🌌 세상은 무엇으로 이루어져 있을까? 텅 빈 원자의 세계 🧪

우리가 보고, 만지고, 느끼는 세상은 꽉 차 보입니다. 🌍 하지만 물리학자의 눈으로 보면, 이 세상은 놀라울 정도로 텅텅 비어 있다는 사실을 알 수 있어요. 밤하늘의 우주를 봐도, 우리 몸을 이루는 물질을 들여다봐도, 그 속은 대부분 빈 공간입니다.

그렇다면 도대체 세상은 어떤 것들로 이루어져 있는 걸까요? 그 해답은 바로 ‘원자(atom)’에 있습니다.

🔬 원자란 무엇일까?

'아톰(atom)'이라는 단어는 그리스어에서 유래됐습니다. ‘자를 수 없다’는 뜻을 가진 이 단어는, 물질을 계속해서 잘라 들어가다 보면 더 이상 자를 수 없는 최소 단위에 도달하게 된다는 개념에서 비롯됐습니다. 바로 그 단위가 원자예요.

💡 머리카락 하나의 두께에 원자를 나란히 놓으면 무려 100만 개가 올라갈 수 있을 정도로 작습니다. 눈에 보이지도 않을 만큼 작지만, 이 원자들이 모여 우리의 몸, 지구, 그리고 우주를 구성하고 있습니다.

물리학자가 원자의 존재를 증명하기 전, 화학자들은 먼저 그 가능성을 눈치챘습니다. 수소 기체 2리터와 산소 기체 1리터를 반응시키면, 수증기 2리터가 생긴다는 법칙 같은 것이 그것이죠.

📐 이처럼 화학반응은 항상 일정한 정수 비율로 일어납니다. 이를 설명하려면 물질 안에 일정한 개수의 ‘알갱이’가 있다는 가정이 필요했고, 그렇게 분자와 원자라는 개념이 생겨났습니다.

물리학자 톰슨은 진공관 실험을 통해 전자를 발견했습니다. 전자는 음전하를 띠고 있어요. 그래서 그는 원자 안에도 이를 상쇄하는 양전하가 고르게 퍼져 있어야 한다고 생각했죠.

🍞 그는 원자를 식빵에 박힌 건포도에 비유했습니다. 전자는 건포도, 식빵 부분은 양전하가 골고루 퍼진 부분이었던 거예요. 이를 '톰슨의 푸딩 모형'이라고 부릅니다.

러더포드는 금박 실험을 통해 대부분의 알파 입자가 그대로 통과하지만, 일부는 튕겨 나가는 현상을 발견했어요. 🧪 이 실험을 통해 그는 원자의 중심에 작고 무거운 원자핵이 존재한다고 결론 내립니다.

📌 전자는 이 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있으며, 그 사이에는 아무것도 없는 진공 상태라는 사실도 밝혀졌습니다.

현대 물리학에서는 전자가 고정된 궤도를 도는 것이 아니라, 마치 구름처럼 확률적으로 퍼져 있는 상태라고 설명합니다. 이 개념은 양자역학을 통해 이해할 수 있으며, 원자의 구조를 한층 더 정확히 보여줍니다.

원자핵을 골프공 크기로 확대하면, 전자는 몇 km 떨어진 거리에서 존재합니다. 잠실 야구장에 야구공이 원자핵이라면, 서울 시청쯤에 전자가 있는 셈이죠.

📏 그만큼 원자는 대부분 빈 공간입니다. 게다가 전자의 ‘크기’는 현대 물리학에서 0으로 간주되기 때문에, 원자는 ‘점과 점 사이의 진공’이라고 할 수 있어요.

만약 원자에 엄청난 압력을 가한다면 어떻게 될까요? 처음에는 전자들끼리 서로 밀어내는 힘, 즉 축퇴압(degeneracy pressure)이 생깁니다. 이것이 바로 백색왜성(white dwarf)의 특징입니다.

⚛️ 더 큰 압력이 가해지면, 전자와 양성자가 결합해 중성자가 되고, 모든 물질이 중성자로만 이루어진 상태, 즉 중성자별(neutron star)이 됩니다. 이때의 밀도는 물의 1조 배 이상입니다.

💥 그리고 더 누르면? 결국 블랙홀이 되는 거죠.

지구에 약 100억 명이 살고 있다고 가정해 봅시다. 이 사람들을 모두 중성자별 밀도로 압축하면, 1cm 크기의 자갈 하나 정도에 모든 인류가 들어가게 됩니다. 상상만 해도 놀랍지 않나요?

원자 내부도, 우주도 대부분은 빈 공간입니다. 인간의 몸은 원자로 이루어져 있고, 우주는 별들 사이의 텅 빈 공간으로 채워져 있습니다.

🎈 어쩌면 우리는 정말로, 텅 빈 커다란 우주와 텅 빈 작은 우주 사이에서 아슬아슬하게 존재하고 있는 건지도 모릅니다.