2024. 2. 19. 00:30ㆍ카테고리 없음
열의 온도에는 한계치가 있을까? 절대열(absolute hot)!
절대영도(Absolute Zero)라는 말은 들어 보았을 것이다. 이론적인 온도의 최저점으로 0켈빈 온도를 의미한다. 섭씨 -273.15도를 말한다. 그러면 여기서 의문점이 생긴다. 온도의 가장 낮은 단위가 있다면 그와 반대되는 것도 있지 않을까? 열은 과연 몇 도까지 상승할 수 있을까? 1000도, 5000도 무한히 상승할까?
온도의 상한선을 나타내는 것이 절대열이다. 하지만 무한온도(infinite temperature)라는 것도 있다.
이런저런 생각을 하다 보면 우리가 ‘온도’란 것에 대해서 이해하지 못하고 있다는 것을 자각하게 된다.
(재미로만 보시길 바랍니다.)
*온도란 무엇일까?
모든 물질은 원자와 분자로 구성되어 있다. 원자와 분자는 끊임없이 진동을 반복하며 진동에너지를 만들어 낸다. 바로 이 운동에너지가 온도라는 형태로 나타나는 것이다.
우리도 운동장을 힘껏 달리면 체온이 오른다. 그와 같이 원자나 분자도 진동이 빨라지면 고온이 되고, 느려지면 저온이 된다. 바로 이 진동의 원리를 이용한 것이 우리가 쓰고 있는 전자레인지다.
어쨌든 온도가 내려가서 원자의 진동이 느려졌다기 보다는 원자, 분자의 진동이 느려졌기 때문에 온도가 상승하지 않게 되는 것이다.
*절대영도의 의미
진동이 서서히 느려지다 보면 거의 정지된 상태가 되는 때가 온다. 모든 물질의 진동이 정지한 상태의 세계. 움직이지 않는 이상 열은 발산되지 않는다. 마치 죽음을 맞이한 것과 같다. 이때의 온도가 이론상 -273.15라는 것이다. (원자나 분자의 모든 진동을 실제로 완전히 정지시키는 것은 불가능하다.)
*온도를 올리면?
그럼 반대로 진동을 계속 빠르게 하면 어떤 일이 벌어질까? 끊임없이 계속해서 분자, 원자의 진동을 빠르게 하면 무한히 온도가 올라갈 것 같지만 그 진동 또한 한계점이 있다.
진동이 급격히 빨라지다 보면 물질은 그 본래 존재하던 형태를 유지할 수 없게 된다.
하지만 인간은 호기심이 강하여 무엇이든 끝장을 봐야 하기에 한계점을 보려 한다. 지구에서 볼 수 있는 마그마는 모든 것을 녹여버린다. 하지만 그 온도는 1400도 정도이다.
우리가 생각하는 가장 뜨거운 것은 무엇일까? 맞다. 그것은 태양이다.
태양은 외부온도가 2000도 정도이며 흑점은 4000도 표면은 6000도 정도라고 한다. 이것만으로도 마그마는 일순 증발해 버릴 온도이다. 하지만 태양표면에서 수천키로 떨어진 태양의 대기층의 코로나 현상은 섭씨 100만도에 달한다.
그러면 이것으로 끝일까? 아니다. 초신성이 폭발할 때 온도는 이론상 5500만도라고 한다. 장대한 최후의 순간다운 열기이다. 이쯤 되면 섭씨 100도에서 충분히 대부분의 음식 조리가 가능한 우리들의 뇌로는 이해하기 가 힘들어진다. 이것은 과학자들의 이론상의 수치에 불과하다.
하지만 인간은 지구상에서 이것을 능가하는 온도를 만들어 냈다. 이 기록은 기네스북에도 실렸는데, 미국 원자핵 물리학 연구소인 뉴욕 국립 브룩헤이븐 연구소의 거대한 입자가속기에서 만들어졌다. 결과는 섭씨 4조도이다! 태양보다도 25만배나 뜨거운 기록이다.
하지만 이것은 입자의 충돌로 10억분의 1초 동안만 지속되었다고 한다. 그리고 놀랍게도 이 높은 온도에서도 기체가 아닌 액체 상태를 유지했다는데 경악을 금치 못했다.
과학자들은 RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)실험실에서 금이온이 거의 빛에 가까운 속도로 충돌하며 생성된 엄청난 온도를 발생한 빛의 색으로 측정했고 한다.
*절대열?
이쯤에서 그럼 절대열이란 몇도일까 궁금증이 증폭된다. 4조도까지는 실험으로 실증되었다고 치고 그 이상도 가능하다는 말인가? 절대열의 수치는 이렇다. 14구 2천양도.
이게 뭔 소리야 라고 생각될 것이다. 많아도 조(兆)단위까지 밖에 사용하지 않는 우리에게는 생소한 수치다. 잠깐 대수를 알아보자.
일(壹) = 1
십(十) = 10
백(百) = 10의 2승
천(千) = 10의 3승
만(萬) = 10의 4승
억(億) = 10의 8승
조(兆) = 10의 12승
경(京) = 10의 16승
해(垓) = 10의 20승
자(秭) = 10의 24승
양(穰) = 10의 28승
구(溝) = 10의 32승
간(澗) = 10의 36승
정(正) = 10의 40승
재(載) = 10의 44승
극(極) = 10의 48승
항하사(恒河沙) = 10의 52승
아승기(阿僧祇) = 10의 56승
나유타(那由他) = 10의 60승
불가사의(不可思議) = 10의 64승
무량대수(無量大數) = 10의 68승
구골 = 10의 100승
아산키야 = 10의 140승
센틸리온 = 10의 303승
구골플렉스 = 10의 10승의 100승
구골플렉시안 = 10의 10승의 10승의 100승
그레이엄 수 = G64(4)라는 표기로 커누스 윗화살표 표기법을 이용하는데 10진수 표기로는 기술이 불가능하다. 그레이엄 수를 아주 작은 1포인트 크기로 인쇄하더라도, 그 수의 전체 길이는 우주의 직경보다 더 크다.
이제는 그 의미를 알 것이다. 14구(溝)는 10의 32승도이다.
이것은 우주가 빅뱅에 의해 탄생했을 때 1플랭크 시간 경과후의 온도라 한다. 찰나의 순간 발생하는 온도인 것이다.
이론상의 끝은 여기까지다. 여기서 더 무엇이 있는지는 아직 밝혀지지 않았다.