[우주 상식] 희한한 물 분자식. 가장 이상한 물질. 음펨바 효과.

[우주 상식] 희한한 물 분자식. 가장 이상한 물질. 음펨바 효과.

<출처> 나사백과사전 YouTube

물은 지구 표면의 약 72%를 구성하는

지구상 가장 풍부한 자원입니다.

그만큼 우리 주변에서

흔하디흔한 자원이라는 거죠.

그런데 이 흔한 자원이

우주에서 가장 이상한 물질이라는 것을

알고 계시나요?

물은 모든 생명체를 구성하는

기본적인 요소로

현재까지 수분을 기반으로

구성되지 않은 생명체는 발견되지 않았습니다.

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현재까지 빛, 산소, 온기

심지어 지구의 대기도

살아가는데 필요하지 않은 유기체들이 있습니다.

우주에서도 많은 미생물들이 존재할 수 있습니다.

하지만

그런 생명체들도 결국 살아가기 위해선

절대적으로 물이 필요합니다.

물은 그 자체로 지금까지 존재했던 것 중

가장 이상한 물질 중 하나이며

지구상에서뿐만 아니라 우주 어디에서도

들어본 적이 없는

신비한 특성을 가지고 있습니다.

현재까지 과학적으로 설명되지 않는 특성들이 있고,

우주에는 물이 아닌 다른 물질을 기반으로 하는

생명체를 찾는 것은 매우 불가능한 일입니다.

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오늘 이 포스팅은 이 흔하디흔한 물이

왜 우주에서 가장 이상한 물질인지

다섯 가지 이유로서 알려드리겠습니다.

물의 가장 독특하고 놀라운 특성 중 하나는

바로 '표면장력'입니다.

표면장력은 분자가 서로 잡아당기는

현상 때문에 생기게 됩니다.

이는 우리가 종이컵에 물을 따를 때

물높이가 종이컵의 높이보다 높아져도

바로 흘러내리지 않는 것을 일상생활에서

흔히 볼 수 있습니다.

모든 액체는 분자를 그 상태로 유지하려고 하는

표면장력을 가지고 있습니다.

하지만 물의 표면장력은

우리가 알고 있는 다른 어떤 액체보다

훨씬 높습니다.

이 독특한 특성은 지구 생명체의 진화에

상당한 영향을 미쳤는데요.

예를 들면, 이 특성은 80%의

수분으로 구성된 혈액이

중력을 이겨내며

우리의 몸을 순환할 수 있게 해주는

특성입니다.

가느다란 관이 액체에 꽂혀있는 상태가 되었을 때

표면장력이 높은 물과 같이

부착력이 응집력보다 큰 경우에는

액체가 관을 타고 계속하여

올라가는 모습이 관찰됩니다.

이 현상을 '모세관 현상'으로 부르며

표면장력으로

설명할 수 있는 현상입니다.

바로 이런 특성이 앞서 설명한 것처럼

중력을 이겨내며 혈액이 우리 몸속을

순환할 수 있는 원리이기도 합니다.

이는 뿌리를 통해 수분을 공급받은 나무가

나무 꼭대기까지 수분을

이동시킬 수 있는

원리이기도 합니다.

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그리고 표면장력을 보여주는

또 다른 장면이 있습니다.

물방울을 물에 떨어트릴 때

초고속 카메라로 본다면 물방울이 생성되었을 때

표면장력이 가장 강한 상태이므로

물 위에 물방울이 떠있는 것이 확인되죠.

이런 현상은 중력 때문에 떨어지는 힘보다

물을 구성하고 있는 수소의 결합 등으로 인한

분자 간 힘이 더 강하기 때문인데요.

즉, 표면장력이 중력을 이겨버린다는 거죠.

대부분의 액체는 표면장력이 존재합니다.

하지만 물의 이상한 점은

이 표면장력이 높아도 너무 높다는 게 문제입니다.

그 표면장력은 너무도 높은 나머지

물보다 밀도가 더 높은 동전도 띄울 수 있죠.

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기본 법칙을 무시하는 '물'

일반적으로 물체는 가열될 때

팽창하고 냉각되면 크기가 줄어듭니다.

금속 가열 팽창 실험을 보면 차가운 쇠구슬이

비슷한 크기의 구멍을 무리 없이 통과하지만

가열된 쇠구슬의 경우 통과하지 못합니다.

이는 물질의 기본 법칙인데요.

물질을 가열하면 분자가 요동치며 부피가 팽창되고

물질을 가열하면 분자가 요동치며

부피가 팽창되고

차갑게 식히면 분자 간의 거리가 수축되어

부피가 줄어드는 원리이기 때문이죠.

이처럼 본래 물질은 가열하면 팽창하고

냉각되면 수축합니다.

하지만, 이 기본 법칙은 물에 적용되지 않습니다.

물은 반대로 냉각될 때, 팽창되기 때문이죠.

용기에 얼음을 넣은 후

얼음의 부피를 기록한 뒤

따뜻해질 때까지 기다리면

액체화된 물은 고체 형상보다

더 작은 부피를 차지합니다.

이 특징은 우리가 생수병을 냉동실에

넣어놨을 때

나중에 꺼내보면 페트병이 부풀어져 있는

현상과 동일한 현상입니다.

이런 현상은 현재까지

물의 분자식 구조가 온도에 따라

어떻게 변하는지에 따른 결과인 것으로는

확인되었지만

그 직접적인 원인에 대해서는

현재까지 밝혀진 바가 없습니다.

일반적인 논리로는 차가운 물질이

어는 점과 더 가까이 있어

더 빨리 얼고 뜨거운 물질은 어는 점과

온도 차이가 커 늦게 얼게 될 것입니다.

