조회수를 별로 신경쓰지는 않습니다만, 어제 올린 상대성 야구공 글이 24시간만에 조회수 1200을 찍었더군요. 현재 클럽의 트래픽양으로 미루어볼 때 높은 확률로 버그일 테고 아니면 누군가 유명 사이트에라도 링크한 걸 테죠. 그러니 한 번 더 시도해 봅시다.

http://what-if.xkcd.com/20/

 -----

 만약 직경 100피트짜리 다이아몬드로 된 운석이 광속으로 지구에 충돌하면 어떤 일이 벌어지나요? - 에이던 스미스, 8세. 아빠 제프가 대신 작성.

 광속으로 움직일 수 있는 물질은 없지만, 괜찮습니다. 충분히 광속에 접근할 수는 있습니다.

 얼마나 빠르게 물체를 밀건 광속에는 도달하지 못합니다. 말이 안 되는 것 같지만 우리의 우주에 존재하는 이상한 법칙들 중 하나입니다. 물체의 속도가 광속에 접근해갈수록, 그 물체의 에너지와 모멘텀이 증가해갈수록 가속을 위해 필요한 에너지는 무한대로 증가해갑니다.

 일단 느린 속도에서부터 시작해봅시다.

 초속 1킬로미터 :

 100킬로미터 상공에서 운석을 떨어뜨리면 약 마하 3 정도의 속도로 지표면에 충돌할 것입니다. 그게 대략 초속 1킬로미터입니다.

 운석은 추락하면서 자기 앞의 공기를 빠르게 밀쳐내며 압축시키며, 이 과정에서 단열압축으로 인해 공기가 뜨거워집니다. 대기권 재돌입하는 우주선이 뜨거워지는 것과 같은 현상입니다. 이는 흔히 공기와의 마찰열 때문으로 알려져 있지만, 사실 마찰열은 별 영향을 주지 못합니다. 지표면에 도달했을 때 운석의 아래쪽 표면은 섭씨 500도 이상의 온도일 것이며, 달아올라 빛을 내고 있을 것입니다.

 2분간 추락한 운석이 지표면을 때리면 산산조각나면서, 학교 하나만한 직경 300미터의 크레이터가 생겨납니다.

                                           크기 비교를 위해

 초속 11킬로미터 :

 운석을 훨씬 더 높은 고도에서 떨어뜨리면 초속 11킬로미터의 속도로 충돌합니다. 이것은 지구의 탈출속도로서, 우주선이 지구의 중력을 벗어나기 위해 내야 하는 속도이기도 합니다. 따라서 우주에서 지구로 떨어지는 물체는 최소한 이보다 빠른 속도로 지표에 충돌하게 될 것입니다.

 운석이 화염구의 형상으로 떨어지는 것은 육안으로 관측 가능할 것입니다. 크레이터의 크기는 1킬로미터 남짓으로, 애리조나주의 운석 구덩이보다 살짝 작습니다.

                                                              크기 비교를 위해 / 곤도르를 위해!

 초속 72킬로미터 :

 태양 주변을 도는 가장 빠른 물체가 지구에 충돌했을 때 나올 수 있는 속도입니다. 33년 주기의 템플 터틀 혜성이 지구를 지나칠 때 뿌리고 가는 레오니드 유성우와 비슷한 속도입니다.

 이상하게 생각하실지 몰라도 사실 물체의 속도는 그 관통력에 크게 영향을 주지 못합니다. 아이작 뉴턴은 비행체가 다른 물체에게 얼마나 깊게 박히는가를 계산하는 매우 편리한 공식을 만들어냈습니다. 만약 비행체가 표적과 밀도가 비슷하다면, 아무리 속도가 빠르더라도 자기 자신의 길이 정도 깊이 밖에 박히지 못합니다.

 하지만 그 효과는 대단할 것입니다. 크레이터의 지름은 2킬로미터가 넘을 것이고, 충격의 에너지는 가장 거대한 핵폭탄과 맞먹습니다.

 이제부터 일이 이상해지기 시작합니다.

 초속 3천 킬로미터 = 광속의 1% :

 이 단계부터 예측이 어려워지기 시작합니다. 운석이 초속 수백 킬로미터대의 속도에 도달하면 운석 앞의 공기가 핵융합을 시작합니다. 그 열로 말미암아 운석은 지표에 도달하기 전에 산산조각나버릴 가능성이 있습니다.

 하지만 그렇다고 크게 결과가 달라지지는 않습니다. 속도 때문에 운석은 그리 넓게 퍼지지 못하며, 산산조각났지만 거의 한 지점에 충돌합니다. 가장 강력한 핵폭탄보다 1천 배는 강력한 에너지가 주변 지역을 초토화시킵니다. 크레이터는 매우 거대하지만 이미 지구상에는 이보다 더 큰 크레이터가 존재합니다.

 광속의 99% :

 이제 상대성 이론이 개입됩니다. 이 속도에서 운석을 이루는 입자들을 결합시키는 힘은 무력화됩니다. 광속에 접근해갈수록 물체의 길이를 짧게 만드는 로렌츠 수축 현상 때문에 운석을 이루는 탄소 입자들은 팬케이크 형태로 압축됩니다. 하지만 펜로즈-테렐 회전 이론에 따라 운석은 압축된 것이 아니라 회전된 것처럼 보이게 됩니다. SRIM 입자 물리 시뮬레이션 프로그램을 통해 어떤 일이 벌어지는지 알아봅시다.

