서울시립과학단 SEOUL SCIENCE CENTER

과학에서 사용하는 기본단위

과학은 측정에서 비롯된다. 측정은 어떤 물리량을 재는 것인데, 물리량에는 길이, 면적, 부피, 질량, 무게, 속도, 온도, 힘, 에너지, 압력, 전기, 소리 등 여러 가지가 있다. 이러한 물리량에 의미를 부여한 것이 단위이며, 이는 과학의 기본이 된다.

옛날부터 물건의 크기나 양을 잴 때 가장 편한 방법이 신체를 기준으로 한 것으로 발의 길이를 기준으로 한 길이 단위인 피트(feet), 사람이 한 번에 입에 넣을 수 있는 물의 양 1홉 등이 있다. 이러한 기준은 각 나라마다 달라서 외부 지역과 교역을 하거나 물건을 만들 때 단위가 맞지 않아 불편한 일이 많아 발생했다. 심지어 권력자들에 의해서 단위가 조작되기까지 하였다. 따라서 국제사회에서는 통일된 단위의 필요성이 커졌다.

1789년 프랑스 혁명을 계기로 불합리한 단위체계를 하나로 통일하게 되는데 이것이 ‘미터법’이다. 미터법 단위계는 1875년 파리에서 체결된 미터조약에 의하여 제정된 이래 세계 각국에 보급되어 관측이나 측정 분야에 널리 이용되어 정치, 경제, 사회 모든 분야에서 불평등을 해소하고, 신뢰할 수 있는 사회를 만드는데 큰 기여를 하게 된다.

1954년 제10차 국제 도량위(CGPM) 총회에서는 실용적인 관측 단위계의 기본 단위로서 길이, 질량, 시간, 전류, 열역학적 온도, 광도의 6개 물리량을 채택하였으며 1960년 제11차 CGPM 총회에서는 전류의 단위인 암페어(A)를 기본단위로 한 MKSA 단위가 국제통일단위로 결정되었다. 동시에 열역학온도는 켈빈(K), 광도는 칸델라(cd)도 기본단위로 선정되었고, 이 단위체계를 ‘국제단위계(SI)’라고 이름 지었으며, 접두어, 유도단위 및 추가 단위에 대한 원칙을 확립하였다.

1971년 회의에서는 7번째의 기본단위인 몰(mole)이 추가 되었고, 국제단위(SI)계 물리량으로 센티미터(cm)·그램(g)·초(s)로 나타낸 것을 CGS 단위, 미터(m)·킬로그램(kg)·초(s)로 나타낸 것을 MKSA 단위라 정하였다. 우리나라의 계량법도 SI에 준해서 규정하고 있다.

특히, SI 기본단위 중에서 ‘켈빈(K)’의 기준이 되는 ‘물의 삼중점’은 O전시실 ‘O14 압력을 변화시키면 물은 어떻게 될까?’에서도 중요하다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하며, ‘물의 삼중점’에 대해서 더 자세히 알아보자.

유도단위
길이, 질량, 시간 등 물리적인 양을 측정할 때는 기준이 되는 양의 몇 배가 되는가로 나타낸다. 이때 기준이 되는 양을 단위라고 한다. 단위는 어떤 양에 대해서도 임의의 크기로 약속할 수 있다. 그러나 단위를 여러 양에 대하여 하나하나 규정하여 사용하면 많은 수의 단위가 만들어지면서 다루기가 매우 불편해지게 된다. 따라서 기본이 되는 몇 개의 단위만을 정하고, 다른 양의 단위는 물리법칙 또는 그 정의에 따라 이 기본단위를 조립해서 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 단위를 ‘유도단위’라 한다.

‘유도단위’는 물리법칙을 기본으로 하여 기본단위들의 조합으로 만들어진다. 예를 들면 길이의 단위를 m, 시간의 단위를 초(s)로 했을 때, 속력은 길이/시간 이므로 속력의 단위는 m/s, 가속도는 속력변화량/시간 이므로 단위는 m/s2  이 되는데 이들이 ‘유도단위’에 해당한다. 이러한 유도 단위로는 넓이는 ㎡, 부피는 ㎥ 등이 있다.

이 밖에 특수한 분야의 계량에 쓰이는‘특수단위’나 기본단위 및 유도단위를 십진배수나 분수로 표시한 ‘보조단위’ 가 있다.
 
특수단위
특수단위는 특수한 용도로 사용이 허용된 단위로 습도(%)나 소리의 상대적 크기를 나타내는 데시벨(dB), 작은 입자들의 운동에너지 양인 전자볼트(eV), 항해나 항공에서 거리를 나타내는 단위인 해리, 해상도를 나타내는 화소(pixel) 등이 있다. 인체에 영향을 미치는 방사선 양은 ‘시버트(sv)’로 나타낸다. ‘시버트’는 방사선 방호 연구에 공헌한 스웨덴 물리학자 롤프 시버트(Rolf Maximilian Sievert, 1896~1966) 이름에서 유래됐다. Sv는 방사선의 형태와는 관계없이 그 방사선으로 인한 일정한 생물학적 효과만을 나타내는 단위로 방사성 물질에서 나오는 방사선의 종류와 신체 각 부위가 받는 영향을 포함하는 수치다.
 
