Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 외우기 잘 하는 법이 있을까요?????
안녕하세요. 개인의 경험보다는 실제 어느정도 증명된 방법을 인용해서 설명을 드리겠습니다. 제가 개인적으로 사용하는 방법 또한 그 안에 포함되기 때문에 충분히 도움이 될 것으로 예상됩니다. 외우기는 흔히 암기(記憶 ; memorozation)라고 부르기도 합니다. 암기력 향상 이라는 문구들도 주변에서 우리가 쉽게 접할 수 있습니다. 암기를 효과적으로 수행하기 위해서는 뇌의 정보 처리 방식을 이해하고 활용하는 것 입니다. 단순히 반복해서 읽는 것만으로는 장기 기억(long-term memory)에 효과적으로 저장되기 어렵기 때문에, 과학적으로 입증된 기억 향상 전략을 적용하는 것이 필요합니다. 먼저, 단순한 읽기(re-reading)보다는 적극적 회상(active recall)이 기억에 훨씬 효과적입니다. 즉, 외운 내용을 직접 머릿속에서 떠올리는 과정이 중요합니다. 실제로 제가 학창시절에 사용하던 방식으로 추천드립니다. 공부한 내용을 가리고 스스로 문제를 내보면서, 입으로 되뇌이는 방법을 활용했습니다. 연구에서는 플래시 카드(flashcards) 시스템이나 퀴즈 형식의 테스트를 활용하는 것을 권장하고 있습니다. 또한, 단기 기억에서 장기 기억으로 정보를 전이시키기 위해서는 반복의 간격을 조절하는 것이 중요합니다. 학습한 내용을 짧은 시간 간격으로 반복하기 보다는 점점 더 긴 간격으로 복습하는 방식이 장기 기억 형성에 유리합니다. 수학을 공부할때 직접 활용했던 방법으로 물결치는 수학이라고 표현하기도 했습니다. 물결이 계속 치고 오듯이 끊임없이 문제를 푸는 것을 말합니다. 예를 들어, 1일 후 첫 복습, 3일 후 두 번째 복습, 7일 후, 10일 후, 14일 후 .. 이런 방식으로 처음 보았던 것을 반복적으로 복습하면 1일 후 복습하는 시간보다 훨씬 짧게 끝이 나기도 하고, 기억이 오래 남습니다. 이 방식은 실제 연구에서는 에빙하우스의 망각 곡선(Ebbinghaus Forgetting Curve) 연구에서 도출된 결과이며, 망각이 일어나기 전에 적절한 시점에서 정보를 다시 떠올리면 기억을 더욱 강하게 형성할 수 있습니다. 위와 같은 내용을 더 폭넓게 접근하고 싶으시다면 Roediger, H. L., & Karpicke, J. D. (2006). The Power of Testing Memory: Basic Research and Implications for Educational Practice. Perspective on Psychologycal Science, 1(3), 181-210. 과 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 탄소 기반의 두 물질인 흑연과 다이아몬드는 구조상 어떤 차이점이 있어서 단단함의 큰 차이를 보이나요?
안녕하세요. 흑연(graphite)과 다이아몬드(diamond)는 모두 탄소(C)원자로만 구성된 동소체(allotrops)이지만, 원자 간 결합 방식과 결정 구조(crystal structure)의 차이로 인해 물리적 성질이 극명하게 다릅니다. 특히, 다이아몬드는 자연에서 발견되는 가장 단단한 물질 중 하나로 알려져 있는 반면, 흑연은 연약하고 쉽게 부서지는 성질을 가지며, 이러한 차이는 원자 수준에서의 결합 방식과 형성 조건에 의해 결정됩니다. 우선, 다이아몬드는 정사면체형(tetrahedral) 구조를 가지며, 각 탄소 원자는 sp³ 혼성화(sp³ hybridization)를 통해 4개의 다른 탄소 원자와 강한 공유 결합(σ 결합, sigma bond)을 형성합니다. 이와 같은 결합 방식은 다이아몬드 결정 전체에 걸쳐 강한 3차원 네트워크(three-dimensional network structure)를 형성하며, 이로 인해 매우 높은 경도와 강도를 나타냅니다. 이러한 구조적 특정 덕분에 다이아몬드는 극도로 높은 압력과 마찰에도 쉽게 변형되지 않는 특성을 가지며, 이로 인해 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나로 인정받고 있습니다. 