1963년 어느날 아프리카 탄자니아의 마감바 중학교.
<실제 탄지니아의 마감바 중학교의 최근 모습>
이 학교에서는 우유와 설탕 등의 재료를 끊인 후 얼려서 아이스크림을 만드는 실험이 한창이었습니다.
그 곳의 학생중 한명인 에라스토 음펨바 라는 소년이 있었는데요. 그는 남들보다 좀 늦게 아이스크림을 만들고 있었습니다.
우유와 설탕 등을 끓인 음펨바 학생은 남들보다 늦게 만들었기 때문에 당연히 끓인 아이스크림 재료를 식힐 수가 없었죠.
충분히 식힌 아이스크림 재료만 냉장고에 넣을 수 있었지만, 열심히 만든 아이스크림을 얼릴 기회를 놓칠까 봐
그냥 선생님 몰래 식히지 않고 뜨거운 재료를 바로 냉장고에 넣어버렸습니다.
그리고 얼마후 그는 살짝 몰래 다시 자기가 만든 아이스크림을 보러갑니다.
그런데
친구들이 먼저 식히고 넣어놨던 아이스크림 은 얼어있지 않고, 자기가 넣은 뜨거운 아이스크림 원액이 먼저 어는 이상한 현상을
음펨바 학생은 목격하게됩니다.
너무도 이상하기에 과학선생님께 그는 물어보러 갔죠.
근데 과학 선생님은 그 현상 보다는 몰래 아이스크림을 넣은 음펨바를 혼내기만 했습니다.
움펨바는 선생님이 잊어버리라며 혼냈지만 그 이상현상을 잊을 수가 없었습니다.
계속 그는 의문을 가지고 실험을 했지만, 결과는 마찬가지.....
기존의 상식을 엎어버린 기현상을 그는 명쾌하게 증명 할 수 없었습니다.
그러던 어느 날, 근처 대학의 물리학 교수인 데니스 G. 오스본이 음펨바의 학교를 방문했고,
음펨바는 바로 이 기회를 놓치지 않고 자신이 연구하던 뜨거운 물이 더 빨리 어는 현상에 대해 질문을 했습니다.
오스본 교수는 처음엔 흔히 아이들의 망상이려니 했지만, 음펨바가 보여준 자료 데이터는 그의 흥미를 이끌기 충분했습니다.
이에 데니스 G. 오스본 교수는 그가 연구한 현상을 직접 대학에서 정밀하게 분석을 하기 시작했고
그 연구팀은 체계적인 실험 자료를 정립한 위 현상을 1969년에 학술지 'Physics Education'에 게재하게 되었습니다.
그것이 '음펨바 효과'라는 이름으로 세상에 알려진 계기였죠....
<좌: 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba) / 우 : 데니스 G 오스본 교수 (Dennis G. osborne)>
굉장히 이상하고 상식에 어긋나는 현상이 아닐수가 없습니다.
온도란 분자의 움직임이 활발해 지면 뜨거워지고, 둔해지면 차가워 지는 것을 말하는 것은 중학생이상 이라면 누구나 아는 사실.
그러니 더디 움직이는 분자가 더 빨리 움직이는 입자보다 빨리 얼어버리는 것은 당연한 이치라 생각하는 것이 진짜 당연했죠.
근데 이게 왠일? 뜨거운게 더 먼저 얼어버립니다.....근데 이게 아이스크림에서만 일어나는가?
아닙니다. 전반적으로 다 이런 현상이 발견되었습니다.
이 현상은
액체 상태의 것이 고체가 되는 모든 상황에서 발견되었습니다.
이유? 원리?
밝혀지지 않았습니다.
이것이 바로 21세기 물리학 난제 중 하나인 음펨바 효과(Mpemba effect)입니다.
<음펨바 그래프>
이 기현상은 아직까지 왜 그런지 밝혀지지 않았습니다.
물리학 역사상 처음으로 단순 발견자 이름이 붙은 이 현상은
영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC) 소속 과학자들
이 기이한 현상의 원인과 해답을 밝히는 사람에게 소속과 나이를 불문하고 상금을 주겠다고 밝히기 까지 한
희대의 난제가 되었죠.
얼핏보기엔 쉽게 밝혀질 것 같은 현상은 처음엔 그냥 데이터 오류나 말장난 취급을 받았습니다.
그러나 데니스 교수 님이 끊임없이 데이터를 내놓고 결국 최근에
음펨바 효과가 사실인 것으로 드러나자
그제서야 내로라하는 학자들이 이 현상의 원인을 밝히려 했지요....
