강 아래 강 Rio Abajo Rio

자동차로 충북 청원과 경북 상주 간 고속도로 하행 길을 달리다 보면 나지막이 들려오는 소리가 있다. “따르릉 따르릉 비켜나세요~” 귀에 익숙한 이 멜로디가 흘러나오는 곳은 다름 아닌 도로! 자동차 바퀴와 도로의 마찰음으로 어떻게 멜로디를 만들 수 있는 걸까? 축음기의 원리를 이해하면 이 ‘노래하는 도로’에 대한 궁금증은 쉽게 풀린다.

축음기를 포함한 모든 음향 기기는 소리를 기록한다는 것에서 출발한다. 소리를 기록하는 과정을 파악하기에 앞서 소리에 대해 짚고 넘어가 보자. 소리는 물체가 진동하면서 생긴다. 아니, 소리는 곧 진동이다. 물체의 진동은 주변을 둘러싼 공기 또한 진동시키며, 이 진동이 파의 형태로 퍼져 나간다. 유리컵에 물을 담고 컵을 두드려보면 물결이 생기는 것과 마찬가지로 전달된 파가 우리 귀에 도달하면 감각기관이 이를 소리로 인식한다.

축음기는 이러한 음파를 기록하고 재생하는 기계다. 원리를 생각해보면 축음기의 가장 간단한 구조를 예상할 수 있다. 일단 소리를 모으기에 좋은 나팔 모양의 관이 필요하고, 이 관의 끝에 작은 진동에도 잘 떨 수 있는 얇은 막을 매달아야 한다. 막은 파형을 기록할 만큼 자유롭게 움직이면서도 끝이 날카로운 물체와 연결되어 있어야 하고, 이 날카로운 물체가 파를 새길 수 있을 만큼 무른 기록장치가 필요하다. 마지막으로, 한순간이 아니라 전체 소리를 새겨두기 위해서는 기록판이나 축음기 자체 둘 중 하나가 시간에 따라 일정하게 움직여야 한다.
위의 과정을 녹음이라고 한다면 재생은 그 역순이다. 즉 기록된 파형에 따라 떨리는 바늘의 움직임이 막으로 전달되고, 이 소리가 나팔 모양의 관을 통해 확대된다.
초창기 축음기는 날카로운 물체로 바늘이나 단단한 끈을 사용했고, 기록장치로는 밀랍 등을 이용했다. 양초는 손톱으로 살짝 긁기만 해도 자국이 남는다. 이 초를 원통의 겉면에 얇게 바르고 손잡이를 달아 손으로 돌린다고 생각해보자. 이것이 초기 축음기가 파형을 기록하는 장치의 구조였다.
시간이 지나면서 축음기의 세부 구조가 바뀌었다. 우선 기록 매체는 시간이 지나면 단단하게 굳는 성질이 있는 합성수지를 사용하게 된다. 또한 기존의 축음기 바늘이 세로로 움직이던 것에 반해 가로 형태로 바뀌면서 기록 매체도 원통형으로 수직 회전하는 것이 아니라 원반 형태로 제작되는데, 흔히 ‘레코드판'이라고 불리는 LP가 그것이다. 모터를 이용해 LP를 회전시켰고 기록 매체는 합성수지로 하나의 틀을 만들어 같은 음반을 대량으로 찍어냄으로써 음반 사업이 발달했다.

전자 기술이 발달하면서 나팔관 대신 마이크가 소리를 모으는 장치로 쓰였고, 기록부분까지 전달하는 것도 본래의 진동이 아니라 마이크를 통한 전류와 자기의 강약으로 대체되었다. 하지만 진동을 통해 LP에 최종적으로 기록되는 것은 변함이 없었다. 그 후 광학 매체와 디지털 기술의 발달을 거쳐 오늘날 우리가 사용하는 CD 플레이어는 음파의 정보 자체를 기록하는 원리로 작동한다. 진동을 기록하는 것을 아날로그라고 한다면, 디지털은 말 그대로 디지털 신호를 기록하는 것이다. CD에는 디지털 신호파 형으로 기록되어 있기 때문에 플레이어를 통해 사람이 들을 수 있는 파형으로 바꾸어 준다.
일상생활에서도 축음기의 기본 원리를 이용해 간단히 재현해볼 수 있다. 어렸을 적 장난감 대용으로 사용했던 ‘실 전화’를 떠올려보자. 실 전화는 두 개의 종이컵 바닥에 작은 구멍을 뚫고 실로 연결한 다음 팽팽하게 당겨 사용한다. 그리고 한쪽 종이컵에 대고 말을 하면 크기는 작더라도 반대편 컵에 귀를 대고 들을 수 있다. 한쪽 종이컵의 진동을 실이 반대편 컵에 전달해 상대방의 귀에 닿으면 감각기관이 소리로 인식하는 것이다.