 운석 내부의 탄소 원자는 각각 70기가전자볼트 정도의 에너지를 갖습니다. 속도가 지나치게 빠르기 때문에 공기와 핵융합도 벌이지 못한 채로 그대로 통과하게 됩니다. 공기 분자는 운석 표면 3미터 정도까지 관통한 뒤 운석 안에서 멈추게 되고, 운석은 급격히 팽창하며 더 무거워진 채로 지표에 충돌하게 됩니다.

 충돌로 운석은 완전히 분해되며, 땅 속으로 고깔 모양의 깊은 구덩이를 만듭니다. 원자들이 각자의 사이를 그대로 통과하고 있으므로 뉴턴의 관통력 공식은 소용이 없습니다. 운석은 지각에 구멍을 뚫고 맨틀이 보일 만큼의 거대한 크레이터를 만듭니다.

에이던, 네 책임이다.

  이 운석의 에너지는 공룡을 멸종시킨 것으로 알려진 칙술루브 크레이터를 만든 운석의 50배에 달하며, 이 정도 충격은 대량 멸종 사태를 일으킬 것입니다. 어쩌면 지구상에 살아남는 생명체가 없을지도 모릅니다.

 광속의 99.99999% :
 
 전 항상 물리학이 멋진 이유 중 하나가 어떤 숫자에건 뒤에 자릿수를 더 붙여나가며 어떤 일이 벌어지는지를 마음대로 계산해볼 수 있는 것이라고 생각해 왔습니다.

 이 속도에서 운석의 탄소 분자는 각각 25테라전자볼트의 에너지를 가지며, 이는 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC)가 가속시킨 입자들에 맞먹습니다. 속도를 조금 더 올리면 충돌 파편에서 우주의 비밀을 풀 신의 입자, 힉스 입자(Higgs boson)가 발견될지도 모릅니다.

 이제 운석이 갖는 에너지는 지구 궤도를 도는 달이 갖는 운동 에너지와 맞먹습니다. 맨틀에 구멍이 뚫리고 지구 전체의 표면이 뒤흔들려 녹아날 것입니다. 지구상 모든 생명체는 다 죽습니다.

 이런, 제 고양이가 키보드를 건드려서 숫자를 몇 개 추가했네요.

 광속의 99.99999999999999999999951% :

 현재까지 질량을 가진 것 중 가장 빠른 속도로 관측된 물체는 오마이갓 입자(Oh-my-god particle)로서 아까 신의 입자라던 힉스 입자와는 상관이 없습니다. 1991년 우주에서 날아와 유타 상공에서 관측된 이 양성자는 광속의 99.99999999999999999999951%로 움직이고 있었습니다. 이 양성자 한 개의 운동에너지는 투수가 던진, 자신보다 10^23승, 그러니까 1천 해 배 무거운 야구공과 맞먹었습니다. 이 입자가 파괴한 다른 소립자들은 LHC에는 비교도 할 수 없는 것이었습니다.

 어떻게 양성자가 그렇게 빠른 속도로 움직일 수 있었는지는 아무도 모릅니다만 비슷한 속도의 입자가 매년 지구에 몇 번씩 충돌하곤 합니다. 이들은 폭발하는 은하계에서 날아오는 것으로 추정되고 있지만 어떻게 그 속도까지 가속했고 지구까지 날아오면서 왜 감속되지 못했는지는 의문으로 남습니다.

 아무튼 이 다이아몬드 운석을 오마이갓 입자만큼 빠르게 만들어 봅시다. 이 운석의 속도는 이제는 SRIM으로 시뮬레이션할 수 없습니다. 하지만 우주 방사선이 돌에 충돌하면 벌어지는 일에서 힌트를 얻을 수 있습니다.

 다이아몬드 운석은 아무 저항도 없이 대기권을 뚫고 땅에 구멍을 뚫고 들어갑니다. 그 구멍으로 플라즈마와 방사선이 쏟아져나옵니다. 40밀리초 뒤에 지구 반대편의 한구석이 눈부시게 밝은 구름으로 흩어집니다.

 다이아몬드 운석과, 운석과의 충돌로 만들어진 수많은 입자들이 사방으로 퍼져나갑니다. 달아오른 지구는 태양보다도 밝게 빛납니다.

 충격으로 지구가 받은 에너지는 지구가 태양 주위를 돌기 위한 중력 에너지보다 1만 배 강력하며, 지구의 궤도를 틀어버리기에 충분합니다. 하지만 이 시점에서 지구는 산산조각난 플라즈마 구름에 불과합니다. 엄청난 양의 입자들이 고속으로 우주로 흩어지고, 개중 한 입자는 태양계 밖을 향하여 날아가기 시작합니다.

 태양은 한때 지구였던 먼지를 들이마시고 일렁입니다. 화성과 금성의 표면은 고에너지 플라즈마에 깨끗이 쓸려나갑니다.

신학 및 언어학적으로 논란이 많은 그림입니다.

 그리고 먼 미래, 지구에서 수백 광년은 떨어진 행성의 외계인 천문학자가 한 입자를 관측하고는 대체 무슨 일이 있었기에 그렇게 빠른 입자가 존재하는 건지에 대해 고민하기 시작합니다.