 미라 중 가장 오래된 미이라는 1991년 알프스 산맥의 빙하가 녹으면서 발견된 외치라는 이름의 미라로 약 5300년전의 석시기대의 사람인 것으로 알려지고 있습니다. 이렇듯 고고학적으로 의미가 있는 것들이 발견되면 그들이 살았던, 또는 이용되었던 시기를 추정하게 되는데, 이때 사용되는 대표적인 방법 중의 하나가 방사성탄소 연대측정법(Radiocarbon dating)입니다. 

                  자연에 존재하는 대부분의 탄소는 원자질량 12로 안정적인 것과 달리, 대기권에 있는 질소(Nitrogen, N)가 지구밖에서 들어오는 강한 에너지원인 우주방사선(Cosmic Ray)의 영향으로 핵변환을 일으켜 만들어지는 원자질량 14를 갖는 탄소 동위원소(isotope) 탄소-14는 상대적으로 불안정한 탄소라고 할 수 있습니다. 이렇게 생성되는 탄소-14는 대기중에 풍부한 일반적인 탄소-12에 비해 그 양은 비교도 되지 않을 정도로 매우 적고 시간이 지나면 방사선 붕괴로 인해 다시 질소로 돌아가게 되지만 지속적인 우주방사선의 영향으로 대기권내에 탄소-12와 탄소-14의 비율은 꾸준히 유지되며 존재하고 있습니다. 이런 탄소가 연대 측정에 사용되는 가장 큰 이유는 탄소(Carbon)가 생명체를 이루는 중요 원소중에 하나이기 때문입니다.  모든 생명체들은 공기중의 이산화탄소를 음식, 또는 광합성을 통하여 지속적으로 받아들여 체내에 필요한 양을 유지하기 때문에, 생명체 내의 존재하는 탄소도 대기권내의 탄소12/14 비율을 그대로 유지하게 됩니다. 하지만, 생명체가 죽게 되면 더이상 탄소를 체내로 흡수할 수 없게 되기 때문에, 그 순간부터 탄소12/14 비율을 더이상 유지할 수 없게 됩니다. 안정적인 탄소-12의 양에는 그 이후에도 변화가 일어나지 않지만, 불안정한 탄소-14는 방사성 붕괴를 통해서 다시 질소로 돌아가기 때문에 시간이 지나면 지날 수록 사체의 체내에 남아있는 탄소-14의 양이 줄어들게 됩니다. 이때 탄소-14의 양이 줄어드는 시간 간격이 항상 일정하기 때문에, 우리는 발견된 사체의 체내에 남아있는 탄소-14의 비율을 측정해서 그 생명체가 살아있었던 시기를 가늠할 수 있는 것입니다. 

                  탄소-14의 반감기(최초의 양이 반으로 줄어드는데 걸리는 시간)가 약 5730년이기 때문에, 체내에 남아있어야 하는 탄소-14의 적정량보다 어떤 화석 또는 미라의 표본에 남아있는 탄소-14의 양이 반으로 줄어있다면 죽은지 약 5730년이 지났다는 것을 뜻이라 할 수 있습니다.  또 만약 탄소-14의 양이 반의 반, 즉, 4분의 1만 남아있다면 반감기의 두 배, 즉 11460년전에 활동하던 것으로 추정할 수 있는 것입니다. 이 방사성 탄소 연대 측정법은 1948년 시카고대학교의 월러드 리비(Willard Libby)에 의해 고안되었고, 그는 이로써 1960년, 노벨 화학상을 받기도 했습니다. 

                  하지만, 측정시간이 반감기에 비해 너무나 오래됐다면 체내에 남아있는 동위원소의 양이 측정하기 힘들 정도로 적어지기 때문에 방사성 동위원소를 이용한 연대측정은 한계를 갖을 수 밖에 없는 것이 사실입니다. 이때 과학적으로 그 한계점을 반감기가 열 번정도 지난 시점으로 제한하는데, 반감기가 열 번 지나게 되면, 그 원소의 양이 2의 10제곱분의 1, 즉 1024배 이상 줄어들기 때문에, 그 이상의 감소량이 더 이상 정확한 데이터를 줄 수 없다고 판단되기 때문입니다. 탄소의 반감기가 5730년정도이기 때문에, 그의 열배에 해당하는 약 5만7천년정도보다 짧은 역사를 갖고 있는 것들을 판단하는데에만 이 방법이 사용된다고 말 할 수 있습니다. 다행스럽게도 역사적으로 의미있는 생명체의 활동들과 흔적들은 대부분 약6만년전 안에 벌어진 일들이기 때문에 인류를 비롯한 생명체들의 활동을 추적하는 데에는 탄소연대측정이 별 문제없이 사용되고 있습니다. 인류의 가장 오래된 조상이라 여겨지는 오스트랄로 피테쿠스는 약 100만년 전, 네안데르탈인은 약 25만년전에 활동을 했다고는 보여지지만, 인류가 의미 있는 사회생활을 시작했다고 볼 수 있는 구석기시대의 호모사피엔스사피엔스시대가 약 4만년 전정도였던 것으로 측정되기 때문에, 그 이 후의 인류와 관련된 대부분의 역사적 흔적은 탄소연대측정으로 충분히 가능한 것입니다. 물론 탄소연대측정이 완벽하다고 볼 수없기 때문에, 고고학에서는 이외에도 고지자기 연대측정, 나이테 연대측정법 등의 여러가지 방법을 통합하여 더 정확한 연대를 가늠하려고 노력하고 있습니다. 