보조단위
보조단위로는 1/1000을 나타내는 밀리(m), 1000배를 나타내는 킬로(k), 100만 배를 의미한 마이크로(µ) 등이 있다. 예를 들면 킬로미터(km), 마이크로미터(um), 킬로그램(kg)

직류와 교류
도선을 통과하는 전하의 흐름을 전류라고 한다. 그리고 이 전류의 방향이 일정하면 직류, 그리고 방향이 주기적으로 바뀌면 교류라고 한다. 우리가 쓰는 건전지는 직류 전원의 대표적인 예이고, 가정에서 쓰는 콘센트는 교류전원에 해당된다. 그래서 건전지를 사용할 때에는 (+)극과 (-)극을 정확히 연결해야 하지만, 콘센트는 자유롭게 연결할 수 있는 것이다. 우리나라에서는 1초에 60번 전류의 방향이 바뀌는 60 Hz 교류전원을 사용한다. 전동기 역시 직류전동기와 교류전동기로 나눌 수 있으며, 현재는 안전성과 경제성이 높은 교류전동기를 더 많이 사용하고 있다.

교류와 테슬라
교류 사용에 크게 기여한 과학자는 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856 ~ 1943)이다. 니콜라 테슬라는 교류를 이용하면 직류 전동기의 스파크 문제를 해결할 수 있다고 생각했고 이를 기반으로 변화하는 자기장의 원리를 이용한 교류 유도 전동기를 발명했다. 그리고 이 교류 전동기가 지하철을 비롯해 우리가 사용하는 여러 전기기기들의 기초가 되었다. 또한 무선 통신, 고전압 발생용 코일, 논리곱(AND)회로 소자, 레이더, 수직이착륙기, 회전날개 없는 터빈 등 수 없이 많은 발명품들을 만들거나 그 기초를 제공하였다. 자속밀도를 표현하는 국제단위계(SI 단위)인 테슬라(T)는 그의 업적을 기리기 위해 1960년 제정되었다.

비행기에 작용하는 힘

비행 중인 비행기에는 4개의 힘이 작용한다. 지구가 비행기를 아래 방향으로 당기는 힘인 중력, 비행기를 위로 밀어주는 양력, 비행기의 엔진이 비행기를 앞으로 밀어주는 추력, 비행기의 나아가려는 방향과 반대로 작용하는 저항력인 항력이 바로 그 4개의 힘이다.

이때 추력과 양력이 만들어지는 과정을 작용반작용의 원리로 설명할 수 있다. 우선 제트엔진에서 나온 배기가스가 공기를 미는 작용이 일어나면 공기가 다시 배기가스를 미는 반작용이 일어난다. 이로 인해 비행기가 앞으로 나아가려는 힘인 추력이 만들어진다. 또한, 추력에 의해 비행기가 앞으로 나아가게 되면 앞쪽을 향해 약간 들려 있는 비행기 날개는 공기를 미는 작용을 하고 공기는 비행기의 날개를 미는 반작용을 하게 된다. 이로 인해 비행기가 위로 떠오르는 힘인 양력의 일부가 만들어진다.

또한 비행기에서는 베르누이의 원리에 의한 작용들도 있다. 스위스의 과학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700 ~ 1782)는 유체가 연속적으로 흐를 때 좁은 곳을 지나면 유속이 증가한다는 사실을 발견하였다. 흐르는 물이 좁은 곳을 흐를 때는 빨라지고, 넓은 곳은 흐를 때는 느려지는 것을 보면 우리도 이 사실을 확인할 수 있다. 또한 베르누이는 “유체의 속력이 증가하면 압력은 감소한다.”라는 베르누이의 정리를 발표하였는데 이것은 에너지 보존을 유체에 적용한 것이라고 말할 수 있다. 비행기의 제트엔진에서도 공기가 지나가는 통로의 면적을 변화시켜 배기가스의 속력이 빠르게 변하도록 설계되어 있으며, 비행기 날개에서도 아랫부분으로 들어오는 공기가 날개에 부딪히며 속력이 느려지므로 날개 위쪽의 공기와 속력이 달라지면서 베르누이 원리에 의해 압력차이가 생기고 이것으로 인해 양력의 일부가 만들어진다. 비행기의 날개는 이륙할 때, 비행하는 동안, 착륙할 때 각각 상황에 맞추어 모양이 달라지므로 비행기 날개 옆자리에 앉아 이를 관찰해 보는 것도 재미있는 경험이 될 수 있다.

‘서울시립과학관’에서 베르누이의 원리를 살펴볼 수 있는 체험물은 ‘B06 비행기는 하늘을 어떻게 날까?’뿐만 아니라 G전시실의 ‘G11 빌딩 사이에서 바람이 어떻게 불까?’, R전시실의 ‘R05 공기의 흐름 변화를 알아볼까?’가 있다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하면서, 베르누이의 원리에 대해 더 자세히 알아보자.