반면, 흑연은 층상 구조(layered structure)를 가지며, 각 탄소 원자는 sp² 혼성화(sp² hybridization)되어 평면적으로 육각형 벌집 구조(honeycomb lattice)를 형성합니다. 이때, 각 탄소 원자는 3개의 인접한 탄소 원자와 강한 공유 결합(σ 결합)을 이루지만, 네 번째 전자는 비편재화(delocalization) 되어 층 사이에서 자유롭게 이동합니다. 흑연과 층과 층 사이에는 반데르발스 힘(Van der Waals force) 이 작용하여 약한 결합력을 갖기 때문에, 외부 힘에 의해 층이 쉽게 분리되거나 미끄러질 수 있습니다. 이러한 성질 때문에 흑연은 부드러우며, 연필심과 윤활제(lubricant)로 활용될 수 있습니다. 두 물질이 형성되는 지질학적 조건 또한 차이를 보입니다. 다이아몬드는 매우 높은 압력(>5 GPa)과 고온(>1000°C)의 환경에서 탄소 원자가 안정적인 sp³ 혼성화를 이루면서 생성됩니다. 이러한 조건은 주로 지구 내부의 맨틀 깊은 곳(150~200 km) 에서 형성되며, 마그마 활동을 통해 지표로 상승하여 발견됩니다. 이에 반해, 흑연은 상대적으로 낮은 압력과 온도에서 안정한 구조를 이루며, 지각 내 퇴적층이나 변성 작용(metamorphism)을 거친 탄소 화합물이 오랜 시간에 걸쳐 흑연으로 변할 수 있습니다. 결과적으로, 다이아몬드와 흑연의 물리적 성질 차이는 원자간 결합 방식과 결정 구조에 의해 발생하며, 다이아몬드는 3차원적으로 강한 공유 결합이 이루어지는 반면, 흑연은 층간 결합력이 약하여 쉽게 분리될 수 있습니다. 이러한 차이는 두 물질이 형성되는 압력과 온도의 차이에 의해 더욱 극명하게 드러납니다. 이런 내용들을 폭넓게 접근하고 싶으시다면 Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction. John Wiley & Sons. 또는 Oganov, A. R., & Glass, C. W. (2006). Crystal Structure Prediction Using Ab Initio evolutionaty Techniques: Principles and Applications. The Journal of Chemical Physics, 124(24), 244704. 와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 기체 분자의 운동량은 어떤 요인의 의해서 결정이 되나요?
안녕하세요. 고전 역학에서 운동량(𝑝)은 아래와 같이 정의할 수 있습니다 : 𝑝 = mv 여기서, 𝑝는 운동량(momeutum), m은 기체 분자의 질량(molecular mass), v는 기체 분자의 속도(velocity)입니다. 이 식에 따르면, 기체 분자의 운동량은 질량과 속도의 곱으로 결정되며, 속도가 증가하면 운동량도 커지게 됩니다. 따라서 기체 분자의 속도를 결정하는 물리적 요인들이 결국 운동량의 크기에 직접적인 영향을 미칩니다. 온도는 기체 분자의 평균 운동 에너지(Average Kinetic Energy)를 결정하는 가장 중요한 요인입니다. 기체의 평균 운동 에너지는 다음과 같이 표현할 수 있습니다 : Eₖ = (3/2) kᵦ T 여기서, Eₖ는 기체 분자의 평균 운동 에너지(kinetic energy), kᵦ는 볼츠만 상수(Boltzmann Constant ; 1.38 × 10⁻²³ J/K), T는 절대 온도(Kelvin)입니다. 이 식에 따르면, 온도가 높아질수록 기체 분자의 평균 운동 에너지가 증가하며, 이에 따라 개별 분자의 속도도 증가합니다. 따라서 기체 분자의 온도가 상승하면 속도가 빨라지고, 결과적으로 운동량도 증가합니다. 특히, 이상 기체(ideal gas)의 속도 분포를 설명하는 맥스웰-볼츠만 속도 분포(Maxwell-Boltzmann Velocity Distribution)에 따르면, 온도가 상승할수록 기체 분자의 속도 분포가 넓어지면서 평균 속도가 증가합니다. 이로 인해 기체 내에서 운동량을 가진 분자들의 충돌 빈도가 높아지고, 물리적·화학적 반응 속도에도 영향을 미치게 됩니다. 