날카로운 물체가 진동을 기록장치에 기록하는 축음기와 마찬가지로 ‘노래하는 도로’에서는 도로가 기록장치가 되고, 바퀴가 날카로운 물체가 된다. 도로에 멜로디의 음파를 기록해 두면 바퀴가 음파를 재생하여 흥겨운 노래를 연주한다. ‘음악을 몸으로 느낀다.'라는 광고 문구처럼 어쩌면 음악은 듣는다기보다 몸으로 진동을 느낀다는 표현이 정확할지도 모른다.

글 : 김창규 과학칼럼리스트

강원도 양양의 점봉산 기슭에 있는 양양 양수발전소 지하 700미터에서는 우주의 비밀을 찾는 실험이 진행 중이다. 지하 700미터와 우주의 비밀… 잘 어울릴 것 같지 않은데 도대체 무슨 실험을 하고 있는 것일까?

지난 세기에 과학자들은 우주를 이루고 있는 가장 작은 소립자가 쿼크^주1임을 밝혀내고 그들 사이에 작용하는 기본 힘에 대해 이해하게 되었다. 쿼크로부터 양성자와 중성자를 만들고 양성자와 중성자로부터 핵이 만들어진다. 그리고 핵이 전자와 결합하여 원자를 만들고 원자들은 우리가 알고 있는 거시적인 물질을 만들어 내고 다시 커다란 천체와 우주를 만들어 내는 일련의 과정을 설명해 주는 것이다. 그러나 역시 과학자들은 이렇게 잘 알고 있는 물질이 우주를 이루고 있는 모든 것의 고작 4%정도에 불과하다는 것도 알게 되었다. 우주를 이루고 있는 대부분은 도대체 무엇이란 말인가?

지금으로부터 약 70년 전, 츠비키(Zwicky)라는 천문학자는 다른 은하들의 운동을 관측하던 중 그 은하들이 예상보다 매우 빠른 속도로 움직이고 있다는 것을 발견한다. 은하들이 중력에 의해서만 영향을 받는다면 은하들의 속도는 중력을 주는 물질, 즉 은하단의 전체질량에 의해 결정될 것이다. 따라서 은하의 별들의 회전 속도는 눈에 보이는 별들의 질량만 고려하면 은하의 중심에서 거리가 멀어질수록 느려져야 한다. 그러나 관측 결과는 회전 속도가 거리에 관계없다는 것이다. 그는 이렇게 빠른 속도를 설명하기 위해서는 눈에 보이는 은하들 이외에도 눈에 보이지 않는 질량이 있어야만 된다는 것을 제안하였다. 이 후에 많은 증거들이 발견되었다. 특히 각 은하에 속해 있는 별들의 회전속도는 암흑물질의 존재 없이는 설명할 수 없다. 또한 별이 거의 보이지 않는 은하의 외곽에 있는 가스들의 회전 속도도 암흑물질의 존재가 아니고는 설명할 수 없을 정도로 빠른 것이다. 보다 최근의 우주 관측은 우주의 구성이 암흑에너지 70%, 암흑물질 25% 그리고 우리가 알고 있는 보통물질이 그 나머지에 불과하다는 것을 알려주고 있다. 츠비키가 존재를 이야기한지 70년이 지났지만, 암흑물질이 무엇인가에 대한 정체는 아직도 밝혀지지 않고 있다.

우주 평균 밀도의 25%나 차지하는 암흑물질의 정체가 아직 규명되지 않고 있다는 것은 과학자들에는 아킬레스건과도 같은 것이다. 쿼크까지 알아낸 현대 과학이 우주를 이루고 있는 대부분이 무엇인지 모르고 있다는 것은 사람의 몸의 대부분을 이루고 있는 물에 대해서 전혀 모르는 것과 다를 바가 없기 때문이다. 다행히도 최근의 이론은 암흑물질에 대해서는 액시온^주2이나 윔프(WIMP)^주3 등 아직까지 발견되지 않은 소립자를 구체적인 후보로 제시하고 있다. 다른 은하와 마찬가지로 우리 은하내부에도 암흑물질이 많이 있는데 관측을 토대로 계산하여 보면 태양의 근처, 즉 지구에서 암흑물질의 밀도는 약 3 입방 센티미터에 양성자가 한 개 정도씩 있는 정도로 존재할 것으로 예상된다. 암흑물질 입자의 질량에 따라 다르지만 속도를 고려하면 대략 손톱만한 면적으로 초당 수십 만 개의 암흑물질 입자가 지나간다고 이해하면 될 것이다. 이렇게 많이 지나다녀도 반응을 하지 않으니 그 존재를 알기가 어려울 수밖에 없다. 다행스럽게도 이들이 보통의 물질을 이루고 있는 소립자들과 매우 드물기는 하지만 반응을 하기 때문에 이들 입자를 검출할 가능성이 있다는 것이 물리학자들에게는 큰 희망이라고 할 수 있다.