스피드건과 도플러 효과
스피드건의 속도 측정에는 도플러 효과가 이용된다. 움직이는 물체에 레이더 파를 발사하면 이 파동이 반사될 때 물체의 속도에 따라 파장이 달라지는 것을 이용하는 것이다. 도플러 효과란 빛이나 소리와 같은 파동을 발생시키는 물체(파원)가 운동할 경우 그 파장이 원래보다 길어지거나 짧아지는 현상을 말하는데, 19세기에 오스트리아의 크리스티안 도플러(Christian Doppler, 1803 ~ 1853)가 처음 발견했다. 앰뷸런스가 다가올 때는 높은 사이렌 소리가 나지만, 멀어질 때는 낮은 소리로 변하는 것이 바로 우리가 일상생활에서  경험할 수 있는 도플러 효과의 대표적인 예이다. 이러한 현상이 발생되는 이유는 다음과 같다. 파원이 다가올 때는 첫 번째 파동을 발생시킨 뒤 더 가까이 이동하여 두 번째 파동을 발생시키므로 파장이 짧아지게 되고 이로 인해 진동수가 높아지게 되는 것이다. 그래서 높은 음의 소리를 듣게 되는 것이다. 초음속 항공기가 음속을 돌파할 때 소닉붐(Sonic boom)이라는 폭발음과 수증기 응축현상이 일어나는 것도 이러한 도플러 효과에 의한 현상이다.

고정식 카메라와 속도 측정
고정식 과속단속 카메라는 조금 다른 방식으로 속도를 측정한다. 바닥에 센서를 설치하고 두 센서에 감지되는 시간차이를 측정한다. 그러면 센서 사이의 거리와 시간을 통해 속도가 계산되는 것이다. 실제 도로에서라면 이 속도가 제한속력을 초과할 경우 카메라가 차량의 사진을 촬영하게 되는 것이다. 물론 과속단속 카메라의 경우에도 스피드건과 같이 도플러 효과를 이용해 속도를 측정하는 방식도 있다.

또한 체험물에 있는 것처럼 한 지점에서 속도를 측정하는 방식의 경우 특정 지점에서의 과속밖에 단속할 수 없다는 한계를 가지기 때문에 거리가 떨어져 있는 2개의 지점에 구간 과속단속카메라를 설치하여 적게는 약 3 km에서 길게는 약 15 km정도까지의 구간에 들어온 시간과 나가는 시간을 측정하여 단속을 하는 경우도 있다.

전자기유도 현상

전자기유도 현상은 자기장의 변화가 전류의 변화를 만드는 현상이다. 이것은 덴마크의 물리학자이자 화학자인 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted, 1777 ~ 1851)가 발견했다. 1820년 외르스테드는 도선을 통과하는 전류가 근처의 나침반 바늘에 영향을 주지 않는다는 것을 보여주기 위해 ‘자기나침반 바늘에 미치는 전류의 효과’라는 주제로 실험을 진행하고 있었다. 전류가 흐르는 도선을 나침반과 같은 높이로 옆에 두었을 때에는 아무런 반응이 없었지만 도선을 나침반의 높이와 다르게 놓아두자 바늘이 움직였다. 나중에 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 가까이에 놓아둔 나침반이 도선에 흐르는 전류의 방향과 90° 방향으로 돌아간다는 사실을 발견하였다. 이것은 나중에 전자기력을 이용하면 물체를 움직일 수 있다는 것을 발견한 역사적 실험이었다. 이것이 우리가 잘 알고 있는 전동기의 기본원리를 제시한 실험이었던 것이다.

우리가 사용하는 교통카드 역시 변화하는 자기장을 만드는 장치와 가까워지면 교통카드 내부의 도선에 전류가 흐르면서 정보를 주고 받게 되는 것이다. 또한 교통카드에 별도의 전원이 필요 없는 이유 역시 교통카드 외부의 변화하는 자기장에 의해 전류가 만들어지기 때문이다. 우리가 사용하는 휴대폰 케이스 중에 교통카드를 넣은 채로 사용할 수 있는 케이스도 이러한 전자기유도 현상을 고려하여 만들어진 것이다.

아인슈타인의 뇌

인류 역사상 가장 똑똑한 천재가 누구냐고 묻는다면 대부분의 사람들은 아마 주저하지 않고 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~ 1955)을 꼽을 것이다. 그렇다면 과연 아인슈타인의 뇌는 다른 사람들보다 더 클까? 정답은 No. 남자 성인의 평균 뇌무게는 1400 g이다. 대동맥류로 파열로 76세의 나이에 사망한 아인슈타인의 뇌무게는 1230 g으로 아인슈타인은 오히려 평균보다 170 g 가벼운 뇌를 가졌다.

아인슈타인은 죽기 전 자신의 몸을 화장해 아무도 모르는 곳에 뿌려 달라는 유언을 남겼지만 23년 후인 1978년 아인슈타인의 뇌를 찍은 사진이 공개됐다. 사진을 공개한 사람은 뉴저지 먼슬리의 기자였다. 알고 보니 아인슈타인이 화장되기 전 토마스 하비(Thomas Harvey, 1912 ~ 2007) 박사는 아인슈타인의 뇌를 훔쳐 달아났고, 그의 뇌를 연구용으로 사용했다. 토마스 박사는 아인슈타인의 뇌를 촬영했고 240조각으로 잘라냈다. 그 중 일부는 현미경 관찰을 위해 슬라이드로 만들기까지 했다. 토마스 박사는 20여 년간 아인슈타인 뇌를 연구하는데 몰두했지만 아인슈타인의 뇌가 1230 g으로 일반인의 뇌보다 가볍다는 것 외에는 구조 및 기능에 있어서도 특별한 점을 찾아내지 못했다.