운동량의 정의에 따라, 같은 온도에서 무거운 기체 분자는 더 큰 운동량을 가지지만, 가벼운 분자는 더 빠른 속도로 움직입니다. 이를 수식으로 표현하면, 기체 분자의 평균 속도(평균 제곱근 속도 ; Root Mean Square Speed)는 다음과 같이 주어집니다 : vᵣₘₛ = √(3 kᵦ T / m) 여기서, vᵣₘₛ는 기체 분자의 평균 제곱근 속도, kᵦ는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, m은 분자의 질량입니다. 이 식에 따르면, 같은 온도에서 질량이 큰 분자는 더 느리게 움직이며, 질량이 작은 분자는 더 빠르게 움직입니다. 예컨데, 수소(H₂) 분자는 산소(O₂) 분자보다 훨씬 가볍기 때문에, 같은 온도에서도 훨씬 빠르게 확산됩니다. 기체 분자는 끊임없이 운동하며 서로 충돌합니다. 이때 기체의 압력(pressure)은 분자들이 단위 시간당 단위 면적에 충돌하는 힘과 관련이 있습니다. 이상 기체 상태 방정식(ideal gas law)으로 표현하면 다음과 같습니다 : P V = n R T 여기서, P는 압력(pressure), V는 부피(volume), n은 몰수(mole), R은 기체 상수(gas constant), T는 절대 온도 입니다. 이 방정식에서 볼 수 있듯이, 온도가 일정할 때 압력이 증가하면 기체 분자의 충돌 빈도도 증가합니다. 이는 결국 분자 간 운동량의 전달 속도를 증가시키며, 기체의 확산 속도와 반응성에도 영향을 미칩니다. 또, 기체의 부피가 증가하면 분자 간 충돌 빈도가 감소하여 평균 자유 행로(Mean Free Path)가 길어지고, 확산 속도가 달라질 수 있습니다. 반대로, 기체의 밀도가 증가하면 충돌 빈도가 증가하여 운동량 전달이 더욱 활발해집니다. 특히, 이상 기체는 밀도가 낮을수록 자유롭게 운동하며, 밀도가 높을수록 분자 간 충돌이 빈번하게 일어나 운동량 전달이 활발해집니다. 이는 냄새가 퍼지는 속도와 같은 확산 현상에도 영향을 미치며, 밀도가 낮을수록 기체 분자가 더 쉽게 확산할 수 있습니다. 이와 같은 내용을 심도 있게 접근하고 싶다면 Fundamentals of Statistical and Thermal Physics (Reif, 2009, McGraw-Hill)와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 우리지구에서 사는 생물중에서 다른 행성에서 살수 있는 생물도 있나요?
안녕하세요. 극한 생물은 서식하는 환경의 극단적인 조건에 적응한 생물들을 의미하며, 이들 중 일부는 우주 환경에서도 생존할 가능성이 제기된 바 있습니다. 먼저, 저온 생물(Psychrophiles)은 0°C 이하에서도 활발한 대사를 유지할 수 있는 미생물로, 남극의 얼음층, 심해, 극지방의 영구 동토층(Permafrost)에서 발견됩니다. 일부 박테리아와 곰팡이류는 -20°C 이하에서도 세포막 구조를 유지하며, 최소한의 대사 작용을 유지하는 방식으로 생존할 수 있습니다. 화성이나 목성의 위성 유로파(Europa)에서는 표면 온도가 극도로 낮지만, 얼음층 아래에는 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 크며, 이러한 환경에서 저온 생물이 생존할 가능성이 연구되고 있습니다. 특히, 지구의 극지방 빙저호(Subglacial Lakes)에서 발견된 미생물들은 유로파와 유사한 환경에서도 생존할 수 있을 것으로 예상됩니다. 우주 공간에서는 강한 우주 방사선(Cosmic Radiation)과 자외선(UV Radiation)이 생명체에 치명적인 영향을 줄 수 있지만, 일부 생물은 높은 수준의 방사선을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 특히, 데이노코쿠스 라디오두란스(Deinococcus radiodurans)는 매우 강한 방사선 환경에서도 DNA 손상을 복구할 수 있는 능력을 가지며, 이로 인해 지구상에서 가장 방사선 저항성이 강한 생물로 불립니다. 이 미생물은 지구 밖 환경에서도 생존할 가능성이 있는 생물로 연구되고 있으며, NASA와 ESA(유럽우주국)에서 수행한 실험에서 데이노코쿠스 라이도두란스가 우주 진공과 강한 방사선 환경에서도 일정 기간 생존할 수 있음이 확인되었습니다. 