문제는 이렇게 암흑물질이 반응하려는 것을 보려면 지하 깊이 들어갈 수밖에 없다는 것이다. 암흑물질의 반응이 워낙 드물기 때문에 사람이 살아가는데 지장이 없을 정도로 작은 환경 방사능조차 암흑물질을 찾는 연구자들에게는 너무나 극복하기 어려운 배경잡음 신호가 되기 때문이다. 특히 우주에서 날아오는 방사능인 우주선입자는 지구의 대기에서 핵반응을 하여 이차 입자들을 만들어 낸다. 이들 이차 입자 중 뮤온^주4입자는 지표면까지 도달하는데 가로세로 약 30㎠의 면적에 초당 1개씩 날아온다. 이렇게 많이 날아오는 뮤온입자는 드물게 다른 물질과 반응하여 중성자를 만들어 낸다. 불행하게도 중성자가 만들어 내는 신호는 암흑물질의 신호와 구분할 수 없는 것이 큰 문제이다. 다른 환경방사능은 여러 가지 차폐시설을 사용하여 제거할 수 있지만, 뮤온이 차폐체나 검출기에 반응하여 생기는 중성자를 차폐할 방법이 없다. 따라서 그 근원이 되는 뮤온을 줄이는 방법이 필요하다. 뮤온을 줄이는 방법은 지하로 들어가서 뮤온이 암석과 반응하면서 줄어들기를 바라는 것이다. 지하 700미터 정도 들어가면, 뮤온이 지상보다 10만분의 1 정도로 줄어들어 암흑물질 신호를 볼 수 있을 정도로 적어진다.

세계적으로 미국, 유럽, 일본 등 십 여 곳에서 전용 지하 실험실을 마련하고 지하 깊은 곳에 암흑물질을 검출할 수 있는 첨단 실험 장비(검출기)를 설치하고 암흑물질의 반응에서 나오는 신호를 찾는 실험을 진행하고 있다. 우리나라에서는 전용실험실을 마련할 수는 없었지만 다행히도 국내기업의 도움으로 양양의 양수발전소 지하 700m 실험실에서 외국의 실험과 경쟁력이 있는 실험 장비를 개발하고 설치하여 암흑물질을 찾는 연구를 수행 중이다. 머지않아 우리나라가 세계 최초로 암흑물질의 정체를 밝혀낼 수 있길 희망한다.

글 : 김선기 서울대 물리천문학부 교수(암흑물질탐색연구단장)

암흑물질탐색연구단 바로가기 : http://dmrc.snu.ac.kr/

주1)
쿼크 (quark)
물질의 기본적인 구성입자로 추측되는 원자구성입자의 하나.
1964년 M.겔만과 G.츠바이히가 존재를 발견하여 쿼크라고 명명했다.

주2)
액시온 (axion)
전하를 가지지 않고, 매우 적은 질량을 가진 것으로 추정되는 가상의 입자.

주3)
윔프 (WIMP : Weakly Interacting Massive Particles)
우주가 생성된 직후에 생성된 것으로 추측되며, 다른 입자와 반응하지 않아 검출이 어렵다.

주4)
뮤온 (muon)
광속에 가까운 속도로 지면에 도달하는 우주선(cosmic ray)에 의해 생성되는 입자.

<참고 논문>
H.J. Kim et al., Test of CsI(Tl) crystals for the dark matter search, submitted to Nucl. Inst. Meth. SNUHEP-99-1 (Oct 1999) 14p.

나무꾼 : 저 두레박을 타면 내 아내를 만날 수 있다는 거지? 그래, 한번 타보자!
선녀 : 오늘따라 왜 이렇게 두레박이 무거울까? 영차 영차~
나무꾼 : 여보, 내가 왔소.
선녀 : 어머! 서방님이셨네요? 어쩐지 너무 무겁더라구요~

사슴의 달콤한 말에 따라 선녀님의 날개옷을 숨겨 도둑장가를 들었다가 한순간의 실수로 사랑하는 아내를 하늘나라에 빼앗겨 버린 ‘선녀와 나무꾼’이야기를 누구나 들어본 적 있을 것이다. 옛 이야기라는 게 원래 현실성이 없지만 무심코 이야기를 읽다 보면 나무꾼이 나중에 두레박을 타고 하늘나라로 올라가는 대목에서 궁금한 점이 생긴다. 나무꾼이 지상에서 하늘나라까지 두레박을 타고 올라가는 것이 가능이나 할까? 곱디고운 선녀님이 성인 남성이 탄 두레박을 끌어 올렸다는 말인데… 혹시 나무꾼과 결혼한 선녀님은 우리가 알고 있던 그런 선녀님이 아니라 하늘나라 최고의 천하장사 출신인 선녀님이지 않을까?