똑똑함이 뇌의 크기로 결정되는 것이 아니라면 과연 무엇 때문일까?
최근 연구결과를 보면 뇌의 크기보다 신경세포(뉴런)간의 연결이 중요하다는 점에 주목해야 한다. 신경세포들이 네트워크로 많이 연결돼 있으면 뇌에서 더 많은 양의 정보를 동시에 처리할 수 있다고 한다. 그리고 아인슈타인의 뇌가 일반인과 달랐던 부분은 두정엽(마루엽) 하단 부위가 평균보다 15% 정도 크며 두정엽과 측두엽(관자엽) 사이의 고랑이 더 많은 신경세포로 채워져 있다고 한다.

뇌의 구조와 기능

사람의 뇌를 소우주로 표현하기도 한다. 우주의 신비를 다 밝히지 못하고 있는 것처럼 베일에 가려진 뇌는 인간이 알아내지 못한 메커니즘이 매우 많다. 공부를 할 때나 친구와 수다를 떨 때 뇌 속에서는 무슨 일이 일어날까?

뇌 면적의 약 7/8을 차지하는 대뇌는 뇌의 가장 바깥쪽에 있는 대뇌겉질과 그 안쪽 아래에 있는 변연계로 나눌 수 있다. 변연계는 주로 본능적인 행동과 정서, 학습과 기억 등 개나 고양이에서도 관찰되는 행동에 관여하는 반면, 대뇌겉질부는 고도의 사색과 판단, 창조의 원천이다. 언어를 사용해서 대화를 하는 동물은 사람뿐이니 친구들과 수다를 떨고 심각한 대화를 할 때에는 대뇌피질의 신경망이 활발하게 작동한다. 이곳에는 신경세포가 무려 140억 개나 모여 있다. 머리가 좋거나 나쁘다는 대뇌겉질의 각 영역이 얼마나 잘 발달했는지로 판별이 난다. 대뇌겉질을 발달시키는 방법으로는 책 읽기, 양손 쓰기 등이 있다.

강한 빛 때문에 눈이 부실 때는 중간뇌의 작용으로 홍채를 수축시켜 덜 눈부시게 주며, 그 밖에 호르몬 분비, 체온이나 식용조절 등을 역할도 한다.

김연아나 손연재가 펼치는 멋진 몸의 기술은 소뇌의 작용이 매우 중요하다. 평형, 몸의 위치, 공간 운동을 조절하면서 우리 몸의 레이더 역할을 하는 운동 중추인 소뇌는 간단한 학습 방법을 기억하는 기능도 있으며 반복 연습을 통해 중요한 운동 기술을 습득하고 기억할 수 있도록 해주는 운동 기억 기능을 담당한다. 수영이나 자전거를 한 번 배우고 한동안 하지 않아도 잊지 않고 몇 년이 지나도 또 할 수 있는 것이 소뇌 덕분이다.

신경전달물질

공부하기, 생각하기, 대화하기 등 인간의 모든 정신 작용과 여러 활동을 주관하는 뇌의 기능은 ‘신경전달물질’이라는 화학 물질에 의해 이루어진다. 뇌를 이루는 신경세포는 수천에서 수만 개의 신경세포와 신호를 주고받는데, 신경전달물질은 이 신호를 주고받을 수 있게 해준다.

신경세포의 접합 부위를 시냅스라 하며 이 간격을 뛰어 넘어 자극을 전달하기 위해서 반드시 신경전달물질이 필요하다. 신경전달물질은 신경 섬유 말단부의 조그마한 주머니인 소포체에 저장되어 있다가 신경 정보가 전기적 신호로 신경 섬유막을 통해 말단부로 전파되어 오면 소포체가 신경 세포막과 접합한 후 터져서 신경전달물질이 시냅스 간격에 유리된다.

유리된 전달물질은 1/20000mm 정도의 짧은 간격을 흘러서 다음 신경 세포막에 도달하며, 세포막에 있는 특수한 구조와 결합함으로써 흥분이 전달된다. 이 특수한 구조는 정보를 받아들이는 물질이라는 의미에서 ‘수용체’라고 하며, 단백질로 구성되어 있다. 다시 말해 신경전달물질은 일종의 열쇠이며 이를 받아들이는 수용체는 열쇠 구멍에 해당되는데, 전달 물질인 열쇠가 수용체인 열쇠 구멍에 맞게 결합함으로써 다음 신경 세포막에 있는 대문이 열려 정보가 전달되는 것이다. 이렇듯 신경전달물질은 각자 특유의 수용체 분자하고만 결합하여 특정 정보를 전달한다.

신경전달물질의 종류
최근까지 뇌에는 60여 종류가 넘는 신경전달물질이 있음이 밝혀졌다. 이것은 크게 아미노산 계열, 펩타이드 계열, 모노아민 계열로 나눠볼 수 있다.

1) 아미노산 계열 : 아미노산은 생물체의 몸을 이루는 단백질의 가장 기본적인 구성단위인데, 아미노산 계열의 신경전달물질 중에서 우리에게 친숙한 것 중 하나가 조미료를 만드는 주원료로 사용된다. 또한 학습능력과 기억능력에 핵심적 역할을 수행한다고 알려져 있다. 또한, 감마아미노낙산은 포유동물의 두뇌 속에만 있는 아미노산으로 척추동물의 중추신경계에서 신경흥분을 조절하는 억제성 화학전달물질로 두뇌에서 포도당 분해 촉진 및 뇌기능을 촉진하는 역할을 수행하기도 한다.

2) 펩타이드 계열 : 펩타이드는 2개 이상의 아미노산 분자로 구성되는 화학물질을 말한다. 신경전달물질로써의 펩타이드는 보통 10개 이상의 아미노산 사슬로 구성된다. 이 펩타이드는 뉴런이 흥분했을 때 방출된다.