                  탄소연대측정은 사실 매우 중요한 가정을 하나 하고 있는데, 이는 적어도 지금으로부터 6만년전까지는 대기권 내의 탄소-12/14의 비율이 지금과 동일할 것이라고 생각하는 것입니다. 하지만, 사실 1945년 2차 세계대전 말기부터 시행된 핵무기 폭발, 이후 수 많은 공장, 자동차 등에서 뿜어낸 인위적인 공기중의 탄소방출 등을 통해서 지금 현재 대기권내의 탄소-12/14비율은 예전과 매우 심각하게 다른 비율을 보이고 있습니다. 그로 인해 현재 진행되는 탄소연대측정에서는 그 기준값으로 현재 대기권내의 비율이 아니라 1950년에 측정된 탄소비율을 사용하고 있습니다. 그 이후의 대기내의 탄소비율은 인위적 활동등에 의해서 변화되었기 때문입니다. 

                  몸 속에 남아있는 탄소라는 원소만으로 발견된 화석의 시대를 측정할 수 있다는 것. 이쯤되면 호랑이는 죽어서 가죽을 남기고, 사람은 죽어서 이름을 남긴다는 한국의 속담과 비슷하게 생명체는 죽어서 탄소를 남긴다라고 이야기해볼 수도 있을 듯 합니다.




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                    by Joon Sam - Tuesday, 11 February 2020, 5:02 PM
                    Anyone in the world

                    어머니를 난소암으로 잃은 바 있는 미국의 유명 여배우 안젤리나 졸리가 본인에게 유전적으로 BRCA1, BRCA2 유전자에 돌연변이가 있다는 것이 확인됐기에 유방암에 걸릴 확률이 높아 예방적 차원에서 유방절제술을 받았다는 것이 크게 이슈가 되었던 적이 있었습니다. BRCA1,2 유전자가 무엇인지에 대해서는 이번 칼럼에서는 설명을 생략하겠지만, 2000년대 초 연구결과에 의해서 밝혀진 바에 의하면 이 유전자에서 돌연변이 형질이 발견된 사람들은 보통의 사람들에 비해 유방암에 걸릴 확률이 엄청나게 높아진다는 것이 밝혀졌기에 이런 ‘예방적 절제술’이 사람들 사이에서 이슈가 되었던 것입니다. 

                    유방암은 사실 북미의 여성들에게 있어서 폐암을 제치고 가장 높은 발생률을 보이고 있는 암입니다. 유방암은 유방조직부분에 발병되는 모든 종류의 악성 종양을 통칭하는 하는데, 다른 대부분의 암과 마찬가지로 아직까지 정확한 발병원인은 밝혀지지 않는 병입니다. 이 유방암은 다른 어떤 암보다도 예방과 진단을 중요시하는 데 그 이유는 초기에 발견을 하기만 한다면 그 생존율이 98%이상(0~1기 환자 기준)이지만 그 증세가 뚜렷하지 않아 초기에 발견이 거의 불가능하기 때문입니다. 촉진을 통해서 암세포의 존재가 확인된다면 이는 벌써 상당 부분 암이 진행되었거나, 심한 경우 이미 온 몸으로 전이가 이루어진 후일 수도 있습니다. 그렇기 때문에 유방암은 주기적으로 검사를 받아서 초기에 발견하는 것이 무엇보다 중요합니다. 

