최단(最短) 시간과 길이

우주는 시간(時間)과 공간(空間) 즉 시공(時空)으로 구성되어 있다. 우주의 시공이 무한대(無限大)라는 것은 모두 인식(認識)하고 있다. 그러나 무한소(無限小)의 세계, 즉 지극히 짧은 시간과 길이에 대해서는 잘 알지 못한다. 일반인들의 생활에서 가장 짧은 시간이라고 하면, 거의 초(秒 second)로 나타내고 있을 것이다. 달리기 선수들의 기록시간은 100분의 1초까지 재고 있고, 가장 짧은 길이는 mm 단위로 표현하는 것이 일반적이다. 그러나 과학자들의 연구실에서는 상상하기 어려운 작은 단위를 사용하고 있다.

지극히 큰 수와 작은 수를 나타내는 단위

빛은 1초에 300,000km를 진행한다. 그러면 빛이 1km 나가는데 필요한 시간은 얼마인가? 답은 300,000분의 1초이다. 그러면 1m를 가는 데 걸리는 시간은 300,000,000분의 1초, 1mm를 진행하는 데는? 이처럼 복잡한 단위를 간단히 나타내도록 ‘국제단위’(International System of Unit, SI)가 정해져 있다.

1보다 큰 수를 나타내는 국제단위

10 : 데카(deka, da로 나타냄)

100 : 헥토(hecto, h)

1,000 : 킬로(kilo, k)

1,000,000(백만) : 메가(mega, M)

1,000,000,000(십억) : 기가(giga, G)

일조(1애 0이 12개) : 테라(tera, T)

천조(0이 15개) : 페타(peta, P)

백경(0이 18개) : 엑사(exa, E)

십해(0이 21개) : 제타(zetta, Z)

일자(0이 24개) : 요타(yotta, Y)

1보다 작은 수를 나타내는 국제단위

0.1(10분의 1) : 데시(deci, d로 나타냄)

0.01(100분의 1) : 센티(centi, c)

0.001(1,000분의 1) : 밀리(milli, mm)

100만분의 1 : 마이크로(micro, μ)

10억분의 1 : 나노(nano, n)

1조분의 1 : 피코(pico, p)

천조분의 1 : 펨토(femto, f)

백경분의 1 : 아토(atto, a)

십해분의 1 : 젭토(zepto, z)

일자분의 1 : 욕토(yocto, y)

최소의 생명체로 알려진 바이러스의 크기를 나타낸다. 아래 맨 오른쪽의 파르보 바이러스는 20nm이고, 에볼라 바이러스는 80×970nm로 나타나 있다.

지극히 짧은 시간의 단위

자연과학을 공부하는 독자들은 마이크로와 나노 단위는 자주 접한다. 그러나 1조분의 1(피코)의 1,000분의 1을 나타내는 천조분의 1(10-15 ​1⁄1 000 000 000 000 000 펨토), 그 보다 더 작은 아토, 젭토, 욕토 같은 수는 만날 기회가 거의 없을 것이다. 펨토초가 얼마나 짧은 시간인지 비유를 들어보자. 펨토초를 ‘1초’라고 한다면, 현재의 1초는 3,710,000년에 해당한다.

빛은 파동(波動 wave)의 성질도 가졌다. 가시광선 가운데 노란색의 파장은 590∼560nm이고, 각 파장 사이의 시간은 약 2펨토초(fs)이다. 따라서 레이저를 포함한 광학(光學)에서는 펨토초 단위로 연구되고 있다.

1999년에 노벨 화학상을 수상한 즈웨일(Ahmed H. Zewail)은 레이저를 이용하여 펨토초 단위 시간에 일어나는 화학반응의 속도를 연구하여 펨토화학(femtochemistry) 분야의 선구자가 된 과학자이다. (본사에서 발간한 <시간 속의 여행>은 즈웨일 박사가 청년 과학도를 위해 저술한 저서이다.)

원자와 분자의 크기 비교

원자와 분자의 크기는 종류에 따라 각기 다르다. 원자들의 평균 직경은 10–10m(100억분의 1m, 0.1nm)이고, 분자는 10–9m(10억분의 1m, 1nm)이다.

금의 원자 직경 : 1.44×10-10m

철의 원자 직경 : 1.26×10–10m

구리의 원자 직경 : 1.28×10–10m

산소의 원자 직경 : 0.74×10–10m

수소의 원자 직경 : 0,529×10-10m (부피는 6.2×10-31m)

원자핵의 직경 : 0.1∼0.5nm

원자들의 무게는 서로 크게 다르지만, 크기는 거의 비슷하다. 예를 들어 무거운 플루토늄의 원자무게는 수소의 200배이지만, 직경은 3배 정도 크다.

전자와 핵을 구성하는 쿼크의 크기

전자와 쿼크는 원자를 구성하는 기본 입자들이다. 가장 작은 공간을 차지하는 그들의 크기는 얼마인가? 과학자들의 대답은 ‘그들은 크기가 없는 기본 입자’이다. 책에서 전자를 설명하는 영상을 보면 가장 작은 쇠구슬처럼 나타내고 있지만, 전자는 모습이 보이지 않는다. 크기를 가진 최소의 것은 양성자와 중성자이고, 이들을 구성하는 쿼크들도 크기가 없는 기본 입자이다. 과학자들은 끊임없이 더 작은 세계와 더 큰 우주의 시공을 연구한다. – YS

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