지구의 표면은 두꺼운 공기층으로 싸여 있다. 옛날 사람들은 물속의 고기처럼 공기가 어디에나 있는 것을 극히 당연하게 받아들였다. 공기가 없는 세계는 머리 속에 떠올릴 수조차 없었던 것이다. 그러나 인간이 우주여행을 하게 된 요즘에는 달에는 공기가 없고 천체와 천체 사이에는 아무 것도 없는 세계가 있다고 믿고 있다. 정말 우주공간은 진공의 세계일까? 다음 문제들을 풀어보면서 진공의 세계로 들어가 보자.
문제
1 진공은 다음 네 곳 중 어디에 있을까?
① 별과 별 사이의 공간
② 백열 전구 안
③ 원자와 원자 사이의 공간
④ 깊은 바닷속
2 지갑이 '텅 비어있다'는 것과 진공에서 말하는 '아무 것도 없다'는 것은 다르다. 그 차이를 분명하게 하기 위해 설명한 것 중 부적절한 것은?
① 아무것도 없는 진공 속에서도 빛은 지나갈 수 있다.
② 아무것도 없는 천체와 천체 사이의 진공 속에서도 만유인력이 작용하고 있다.
③ 텅 빈 곳에서도 시간은 흐를 수 있다.
④ 텅 빈 지갑은 다만 용기일 뿐이다. 진공은 공기만 없을 뿐이고 여러가지 물리적인 힘들은 작용하고 있다.
3 다음은 진공 속에서 일어날 수 있는 현상들을 모아 본 것이다. 일어나기 힘든 것은?
① 양초의 불꽃이 공기가 있는 유리종에서 보다 빨리 꺼진다.
② 방울소리가 들리지 않는다.
③ 고전압을 걸어주면 음극에서 전자가 튀어 나온다.
④ 우주복을 입고 들어가면 몸이 떠 다닌다.
4 진공을 처음으로 만들어 사용했던 사람들은 유럽의 광산업자들이다. 광석을 파내면 굴이 점점 깊어져 깊이가 10m 이상이 되면 물이 올라 오지 않는다. 왜 이런 현상이 일어나는가를 설명해 달라는 업자들의 질문을 받은 갈릴레이는 무척 고심했으나 잘 해결할 수가 없었다. 이 문제를 해결한 사람은 그의 만년의 제자였던 토리첼리였다. 그가 해결한 방법은?
① 수동펌프에 의해 만들어진 부분에 '진공혐기'(진공을 싫어하는 물질)가 생겼기 때문이다.
② 더 강력한 추진력의 펌프를 사용해서 문제를 해결했다.
③ 비록 땅 밑이라고 해도 공기가 통할 수 있으므로 지구를 뒤덮고 있는 공기의 무게에 의해 물이 밀려 올라 온다.
④ 펌프의 피스톤 밑에 물기둥이 매달려 딸려 올라 오기 때문이다.
5 토리첼리는 진공을 만들어 놓고 그것이 진공이라는 것을 확인하기 위해 실험을 해 보았다. 그 속에 방울을 넣고 흔들어 보고 진공 속에서 물질이 타는지 살펴보기도 하고 그곳에서 동물이 살 수 있는지도 알아 보았다. 그러나 많은 사람들은 만족하지 않고 다음과 같은 질문을 했다. 다음중 그 질문에 해당하지 않는 것은?
① 유리관의 벽으로 공기는 들어가지 않을지 모르지만 공기 중에는 유리를 뚫고 들어 갈만한 성질의 물질이 전혀 없다고 말할 수 없다.
② 유리관 속의 수은이 조금이라도 증발하기 때문에 진공이라고 할 수 없다.
③ 토리첼리가 만든 것은 유리관과 수은의 부착력에 의한 것일 뿐 진공이라고 볼 수 없다.
④ 빛이 어떤 물질로 이루어진 것이라고 한다면 토리첼리의 진공도 빛이 공간을 빈틈없이 채우고 있는 것이기 때문에 진공이라고 볼 수 없다.
6 진공을 처음 발견한 사람은 17세기 이탈리아 과학자 토리첼리다. 그러나 실제로 증명한 사람은 프랑스의 파스칼이다. 토리첼리의 진공이 대기압 때문에 생기는 것이 아니라 '진공혐기'에 의해 생기는 현상이라는 주장을 부정하기 위해 파스칼은 어떤 방법으로 실험했을까?
① 토리첼리의 실험을 여러 학자들 앞에서 반복해 보여 주었다.
② 산에 올라가 높이에 따라 수은주의 높이가 변화됨을 살펴 보았다.
③ 토리첼리의 진공을 크게 만들어 그곳에 어떤 물질도 없음을 보여 주었다.