                    유방은 몸의 다른 조직과 달리 매우 조밀하고, 비교적 균일한 밀도를 갖고 있기 때문에 일반적인 흉부 X선 촬영기로는 암세포의 존재여부를 확인하기가 힘들고, 맘모그램(Mammogram)이라는 전용  X선 촬영기를 이용하여 진단을 하고 있습니다. 맘모그램은 일종의 방사선 조사를 이용한 의료용 촬영기기로서 기본적인 원리는 X선 촬영과 동일하지만, 흉부 X선 촬영보다 더 자세한 영상을 위해 조금 더 강한 방사선(0.8 밀리시버트, mSv)을 이용합니다. (참고로 일반 흉부  X선 촬영의 방사선량은 0.01 ~ 0.1 밀리시버트, mSv정도 입니다.) 가능한 적은 양의 방사선으로 좋은 이미지를 얻고자 X선이 투과하여야 하는 거리를 줄이기 위해서 촬영부위를 특수 제작된 밀착판을 이용해서 압박을 가하기 때문에 여성분들이 불편해 하시지만, 이는 조사되는 방사선의 양을 줄이기 위해 어쩔 수 없는 촬영방법입니다. 

                    이렇듯 맘모그램은 유방암 진단을 위해 필요한 의료 촬영법이지만, 상대적으로 높은 방사선량을 사용하기 때문에, 잦은 맘모그램 진단이 유방암을 더 유발시킬 수 있다는 연구결과도 나오고 있어서 맘모그램을 과연 받아야 하는 것인가, 아니면 받지 말아야 하는 것인가에 대한 찬반은 의료계에서도 아직까지도 진행되고 있는 이슈입니다. 쉽게 말씀드리면, 원래는 유방암이 안걸릴 수 있는 사람이 너무 자주, 오랜기간 맘모그램을 받음으로써 인위적으로 방사선에 피폭되어 유전자의 돌연변이를 통해 암세포가 만들어질 수도 있다는 것입니다. 

                    현존하는 모든 의료용 촬영 진단 법은 자기공명 영상법(MRI)를 제외하고는 모두 인체에 해로운 것이 사실입니다. 뇌 내부, 종양의 생리적 활동성 등을 확인하기 위해 사용되는 단층 촬영(Computed Tomography), 양전자 방출 단층 촬영법(Positron Emission Tomography, PET) 등도 흉부 X선이나 맘모그램에 비하면 엄청나게 강한 방사선을 이용하는 것이고, 종양 치료를 위한 감마선 치료 등에 사용되는 방사선은 진단영상에 사용되는 그것과는 비교도 할 수 없을 만큼 강한 방사선을 이용합니다. 물론 이들 방사선이 인체에 안좋은 것은 사실이지만, 실보다는 득이 크기 때문에 진단을 위해서, 또는 종양 치료를 위해서 어쩔 수 없이 사용되고 있는 것입니다. 맘모그램 역시 유방암 진단을 위해서는 꼭 필요한 촬영법이기는 하지만, 방사선을 사용한다는 점은 사실이기에, 진단을 위해서 6개월에 한번, 또는 적어도 일년에 한번 꼴로 방사선에 피폭되어야 한다면 그에 대한 악영향 역시 생각해보지 않을 수 없을 것입니다.  이러한 이유로 전 세계의 많은 암학회, 질병관리 단체 등에서 맘모그램의 영향과 유방암 진단 및 치료 등에 대한 역학조사를 한 결과로 캐나다를 포한한 대부분의 나라에서는 40대 이상의 여성의 경우 주치의와의 상담을 통해서 가능한 2~3년에 1회 이상 맘모그램 진단을 받아볼 것을 권장하고 있습니다. 하지만, 40대 또는 그보다 젊은 여성들의 경우는 수치적으로는 유방암 발생률이 크게 높지 않기 때문에 맘모그램에 의한 진단보다는 초음파를 이용한 방법이나 전문의의 촉진 등을 통한 점검을 먼저 받고, 의심이 되는 경우에 한해서 맘모그램을 받는 것을 조언하기도 합니다. 물론 이 모든 것들을 환자 개개인에 따라서 다르기 때문에 자신의 주치의와 상의를 하시고 진단의 방법과 시기를 결정하셔야 합니다. 

                    유방암은 서구 여성들에 비해 동양인들에게서 적게 발병되었었는데, 식습관과 생활방식이 비슷해지면서 최근에는 동양 여성들에게서도 점차 높은 발병율을 보이고 있습니다. 앞서 말씀드렸듯이 초기 증상이 거의 없기 때문에 20-30대 이상의 여성들은 항상 관심을 갖고, 혹시 가족력이 있으신 분들은 주치의와 상의하셔서 진단 계획을 세워보시는 것이 좋을 듯 합니다. 


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