일러스트레이션 김수진 記者 soojin@donga.com
金在鎬 科學評論家
어렸을 적 본 中國 武俠 映畫에선 相對方이 쏜 장풍(힘)을 이리저리 휘감아(뒤틀어) 分散시키곤 했다. 힘은 漸漸 巨大해지지만, 우리의 主人公은 조용히 눈을 감고 太極 模樣으로 손을 휘젓는다. 世上의 理致는 비슷한 걸까. 科學의 世界에서도 ‘굽힘파’라는 힘의 連鎖를 螺旋形의 ‘뒤틀림派’로 制御한다는 硏究 結果가 나왔다.
젊은 天才 物理學者 리처드 파인먼(1918∼1988). 그는 每日 저녁 스파게티面의 한 가닥을 구부려 부러뜨리며 왜 正確히 2個로 안 나눠지는지 疑訝해했다. 유별난 性格이었던 파인먼은 甚至於 집에 찾아오는 손님들에게도 面 가닥을 徐徐히 부러뜨려 보라고 勸誘했다. 그 結果 파인먼의 廚房과 食卓엔 스파게티면 破片들이 櫛比했다. 파인먼은 죽을 때까지 그 理由에 對해서 正確히 알지 못했다.
數十 年이 흐른 2006年, 이그노벨賞의 物理學 部門을 受賞한 프랑스의 두 科學者는 다음과 같은 實驗을 紹介했다. 이그노벨賞은 엉뚱한 硏究로 世上을 놀라게 한 科學者나 一般人들에게 授與되는 노벨賞 리그 밖의 잔치이다. 마른 스파게티面의 한 가닥 한쪽 끝을 固定시키고 反對쪽에서 徐徐히 구부리며 特定 地點에서 面 가닥을 놓아 부러뜨렸다. 그 結果 스파게티面의 가닥은 大部分 2個 以上으로 부러졌다.
스파게티面의 한쪽 가닥을 놓으면 놓은 地點에서부터, 그 가닥의 휘어진 程度를 나타내는 曲率이 漸次 增加한다. 튕겨나가기 때문이다. 힘의 波動은 面 가닥을 타고 흘러간다. 굽힘파가 發生하는 것이다. 왜냐하면 面 가닥은 元來 모습인 平平한 狀態로 펴지려 하기 때문이다. 實驗하고 있는 스파게티面의 가닥에서 曲率은 漸次 늘어나 臨界點을 超過하는 瞬間 面 가닥은 부서진다.
첫 番째 부서짐에 따라 2個로 나뉜 스파게티면 가닥 兩쪽에서 굽힘파가 흘러간다. 이를 ‘스냅 백’ 效果로 부른다. ‘스냅 백’ 效果는 구부러진 麵의 가닥에서 굽힘파가 振動하면서 轉移되는 것이다. 따라서 스파게티면 가닥은 도미노처럼 잘게 부서지기 始作한다. 이 實驗이 重要한 理由는 부서지기 쉬운 橋梁의 幅, 人間의 뼈 等이 왜 2個 以上으로 부서지는지 說明할 수 있기 때문이다. 그렇다면 어떻게 해야 正確히 2個로 부러지도록 구부릴 수 있을까?
다시 12年이 흐른 最近, 美國 매사추세츠工大(MIT) 硏究陣은 美國 國立科學院會報에 스파게티면 가닥을 正確히 2個로 부러뜨리는 方法을 發表했다. 그 方法은 바로 剛한 ‘뒤틀림(twist)’파를 利用하는 것이다. 面 가닥을 엄청 세게 뒤틀어 구부려 놓으면 正確히 2個로 부러뜨릴 수 있다. 배배 꼬인 스파게티면 가닥은 特定 水準에 到達하면 正確히 2個로 나뉘었다. 實驗에 쓰인 面은 2種類로 가닥 斷面이 圓筒形(실린더)으로 생긴 것이다.
硏究陣이 만든 裝置는 于先 兩쪽에서 스파게티面의 가닥을 固定시킨다. 그리고 한쪽에선 마른 面 가닥을 다양한 程度의 힘으로 回轉하며 뒤트는 實驗을 數百 番 進行했다. 다른 쪽에선 뒤틀고 있는 쪽으로 미끄러지듯이 다가가 구부렸다. 秒當 100萬 프레임으로 撮影한 끝에, 거의 360度로 뒤튼 스파게티면 가닥은 兩쪽 가닥에서 漸次 구부러지기 始作해 2個로 토막이 났다.
MIT 硏究陣은 2006年 이그노벨賞을 탄 科學者들이 着眼해 놓은 數學的 모델링을 適用해 보았다. 그 結果 25.4cm 길이의 스파게티면 가닥을 270道路 뒤틀고, 秒當 3mm 速力으로 兩쪽을 구부렸을 때 두 동강이 났다. 그 理由는 두 가지다. 첫째, 뒤틀림 때문에 ‘스냅 백’ 效果가 弱해졌다. 面 가닥은 애初에 구부러졌던 反對 方向으로 튀어 올랐다. 둘째, ‘뒤틀림 백’ 效果 때문이다. 面 가닥은 뒤틀린 方向과 本質的으로 다른 反對 方向으로 코르크 마개의 螺旋形처럼 앞뒤로 움직이며 풀렸다. 卽, 뒤틀림派가 發生하며 面 가닥의 에너지를 放出했고, 追加的으로 發生하는 龜裂을 없앴다.
要컨대, 뒤틀림파는 굽힘파보다 훨씬 빠르게 移動해 에너지를 面 가닥이 부서지는 特定 水準까지 쌓이지 않도록 分散시켰다. 이番 實驗 結果는 多纖維 構造 物質, 나노튜브, 細胞 안 微小管(微少管) 等에 適用될 수 있다. 螺絲를 조일 때 直線이 아니라 螺旋形으로 돌려야 단단히 박힌다. 와인의 코르크 마개는 甁마개와는 달리 부드럽게 돌아가며 열린다. 커브로 던진 공은 他者의 視線을 分散시켜 三振을 誘導한다.
뒤틀리고 꼬인 것들이 때론 좋은 結果를 불러오기도 한다. 스파게티麵발을 젓가락이 아니라 포크로 비비 꼬며 맛있게 먹는 理由도 아마 좀 더 부드럽고 여유롭기 위함이 아닐까. 오늘 저녁엔 麵발이 지닌 힘의 世界를 想像하며 스파게티를 準備해야겠다.
金在鎬 科學評論家
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