손호재 거제대 기계공학과 교수

<기고>질량보존의 법칙과 과거의 지구

- 현재 인간이 차지한 질량은 과거의 공룡의 질량이 변한 것일까?

2023년 2월 1일 10:12 우리 모두는 물리학적으로 다양한 보존의 법칙들과 함께 살아가고 있다.

물리학에서 말하는 보존의 법칙은 계(System)의 상태가 변화할 때 바뀌지 않고 불변하는 것을 말한다.

그 대표적인 것들이 에너지 보존, 질량 보존, 운동량 보존, 각 운동량 보존 등이 있다.

그것들 중에 인간에 가장 쉽게 이해할 수 있는 것이 질량 보존의 법칙이 아닌가 한다.

이 질량 보존의 법칙은 화학의 아버지인 프랑스 화학자 A.L. 라부아지에가 정식적으로 법칙화 했다.

질량 보존의 법칙은 화학 반응 전 질량이 화학 반응 후 질량과 같다.

즉, 그 상태 변화에 상관없이 질량은 일정하고 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질이 갑자기 추가적으로 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재하게 된다.

만약 지구 전체를 하나의 시스템으로 보자. 과거와 현재는 질량 보존의 법칙에 따라 총 질량은 유지되는 것이다.

그러면 인간이 존재하지 않던 공룡의 시대에 질량과 공룡이 없는 현 시대의 질량은 같다.

공룡이 사라진 시대에 공룡이 차지했던 질량은 무엇으로 형태 변환을 했을까?

지금 인류 78억 명의 질량은 과거의 공룡에서 상태 변화를 한 것은 아닌지?

이것이 사실이라면 인간의 살과 뼈는 공룡 시대의 살과 뼈가 복잡하고 수천 만 년을 화학적으로 변해서 현재로 환원된 것일 수 있다.

이것 때문에 어떤 종교에서는 억겁의 시간이 지난 뒤에 인간은 환생한다고 하는 것인지 모르겠다.

사실 여부를 떠나 질량 보존의 법칙은 밀폐된 닫힌계에 한정이 된다.

우리가 사는 지구가 밀폐된 하나의 시스템이 아니라 지구가 생성된 이후 우주에서 무수히 많은 질량 변화를 가져오는 이벤트가 발생한 것은 분명하다.

그래서 질량 보존의 법칙은 예외가 존재하는 것이다. 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다.

계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 바로 열린 시스템이다.

무척 큰 화학적 변화인 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 빠져나가는 열, 일, 전자기적 방사선은 지구 시스템인 지구 계의 질량 감소량을 측정하기에는 사실 너무 작다.

질량과 에너지가 전부 닫힌계인 고립계에서의 질량 보존 법칙은 어떤 관성계에서 봐도 현대 물리학적으로 보면 참이 된다.

하지만 분명하게 열린 시스템과 내부의 거대한 화학적 변화는 명확하게 예외가 될 수 있다는 것이다. 질량은 완벽하게 보존도 되지 않는다.

질량 보존의 법칙은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다.

그것은 특정한 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다.

그러나 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하면 내용은 달라진다.

또한 보존의 개념에 특정한 어려움이 있다. ‘물질’이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다.

상대성 방정식이 ‘질량이 없는’ 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보기 때문이다.

그러므로 역학의 범위나 정의에 따라 질량 보존의 법칙은 다양한 참과 거짓이 존재할 수 있는 것이다.

다시 한 번 묻는다. 현재 인간이 차지한 질량은 과거의 공룡의 질량이 변한 것일까?

그 답이 쉽고 확실하게 확정되지는 않겠지만 만물이 화학적인 반응으로 변화를 지속하고 있고 과거 수천만 년 전 공룡의 뼈와 살은 화학적 변화를 했고 지금도 변화를 계속하고 있다는 것은 사실이다.

지구라는 하나의 시스템으로 봐도 세상의 어느 하나도 과거에서 오지 않은 것이 있겠는가?

이에, 우리가 공룡의 자손이라 해도 틀린 말은 아닐 것이다. 기분 나빠 하지 말라.

유구한 자연의 역사를 보면 찰나의 순간을 사는 우리가 이 어려운 답을 하는 것은 이 순간의 생각이다. 그래서 인간은 자연 앞에 겸손해야 되는 것은 아닌지 모르겠다.

손호재(거제대학교 기계공학과 교수) 작성