고온 생물은 섭씨 60~120°C의 환경에서도 대사 활동을 유지하는 미생물로, 주로 심해 열수구(Hydrothermal Vent), 화산지대, 온천에서 발견됩니다. 금성(Venus)의 대기 상층부는 높은 온도와 황산(Sulfuric Acid)구름이 존재하지만, 일부 연구에서는 고온과 산성 환경에서도 생존 가능한 미생물이 존재할 가능성이 제기되었습니다. 실제로 지구에서도 산성 환경에서 생존하는 산성호성균(Acidophiles)이 존재하며, 이러한 미생물이 금성의 대기 상층에서 생존할 가능성이 논의되고 있습니다. 또한, 목성의 위성 이오(Io)는 활발한 화산 활동이 지속되는 환경이지만, 이곳에서도 극한의 고온 환경에 적응한 생물이 존재할 가능성이 연구되고 있습니다. 이러한 연구는 우주 생물학(Astrobiology)의 중요한 연구 분야 중 하나로, NASA, ESA 등 주요 우주 기관과 학계에서 지속적으로 연구가 진행되고 있습니다. 이와 같은 내용을 폭넓게 접근하고 싶으시다면 Astrobiology: Understanding Life in the Universe (Plaxco & Gross, 2011, Cambridge University Press) 또는 Life in Extreme Environments (Rothschild & Mancinelli, 2001, Nature Reviews Micrtobiology)와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 그냥 쌓인 눈 대비 밟힌 눈은 왜 잘 안녹나요?
안녕하세요. 신선하게 쌓인 눈(Accumulater Snow)은 수많은 눈 결정(Snow Crystal)들이 느슨하게 쌓여 있는 상태입니다. 이때 눈 사이에는 많은 공기층이 포함되어 있으며, 공기는 열전도율(Thermal Conductivity)이 매우 낮기 때문에 외부의 열이 쉽게 전달되지 않습니다. 이러한 공기층이 단열(Insulation) 역할을 하여, 신선한 눈이 상대적으로 빨리 외부 온도에 반응하여 녹게 됩니다. 반면, 눈을 밟으면 눈 결정이 압축되어 밀도가 증가하고, 공기층이 줄어들면서 더 단단한 얼음 상태에 가까운 구조로 변화하게 됩니다. 압축된 눈은 공기층이 적기 때문에 외부의 열이 내부로 쉽게 전달되지 않으며, 열이 머무르기 어려운 구조를 형성하게 됩니다. 이러한 특성 때문에 밟힌 눈은 열이 더디게 전달되며, 결과적으로 녹는 속도가 느려집니다. 또한, 밟힌 눈은 단순히 밀도가 높아지는 것뿐만 아니라, 압력에 의해 일부 눈 결정이 녹았다가 다시 얼어붙으면서 얼음처럼 변하게 됩니다. 눈은 헬름홀츠 자유에너지(Helmholtz Free Energy)의 원리에 따라 외부의 압력이 가해지면 녹는점(Melting Point)이 일시적으로 낮아지게 됩니다. 즉, 사람이 눈을 밟을 때 발에 의해 가해지는 압력으로 인해 눈이 순간적으로 녹을 수 있으며, 이후 온도가 낮아지면서 다시 얼어붙는 과정이 반복됩니다. 이 과정에서 눈은 점점 더 단단하고 밀도가 높은 얼음층으로 변하여, 처음보다 훨씬 낮은 온도에서도 녹지 않는 특성을 가지게 됩니다. 끝으로, 표면 반사율(Albedo)의 차이도 중요한 요소입니다. 깨끗한 신선한 눈은 태양광을 약 80~90% 정도 반사하는 높은 반사율을 가지고 있습니다. 하지만 밟힌 눈은 밀도가 높아지고 표면이 매끄럽거나 얼음처럼 변하면서, 태양광을 더 많이 흡수하게 됩니다. 그러나 이러한 흡수율 증가에도 불구하고, 앞서 설명한 밀도 증가와 공기층 감소로 인해 실제 열전달이 원활하지 않아 쉽게 녹지 않는 결과를 초래합니다. 이러한 연구와 심도 있는 내용들을 접하고 싶으시다면 Snow and Ice Physics (Colbeck, 1997, Cambridge University Press) 또는 The Physics of Ice and Snow (Petrenko & Whitworth, 2002, Oxford University Press) 등의 책에서 다루어지고 있으며, Jounal of Glaciology와 같은 저널을 추천드립니다.