3) 모노아민 계열 : 모노아민 계열은 특정한 뉴런들의 집합으로 만들어진다. 가장 친숙한 아세틸콜린은 혈관확장제로서 작용하여 심장박동 및 수축을 감소시켜 심혈관계를 포함한 수많은 신체기관에 영향을 미친다. 또한 위의 연동운동 및 소화기의 수축을 증가시키며, 방광의 용량을 감소시키고 방뇨압을 증가시키는 작용을 하여 비뇨계에 영향을 미친다. 도파민은 아드레날린이나 노르에피네프린의 전구체(특정 물질이 되기 전 단계의 물질)로 의욕,행복,기억,인지,운동 조절 등 뇌의 다양한 기능과 연관이 있다. 도파민은 운동 신경을 활성화하거나 비활성화하는 데 작용하여 근육이 안정적으로 움직일 수 있도록 조절한다. 따라서 도파민이 부족해지면 파킨슨 병처럼 움직임이 둔해지고 불안정해진다. 또한 도파민의 기능은 행복감을 느끼게 하며, 도파민 분비가 많아지면 의욕과 흥미를 느끼게 된다. 한편, 세로토닌은 기분, 체온조절, 고통인식, 수면 등에 영향을 준다. 또한, 세로토닌은 혈소판에서 혈청 속으로 방출되어 혈관을 수축시킴으로써 지혈작용을 돕는 물질이다. 세로토닌은 행복감을 느끼게 하며 식욕을 떨어뜨리는 역할을 한다. 반면 부족하면 우울증이나 불안증을 유발하기 쉽다.

뇌의 집중력

시중에는 집중력을 높일 수 있다며 온갖 종류의 약, 음식, 음악, 명상법, 고가의 기기까지 상업적인 광고와 함께 수없이 팔리고 있다. 혹시 여러분도 한 가지 정도 사본 경험이 있는가? 나의 집중력은 좋은 편인가? 과연 집중력은 뇌의 어디에서 나오는 것이며 집중력을 높이기 위해서는 어떻게 하면 좋을까?

기억과 학습의 핵심 기관은 바로 해마이다. 해마는 귀 뒤 부근, 대뇌 측두엽의 안쪽 깊숙이 자리 잡고 있으며 아주 민감하다. 주 역할은 일상의 사건과 정보를 기억하고 분류하는 것이다. 해마는 우리가 매 순간순간 겪는 일이 어떤 순서로 일어났는지를 알려주며, 시간과 장소를 파악하고 끊임없이 좌표 정보를 업데이트한다. 이 중요한 해마가 스트레스에 매우 약하다. 며칠간의 스트레스로는 회복이 가능하지만 몇 달 혹은 몇 년간 지속적인 스트레스는 해마의 뉴런을 완전히 죽일 수도 있다고 한다. 스트레스를 받게 되면 우리 몸은 아드레날린이 분비되어 경계심을 높이고 기억력을 예민한 상태로 만들고, 두 번째로 부신에서 분비되는 코르티솔은 체내 축적된 글리코젠을 포도당으로 전환시키는 역할도 하지만 해마의 뉴런을 손상시키기도 하는 것이다. 집중력을 높이는 다양한 방법이 있지만 여기서는 네 가지의 방법을 소개한다.

1) 운동 : 운동은 신체뿐만 아니라 뇌에도 유익하다. 규칙적인 운동과 신선하고 영양이 풍부한 식품이 결합될 때 뇌에 더 많은 혈액과 산소를 공급하게 된다. 이렇게 되면 지능을 포함한 고도의 집중력이 증가하게 된다. 또 운동을 하면 기분을 좋게 하는 엔도르핀을 뇌에서 분비시켜 주의력을 떨어뜨리거나 알츠하이머병 위험을 증가시키는 우울증을 막는 데 도움이 된다.

2) 명상 : 명상은 뇌 기능을 향상시키고 집중력도 개선시킨다. 명상은 여러 가지 복잡한 생각을 없애고 정신을 평온하게 해 한 번에 한 가지 일에 집중할 수 있도록 한다. 명상을 통해 잡념을 없애고 힘든 업무를 다룰 때 걱정과 부정적인 감정을 줄일 수 있다.

3) 두뇌 게임 : 바둑이나 장기, 체스와 같은 게임들이나 뇌 활동을 증강시킬 수 있는 온라인 게임 등은 문제나 수수께끼를 풀게 하고 기억력을 사용하게 함으로써 집중력이 향상되는 효과가 있다. 이는 더 좋은 점수를 얻기 위해 게임을 즐기면서 하다 보면 자신도 모르는 사이에 생활의 다른 영역에서도 집중력이 향상된다. 주의 집중 시간이 감소하는 주요 원인 중 하나는 뇌의 도파민 수치가 부족하기 때문인데 게임을 하면서 성취감과 함께 도파민 분비가 증가할 수 있다.