그렇지만 무수한 설만 제기됐을 뿐이며, 일부에서는 이 현상의 존재 자체를 부정하는 등 논란이 끊이지 않고 있습니다.
영국왕립화학회 관계자인 브라이언 엠슬리는 영국 일간지 가디언을 통해
“이 문제에 대해 창의적인 생각과 설득력 있는 근거를 제시할 경우 1000파운드의 상금을 주겠다.”고 밝히기 까지 했습니다.
사실 이 현상을 움펨바가 처음 발견한 것은 아니었습니다.
<아리스토 텔레스 ( BC384~BC322 )>
가장 처음 움펨바 효과를 언급한 것은 그리스 철학자(겸 과학자) 아리스토텔레스였습니다.
아리스토 텔레스도 음펨바 효과를 알고 있었고, 그럴듯한 방법으로 설명도 했죠.
그는 이 현상을
'어떤 성질이 주변의 성질과 반대가 되면 그 성질이 더욱 강화된다는 소위 `반(反)주변성'(antiperitasis)'
때문이라고 했습니다.
바싹 마른 옷은 습한 곳에서 쉽게 축축해지고,
추운 겨울에 우물물이 따뜻하게 느껴지는 것과 같은 이유 때문이라는 것이다.
아리스토텔레스는 천둥과 번개도 반주변성 때문이라고 주장했는데요.
물론 현대 과학의 입장에서는 귀신 씨나락 까먹는 말도 안 되는 엉터리 설명이란게 증명이 되었죠 물론 음펨바효과의 설명도
엉터리였고요.
<로저 베이컨(Roger Bacon, AC 1214~ AC1294)>
그 다음으로 언급한 사람은
13세기의 철학자 로저 베이컨이컨 이였습니다 그도 그런 사실을 알고 있었죠.
<로저 베이컨? 누군데? 라고 하는 사람들을 위해....
영화 와 소설로 유명한 '장미의 이름'에서 나온 이 숀코넬리 옹이 맡은 윌리엄 역의 모델이
바로 로저 베이컨 입니다.>
근대 철학의 아버지로 알려진 17세기의 르네 데카르트도 그 이유를 궁금하게 여겼습니다.
<르네 데카르트(Rene Descartes A.C1596~ A.C 1650)>
'나는 생각한다, 고로 나는 존재한다'라는 그 유명한 말을 남긴 그 냥반 맞다.
음펨바 효과는 자연에 관심을 가지고 있던 철학자들이 적어도 2000년 이상 이유를 알고 싶어했던 문제 중 하나였던 셈이죠.
다만 철학자들이 드러내놓고 논의할 필요성을 느끼지 않았을 뿐이었습니다. 데카르트도 역시 잠깐 관심은 가졌지만
'나는 생각한다, 고로 나는 존재한다' 가 더 중요했는지 현실적으로 쓸모가 있는 자연 현상은 아니라고 생각하고 그냥 넘겼죠.
<지금은 과학선생으로 훌륭하게 크신 움펨바 선생님>
1969년에 학술 논문을 통해 공식적으로 음펨바 효과가 알려진 후에도 상황은 크게 달라지지 않았습니다.
음펨바 효과에 대한 현대 과학적 연구는 아직도 초보적인 수준에 머물고 있죠.
증발, 대류, 열전도 등 여러 가지 열역학적 이유가 복합적으로 작용한 결과라고 추정을 하고 있을 뿐,
누구하나 속 시원한 설명은 찾아내지 못하고 있는 추세 입니다.(오죽하면 상금을 걸었겠습니까?)
영국 왕립협회의 설명에 따르면 '섭씨 35도와 섭씨 5도의 물에서 효과가 극대화된다.' 라고 하고요.
대부분의 액체가 고체화 되면서 이같은 현상이 발견된다고 합니다.
물에 녹아있는 질소나 이산화탄소 등의 기체 불순물 때문이라는 주장도 있지만 실험적으로 분명하게 확인하지는 못했습니다.
그야말로 난제죠....
뭐 밝혀진건 아무것도 없는 신비의 현상이지만
교훈하나는 건질 수 있었습니다.
어느 위인전에나 나올법한 이야기지만 포기하지 않고 연구하면 유명해질 수 있다(ㅋ)
아무튼 여기에서도 이 현상에 관심을 가지는 사람이 하나라도 나오고
그중에서 누군가가 이 수수깨끼좀 풀어줬음 좋겠네요.
수고했다 싶으면? 혹은 좀 재미있네 싶으시다면 추천 날려주세요~
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