④ 성능이 좋은 진공펌프를 만들어 보여 주었다.
정답
1 ③우주공간은 검은 색으로 보이지만 인공위성 등으로 조사한 결과 1㎤ 안에 몇개 또는 몇 십개의 원자가 있음이 밝혀졌다. 그리고 백열 전구 안에도 필라멘트가 가열돼 산소와 접촉하지 못하도록 아르곤이나 질소가스를 충전시켜 놓는다. 깊은 바닷 속에는 공기가 없다고 생각할 지 모르지만 진공이라는 개념은 공기는 물론이고 다른 어떤 물질도 없는 경우를 말한다.
2 ③진공이란 그곳을 채우고 있는 물질이 없는 텅 빈 공간이란 뜻이지만 그렇다고 해도 돈 한 푼 들어있지 않은 지갑과는 그 뜻이 다르다. 빈 지갑은 다만 용기일 뿐이다. 하지만 진공은 단순한 공간이 아니라 전파나 빛이 그 속을 지나갈 수 있고 만유인력이나 전기나 자기의 힘도 통과할 수 있다. 시간의 흐름은 절대적인 시간개념을 가진 사람에게만 해당하므로 공간이 부정되는 곳에서 시간의 흐름은 의미가 없다.
3 ④진공이란 쉽게 말해서 공기가 없는 곳이다. 그런데 대부분의 사람들은 무중력 상태와 혼동하는 경우가 많다. 일반적으로 무중력상태란 지구상에서 보다 중력이 작은 곳을 의미한다. 공기만 없고 중력이 있는 곳에서라면 사람이 둥둥 떠다닐 이유가 없다. 일정한 양의 공기가 있는 유리종 안의 촛불보다 진공펌프로 공기를 뽑아낸 유리종에서 촛불은 더 빨리 꺼진다. 또 소리는 매질이 있는 곳에서 전달되므로 진공이 되면 소리가 전달되지 않는다. 공기는 전기의 부도체이므로 공기가 없는 진공 속에서 음극에 고전압이 걸리면 음극판을 이루고 있던 전자들이 튀어 나오게 된다.
4 ③많은 업적을 남긴 갈릴레이도 이 문제를 고민하다가 결국 문제 해결의 영광을 제자인 토리첼리에게 넘기고 말았다. 당시에는 아리스토텔레스의 연속설에서 유래한 '자연은 진공을 싫어한다'는 진공혐기설이 너무 만연돼 있었기 때문에 토리첼리의 진공은 인정받기 어려웠다. 당시 사람들은 펌프의 피스톤 밑에 물을 빨아 올리는 힘을 가진 '진공혐기'가 생겨서 물기둥이 딸려 온다고 믿었다. 대기가 누르는 힘에 의한다는 토리첼리의 착안은 아주 획기적이었으나 파스칼이나 게리케에 의해 증명되기까지 고난의 길을 걸을 수 밖에 없었다.
5 ③"토리첼리 관 속의 공간에는 정말 아무것도 없을까?"라는 질문이 많은 사람들에 의해 제기됐다. '진공'이라는 아무 것도 없는 공간을 인정한다는 것을 무척 불안하게 생각한 모양이다. 예를 들면 '유리를 뚫고 지나갈 수 있는 물질이 있다', 혹은 '빛도 일종의 물질이니 완전한 진공은 아니다'라는 강력한 반대들이 있었다. 파스칼은 이 문제를 다음과 같은 사고방식으로 해결했다. "인간의 감각에 의해 거기에 있다고 인정될 만한 물질이, 그 공간에는 없다는 것이 나의 실험으로 증명되었다. 그러므로 그 공간에 무엇인가 물질이 있다는 것이 증명되지 않는 한 그곳은 진공이라 해도 좋을 것이다."
6 ②파스칼(1623~1662)은 수은으로 토리첼리의 실험을 해 보고 또 12m나 되는 유리관에 물을 넣어 실험해 보기도 했다. 처음에는 그도 '진공혐기설'에 사로 잡혀 있었으나 토리첼리의 설명을 전해 듣고 그를 열렬히 지지하게 됐다. 그의 실험은 같은 관에 같은 수은으로 하루에도 여러 번 수행됐다. 한번은 산 기슭에서, 또 한번은 산꼭대기에서 토리첼리의 진공을 만들어 관속의 수은의 높이가 똑같은가 아니면 다른가를 조사했던 것이다. 그의 처남인 페리에는 수은주가 기슭에서 보다 꼭대기에서 짧아지는 사실을 발견하고는 수은을 떨어지지 않게 받치고 있는 것은 대기의 압력이라고 주장했다. 그 후 파스칼은 토리첼리의 실험 기구를 바꾸어 더 확실하게 증명했다.