4) 두뇌 식품 : 집중력을 향상시키는 음식을 먹는 것도 좋은 방법이다. 바나나는 뇌 기능 활성화에 좋은 과일이다. 한 연구에 따르면 시험 전에 바나나를 먹은 학생들은 먹지 않은 학생들보다 훨씬 좋은 성적을 거둔 것으로 나타났다. 또 시금치는 ‘두뇌 식품’으로 알려져 있다. 시금치에는 루테인과 엽산, 베타카로틴이 풍부하게 들어있는데 이 영양소들은 두뇌를 활성화해 치매를 예방하는 것으로 알려져 있다. 오메가-3 지방산 계열의 고도불포화지방산인 DHA가 많이 들어있는 달걀도 집중력 향상에 도움을 준다. DHA를 적당히 섭취하면 기억력 향상과 기분을 좋게 해준다. 오메가-3 지방산이 풍부한 연어와 정신적인 각성과 집중력을 향상시키는 성분인 테아닌이 들어있는 녹차 등도 집중력 향상에 좋은 식품들이다.

뇌파체험

뇌파체험 참여는 선착순으로 G전시실 체험 발권기에서 발권이 가능합니다.

체험 가능 연령을 확인하신 후 발권하시기 바랍니다.

자율신경계, 착시현상, 잔상효과

 뇌의 영향을 받지 않아요

심장박동, 호흡, 소화 등은 우리가 의식하지 못한채 이루어진다. 이 작용은 자율신경계에서 조절하는데, 교감신경과 부교감신경으로 구성된다. 이는 서로 반대 작용을 하며 균형을 이룬다. 격한 운동을 하거나 긴장과 스트레스를 느끼면, 교감신경이 자극을 받아 내부기관이 활성화된다. 반면에 밤하늘의 별이나 야경을 볼 때는 부교감신경 때문에 온몸이 평온해진다.

 뇌도 착각을 해요

서울의 야경을 연출한 조이트로프(zoetrope)를 빠르게 회전시키면서 스트로보 조명을 비추면, 달, 사람, 자동차 모형 등이 살아 움직이는 것처럼 착각하게 되는 착시현상이 나타난다. 이는 눈을 통해 본 사물의 모습이 짧은 시간 동안 뇌에 남는 잔상효과 때문이다. 영화나 애니메이션은 이러한 원리를 이용하여 만든다.

좌표평면과 데카르트
근대 철학의 아버지로 불리는 르네 데카르트(Rene Descartes, 1596∼1650)는 어느 날 침대에 누워 사색에 잠겨 있다가 천장에 붙어 기어 다니는 파리 한 마리를 보고, 파리의 위치를 쉽게 표시하기 위해 고민했다. 그는 바둑판 모양과 같이 가로와 세로 줄을 그어 나가면 되겠다는 생각을 떠올렸고, 그의 이러한 생각이 좌표평면을 고안해낸 계기가 되었다. x축과 y축이라는 두 개의 직선으로 이뤄진 좌표체계에서는 두 개의 수만 있으면 점의 위치를 나타낼 수 있게 된 것이다. 이는 공간의 위치(기하학)를 좌표(대수)로 나타내었다는 점에서 기하학에 대수적 해법을 적용한 중요한 출발점이라고 말할 수 있다. 데카르트가 고안한 좌표는 수학사에서 매우 중요한 사건으로, 도형과 수식을 연결할 수 있는 해석기하학의 시작이었다.

좌표의 활용은 무궁무진하다. 직선은 물론 원이나 타원, 포물선 등의 곡선도 점의 위치를 보여 주는 방정식만으로 좌표평면 위에 쉽게 나타낼 수 있다. 지구의 가로축인 위선을 이용한 위도와 세로 축인 경선을 이용한 경도는 현재 세계 모든 나라의 위치를 쉽게 표현할 수 있게 해준다. 남한과 북한의 경계인 38선이 위도를 기준으로 명명되었다는 것도 우리가 잘 알고 있는 상식이다. 또한 우리가 흔히 쓰는 지도, 내비게이션, 건축, 3차원 디자인 프로그램 등 좌표는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

빛의 성질
빛은 동일한 매질 내에서는 직진하는 성질을 가지고 있다. 하지만 매질이 다른 물질을 만나면 방향이 변하는 반사나 굴절이라는 현상이 발생한다. 이 체험물에서 평행블록과 대칭블록에는 평면거울이 부착되어 있는데, 이 거울면에서는 반사가 일어난다. 평면거울에서 반사가 일어날 때에는 빛이 거울로 들어오는 각도인 입사각과 거울에서 나가는 각도인 반사각이 동일하다. 이를 반사의 법칙이라고 한다. 블록을 움직이면서 레이저의 진행방향이 바뀌는 것을 통해 반사의 법칙을 확인할 수 있다.

구분구적법

구분구적법의 아이디어를 발전시킨 수학적 개념은 바로 적분이다. 고대 이집트에서는 강이 범람할 때마다 토지의 경계선이 사라지는 문제가 있었다. 그래서 이를 해결하기 위해 곡선으로 둘러싸인 땅의 넓이를 측정해야 했는데, 이 때 땅을 잘게 나눈 다음 합하는 방법을 사용했다. 이것이 적분의 기본 아이디어가 되었다. 또한, 아르키메데스(Archimedes, BC282 ~ BC212)가 직선과 곡선으로 둘러싸인 부분의 넓이를 작은 삼각형으로 나누어 구하였고, 요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571 ~ 1630)는 입체도형의 부피를 구하는데 구분구적법에 대한 아이디어를 활용하기 시작하면서 적분의 개념은 더욱 정교해졌다. 이와 같이 수학적 발전을 거친 결과, 부피와 면적에 대한 보다 정교한 계산이 가능해졌고 지도 작성 등 여러 분야에서 적분이 쓰이고 있다.