이는 '물'에 해당하지 않습니다.

물은 뜨거운 물이 차가운 물보다

더 빨리 어는 현상이 있습니다.

이 현상은 처음 논문을 쓴 탄자니아의

베라스토 음펨바 청년의 이름을 따서

'음펨바 효과'로 지어졌습니다.

추운 지방에 사는 사람들이

뜨거운 물을 위로 뿌리며

물이 바로 얼어버리는 많은 영상이 존재하는데요.

이런 현상은 음펨바 효과가 아닌

추운 지역에서 물이 작은 물방울들로

뿌려지면서 추운 공기와 만나

얼어버리는 현상으로

음펨바 효과와는 다른 효과이니

혼동하지 마시기 바랍니다.

바로 이 음펨바 효과는 상식적으로

이해하기 힘들지만

실제로 관측 가능한 현상이며

동시에 현재까지 많은 과학자들이

풀지 못한 난제 중 하나입니다.

캄브리아기 대폭발

캄브리아기 대폭발은 기원전 약 5억 3천만 년 전

고생대 캄브리아기 초기의 다양한 종류의

화석들이 갑작스레 출현한 지질학적 사건으로

대폭발 이전의 대부분의 생물들은

단세포 또는 작은 다세포 유기체로 구성된

상대적으로 단순한 구조였습니다.

하지만 이후 캄브리아 초기를 지나는 동안에

생명의 다양성은 훨씬 더 복잡해지고

오늘날과 비슷해지기 시작했습니다.

오늘날 지구상의 모든 동물 문의 초기 형태가

이 시기에 나타난 것입니다.

다양한 동물들이 폭발적으로 나타났으며,

여러 가지 감각기관의 분화도 생겼고

척추동물이 속한 척삭동물의 화석도

이 시기 지층에서 발견되었습니다.

지구의 시간을 24시간으로 요약한다면

인류의 탄생은 단 '2분 전'

인류의 탄생 이전에는 셀 수 없을 정도로

다양한 생명체들이 지구에 존재했고

또 사라져갔습니다.

지구의 생명이 탄생한 이후 동물이 존재하기 이전

대부분의 생명체는 단순하고

거의 움직이지 않는 생명체로 존재했습니다.

그리고 그 생명체 중 대부분은

생존하기 위해 산소조차 필요하지 않았죠.

아마 그 당시 같은 지구에 존재했던

많은 생명체들은 물과 산소를 기반으로

존재하는 지금의 동식물들과는 전혀

닮지 않은 동식물로 가득 찬

완전히 다른 외계의 풍경이었을지도 모릅니다.

그리고 이 캄브리아기 대폭발로부터

생명체의 존재가 다양해진 출처는

바로 '바다'입니다.

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현재까지 과학자들 사이에서

물의 어떤 특징으로 인해

이 시기 생명체의 종류가

폭발적으로 많아졌는지에 대해서는

다양한 의견이 있습니다.

하지만 모든 것은 가설이며

그 원인에 대해서

제대로 밝혀진 바는 없습니다.

도대체 물의 어떤 특성으로 인하여

생명체의 종류가 폭발적으로 늘어나게 된 것일까요?

지금까지 설명한 바에 따르면

물이 없다면 생명체는 존재하지 않았을 것입니다.

물은 다른 어떤 물질이 가질 수 없는

독특한 특성으로 인해

생명이 탄생한 것으로 생각해 보면

생명을 시작하는데 필요한 단 하나의 물질이

이 지구에 나타난 원인에 대해서도

궁금해집니다.

여기에는 물이 얼음의 형태로 혜성에 붙어

지구에 떨어져 생겨난 것이라고

이야기하는

가설도 있고

지구의 지각 변동으로 인하여

갈라진 지각 사이에서 용암으로부터

수증기가 발생하였고

이 수증기가 증발하고 구름을 만들어

비를 내리는 순환과정이 생겼다고

이야기하는 사람들이 있습니다.

하지만 이 역시 미지의 세계입니다.

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물은 상온에서 액체 상태일 수 없다.

물이 0도에서 얼고 100도에서 끓는다는 사실

이는 당연하지만 과학의 눈으로 본다면

굉장히 이상한 일이 아닐 수 없습니다.

모든 원소는 어는점과 끓는점

분자량에 비례해서 증가합니다.

물은 다른 산소족 원소의 수소화합물과

비교해 볼 때

물은 '섭씨 영하 110' 도에서 얼고

'섭씨 영하 80' 도에서 끓어야 합니다.

그렇다면 당연하게도

물은 상온에서 기체 상태로 존재하여야 합니다.

하지만 단연하지 않게도 물은

상온에서 0도에 얼고 100도에 끓습니다.

상온에서 물이 액체로 존재하는 것은

물만이 가지고 있는 특성인 것입니다.

물과 조성이 비슷한 다른 분자들을 보면

물만 특이하다는 것을 눈치채게 됩니다.

각 분자들은 수소 원자 2개에

텔루르 원자, 셀렌 원자, 황 원자가 하나씩 결합해

물과 조성이 비슷합니다만

모두 상온에서 기체입니다.

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물이 만약 조성이 비슷한 이 물질들의

성질을 따르게 된다면

물은 영하 100도와 영하 90도 사이에서

액체가 될 것입니다.

만약 이렇게 된다면 지구에는 액체 상태의

물이 사라지게 될 것입니다.

이렇게 우주에서 가장 이상한 성질을

갖고 있는 물은

과연 어디로부터 온 것일까요?

그리고 그 물이 지구라는 행성에 오게 된 것은

단순한 우연일까요

아니면 계획된 것일까요?

 

<출처> 나사백과사전 YouTube