실제로 몇 가지 도구와 도르래를 이용한다면 그리 어려운 일만은 아닐 듯싶다.
그렇다면 도르래를 과연 어떻게 써야 할까?

도르래는 지레의 원리를 이용한 물건인데 우선 지레는 받침점, 힘점, 작용점의 세 요소가 있어야 한다. 놀이터에 없어서는 안 되는 시소를 보자. 시소가 걸쳐있는 중앙 지점이 받침점이고 내려가는 쪽이 힘점, 올라가는 쪽이 작용점이다. 이 경우 내려가는 쪽이 반대편을 위로 올리는 ‘일'을 한 셈이 된다. 지레의 원리는 우리가 전부 깨닫지 못할 만큼 많은 곳에서 활용되고 있는데, 가위나 병따개 역시 지레의 원리를 이용한다. 또한, 받침점으로부터 힘점까지의 거리가 길수록, 작용점으로 부터 받침점까지의 거리가 짧을수록 작은 힘으로 큰 물체를 움직일 수 있다. 병따개의 길이가 길수록 마개를 열기 쉬운 것은 이 때문이다.

이제 도르래의 얘기로 돌아오자. 도르래는 회전할 수 있는 바퀴의 축을 지면과 평행하게 놓고, 바퀴의 홈에 줄을 걸치는 것이 기본 구조이다. 우물에서 물을 깃는 두레박을 떠올려보자. 우물의 지붕에는 도르래가 매달려 있고 줄의 한 쪽은 두레박에 묶여있으며 나머지 한 쪽 끝은 사람이 당긴다. 이 때 도르래의 회전축이 지렛대의 받침점 역할을 한다. 물론 두레박 쪽이 지레의 작용점, 사람 쪽이 힘점이다.

두레박의 경우 사람과 두레박은 도르래를 놓고 볼 때 같은 쪽에 위치한다. 이처럼 가장 간단한 형태, 즉 바퀴의 위치가 변하지 않는 원시적인 도르래를 고정 도르래라고 한다. 하지만 고정도르래는 가운데 받침점에서 힘점과 작용점의 거리가 같기 때문에 어떠한 힘의 이득도 얻을 수 없다. 한마디로 고정도르래는 하중과 같은 크기의 힘이 필요하지만, 힘의 방향을 바꿀 수 있다. 반면에 움직도르래는 힘의 방향을 바꾸지는 못하지만, 힘의 이득을 얻을 수 있다. 따라서 여러 개의 도르래를 조합하고 또한 축이 고정되지 않은 움직도르래를 사용하게 되면 작은 힘으로 큰 질량을 움직일 수 있게 된다.



도르래를 통해 이런 힘의 효율적인 사용이 가능하기 때문에 우리 주위를 둘러보면 도르래를 이용한 탈 것들이 생각보다 많다. 자전거의 기어도 일종의 도르래를 이용한 것이라고 볼 수 있으며 우리가 거의 매일 타고 다니는 에스컬레이터나 엘리베이터도 도르래를 이용한다.

엘리베이터는 구조상 원시적인 고정 도르래로 구성되어 있다. 두레박 대신 승강차가 달려있고, 그 반대편에는 무거운 추가 달려있다. 그리고 엘리베이터의 최상단 기계부에 위치한 도르래에는 모터가 연결되어 있다. 두레박과는 달리, 추는 보조적인 역할만 한다. 승강차 자체만으로도 상당한 무게가 나가는 만큼 모터의 부하를 덜어주는 역할을 하는 것이다. 따라서 실제 승강차를 올리고 내리는 일의 대부분은 최상층의 모터가 한다고 보면 된다.

앞에서 말한 것처럼 고정도르래라면 일의 이득은 없다. 따라서 추가 감당할 수 없는 만큼의 일은 모터가 해주는 것이다. 하지만 이 모터 또한 항상 일정한 힘만 내서는 안 된다. 승강차 부분에 올라타는 사람이나 짐의 양은 가변적이기 때문이다. 그래서 엘리베이터에는 승강차에 걸리는 힘을 감지하여 그에 맞도록 힘을 조절해주는 제어부가 별도로 있어 승강차의 무게에 따라 모터의 힘과 속도를 조절하게 된다.

오늘 엘리베이터를 타고 갈 때 동료 또는 친구들에게 엘리베이터의 원리가 도르래에 있다는 것과 고정 도르래의 약점을 보완하기 위해 모터를 통해 힘을 조절하는 거라고 뽐내보는 것은 어떨까?

글 : 김창규 과학칼럼니스트