또한, 우리가 적분과 함께 공부하는 미분은 17세기 아이작 뉴턴과 라이프니츠에 의해 완성되었지만 이때까지만 하더라도 적분과는 무관하였다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643 ~ 1727)은 물리의 개념들을 정리하면서 미분의 개념을 발전시켰고, 고트프리트 라이프니츠(Gottfried Leibniz, 1646 ~ 1716)는 함수의 그래프를 분석하면서 미분의 개념을 발전시켰다. 이 둘은 같은 시기에 별개로 연구를 하였으나 결국 미분이라는 같은 결과를 도출하였다.

그 후 미분과 적분은 서로 역연산 관계가 있음을 후대 수학자들이 밝혀 내면서 미적분이라는 연결된 개념으로 자리잡았다. 이러한 미적분은 움직임 또는 변화를 수학적으로 분석하는 도구이고, 부피와 면적을 계산하는데도 유용하다.

별자리를 이루는 별들은 지구까지의 거리가 모두 다르다. 별자리란 보이는 별들을 묶어 하나의 모양으로 보는 것이다. 별들은 단위 시간 내에 뿜어내는 빛에너지의 양과 표면온도가 달라서 색깔도 다양하게 나타난다.

별자리의 별들은 어떻게 이름이 붙여질까?
별자리의 별들 중 밝은 순서대로 그리스 문자를 부여하고 그 뒤로 별자리의 소유격을 붙여 학명을 완성하였다.

별들의 색깔은 왜 다를까?
별의 색깔은 표면온도에 따라 달라지는데 온도가 높을수록 파란색, 낮을수록 붉은색이 강하게 보인다.

별의 밝기가 다른 이유는?
겉보기 등급은 맨눈으로 보이는 별의 밝기를 등급으로 나타낸 것이다. 가장 밝은 별은 1등급, 가장 어두운 별은 6등급이며, 둘 사이의 밝기 차이는 100배이다. 절대등급은 모든 별들이 지구에서 10pc(32.6 광년) 떨어진 거리에 있다고 가정했을 때의 별의 밝기이다. 절대등급이 작을수록 실제로 밝은 별이다.
겉보기 등급-절대등급 값이 작을수록 가까이에 있는 별이고 클수록 멀리 있는 별이다.

일본의 교토대 영장류연구소는 영장류 연구에 있어 독자적인 연구 성과를 내 왔다. 현재 13종 1200마리의 영장류를 보유하고 있다. 멸종위기종인 침팬지를 12마리나 보유한 대학은 세계적으로도 이곳밖에 없다고 한다.

연구소의 마쓰자와 데쓰로(松澤哲郞) 특별교수는 1977년부터 40년 동안 아프리카 기니와 일본을 오가며 침팬지의 인지 능력과 기억력을 연구하는 ‘아이 프로젝트’를 추진 중이다. 그는 침팬지에게 숫자, 색깔, 언어, 가위바위보를 가르쳤다. 그러던 중 침팬지의 뛰어난 순간 기억력을 발견해 학계를 놀라게 했다. 마쓰자와 교수는 처음으로 침팬지가 일부 지적 영역에서 인간을 능가한다는 걸 발견했다고 말한다.

인간과의 대결에서 침팬지 아유무는 더 빠르고 정확하게 숫자 배열을 기억해 냈다. 매번 위치를 바꾸며 100번을 되풀이했는데 정답률이 80%가 넘었다. 마쓰자와 교수는 순간 기억력에 한해서는 어떤 인간도 침팬지를 이길 수 없다고 단언한다. 

침팬지 아유무는 8세 때 세계 기억력 챔피언인 벤 프리드모어를 이긴 기억력의 천재다. 아유무의 어머니인 아이와 함께 1∼9까지의 숫자를 번갈아가면서 순서대로 터치해 협업 능력이 인간의 전유물이 아님을 증명했다. 연구소의 침팬지는 3개의 대형 시설에 거주하는데 원할 때 자유롭게 와서 테스트에 참가하고 사료를 받아가는 식으로 학습이 진행된다. 

보통 사람은 20~20,000헤르츠 범위의 주파수를 가진 소리를 들을 수 있다. 사람이 상대의 말을 알아들을 수 있는 회화 음역은 250~2,000Hz정도고, 서로 대화할 때 가장 편안한 가청 주파수는 200~500Hz이다. 사람마다 연령 또는 건강상태에 따라 가청주파수 범위가 약간씩 달라진다.

조선시대의 천문대

관천대는 조선시대의 천문관측대로 소간의대, 또는 첨성대라고 부르기도 했다.
관측대에서는 하늘에서 일어나는 모든 현상을 끓임없이 관측하였으며, 왕조의 길과 흉을 점치는 데도 활용되었다. 관천대에서 기상 상태를 천문학 관원이 낮과 밤으로 교대하며 기록하였는데, 이 고록은 이전 시대의 천문 과학 활동을 보여주는 매우 귀한 역사 자료입니다.

어디가면 볼 수 있을까?
1988년(숙종 14년)에 창덕궁 금호문 밖에 축조되었으나, 현재는 창경궁으로 옮겨졌다.

관천대 위에 설치된 관측기구, 간의

간의는 천체의 위치를 파악하고, 땅의 지형 중 방위와 고도를 측량하며, 시간을 정확하게 출정할 수 있는 조선시대 대표적인 천문관측 기기입니다. 세종대황 재위기간 중 천체와 시간을 관측하기 위해 간의를 설치하였는데, 처음에는 나무로 간의를 시험제작하여 한양(서울)의 위도를 측정한 후 청동으로 간의를 제작했다.

멀미를 하는 이유 멀미란 눈으로 느끼는 흔들림과 평형기관으로 느끼는 흔들림의 정도가 서로 일치하지 않을 때 경험하는 어지러움이다. 눈은 사물을 보고 시신경을 통해 소뇌로 균형을 잡으라는 명령을 전달하고 발바닥은 푹신하거나 물렁한 감각을 느껴 소뇌로 전달해 균형을 잡는다. 내이의 세반고리관과 전정기관이 평형감각을 느낄 수 있기 때문에 우리의 귀는 소리를 듣는 역할을 할 뿐 아니라 균형을 잡는 평형감각까지 담당한다. 귓속 세반고리관과 전정기관에는 림프액이 차있는데, 몸을 움직이면 림프액이 움직이면서 감각 세포를 자극하고, 신경을 통해 소뇌로 신호를 전달해 몸의 균형을 잡는다. 멀미는 격한 흔들림이 있을 때 세 가지 감각이 뇌에서 체계화 되지 않아서 발생한다.

 귀 밑에 붙이는 멀미약의 원리

 멀미를 예방하기 위해 여러가지 방법이 있지만 가장 흔한 것으로 귀 밑에 멀미약을 붙이곤 한다. 이 위치에 붙이는 것은 귀에 있는 전정기관 때문이다. 전정기관은 신체의 평형감각을 느끼게하는 아주 예민한 기관이다. 귀 밑에 붙이는 멀미약에는 ‘스코폴라민’ 성분이 포함되어 있고 전정기관을 아주 약하게 마비시켜 자극을 줄여주는 역할을 해서 멀미를 녜방할 수 있게 해주는 것이다. 이 패치형은 귀 밑 뿐만 아니라 어디에 붙여도 전신으로 약이 퍼져서 효과가 나지만 가장 빠른 효과의 부작용을 줄이기 위해서 귀와 가장 가까운 곳에 붙이는 것이다.

색을 보는 원리

불투명한 물체는 물체가 반사한 빛의 색으로 물체가 보이며 투명한 물체는 물체를 통과하는 빌의 색으로 보인다.

조명에 따른 물체의 색

백색광이 아닌 단색과 아래에 물체가 있는 경우엔 어떻게 될까? 같은 물체라도 조명의 색에 따라 물체의 색을 다르게 인식하게 된다.

개와 사람은 같은 색을 볼까?

개는 색을 보는 원추세포의 수가 사람의 1/5 밖에 되지 않는다. 사람의 원추세포는 종류에 따라 파란색과 초록색, 빨간색에 반응하는 반면, 개의 원추세포는 보라색과 노란색을 감지한다. 그래서 빨간색과 노란색이 섞인 주황색은 개의 눈에 노란색으로 보인다.

아이작 뉴턴(1642-1727)

뉴턴은 17세기 물리학에 큰 공헌을 한 인물 중 한 명이다. 그는 물체의 운동 뿐 아니라 빛의 현상에도 큰 관심을 갖고 있었는데, 뉴턴의 이중 프리즘 실험은 그 당시의 빛과 색에 관한 관념을 크게 바꾸어 놓았다.

프리즘의 분산
빛이 매질에서 다른 매질로 진행할 때 매질에 따라 빛의 속도가 달라지기 때문에 굴절이 일어나게 된다. 이때 빛은 파장에 따라 여러 가지 색으로 분산된다. 빛의 분산을 통해 색이 없는 빛이 실제로는 무지개색을 띄는 것을 확인할 수 있다.

뉴턴의 이중 프리즘 실험

뉴턴은 이중 프리즘 실험은 백색광에서 여러 색의 빛으로 분리된 단색광이 다시 분리될 수 있는지 알아보는 실험이었다. 이 실험을 통해 빛은 고유한 색을 가지고 있으며 색이 반사되거나 투과되면서 변하지 않는 다는 것을 증명했다.

빠르게 달리는 자전거가 넘어지지 않는 이유는?

빠른 속도로 굴러가는 바퀴는 회전하려는 운동상태를 계속 유지하려고 하기 때문에 바퀴의 회전 축이 변하는 것을 막아 쉽게 넘어지지 않는다.
 
각운동량 보존의 법칙
회전하는 강체는 회전하는 축을 쉽게 바꾸려 하지 않는다.
이는 각운동량 보존과 밀접한 관계가 있다. 강제로 축을 기울여도 총 각운동량의 크기는 처음과 항상 같다. 각운동량 원리를 이용한 기계에는 ‘자이로스코프’가 있다.

자이로스코프의 일상 속 활용
자이로스코프는 바퀴의 축을 상중고리에 연결해 어느 방향이든 회전할 수 있도록 만든 장치로 방향을 알아내고 유지하는데 쓰인다. 자이로스코프는 일상생활에 다양하게 사용되고 있는데 대표적인 예로 스마트폰과 비행기, 우주선이 있다. 스마트폰에는 자이로스코프 센서가 달려있어 우리의 움직임을 감지하고 방향을 측정할 수 있게 도와주고, 특히 게임에 많이 사용되고 있다. 또한 자이로스코프가 일정한 방향을 가리키며 처음 설정한 회전축의 방향을 유지하기 때문에 우저선의 평형을 유지해준다.