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  뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다고 한다. 구조론에서 강조하는 '역설' 개념에 익순한 분이라면 금방 이해할 것이다. 그런데 아직 아무도 그 원리를 밝혀내지 못했다고 한다. 만약 사실이라면 도전해볼만 하다. (검색해보니 몇몇 사이트에서는 '수증기 증발' 때문이라고 단정하여 말하는데, 아래 인용한 글에는 밀폐된 용기 안에서도 마찬가지라고.)

  구조론에 익숙하신 분이라면 직관적으로 그럴 수 있다고 여길 것이다. 구조론은 늘 상식의 전복을 말하니까. 간단히 가속도를 생각할 수 있다. 앞장서서 걸어가는 사람보다 뒤처져서 뛰어가는 사람이 더 빨리 간다. 냉장고에 찬물과 더운물을 넣는다면 찬물은 빙점과 온도차가 적고 빙점과 더운물은 온도차가 크다. 온도차가 커야 가속도가 얻어진다.

  당연히 뜨거운 물이 찬물보다 식는 속도가 빠르다. 여기서 관성의 법칙이 적용되고 가속도의 법칙이 적용된다. 배고픈 사람과 배부른 사람 중에서 누가 더 밥을 빨리 먹을까? 당연히 배고픈 사람이 허겁지겁 빨리 먹는다. 찬물은 배부른 사람이고 더운물은 배고픈 사람이다.  

  구조론에서 항상 말하는 후발주자가 이기는 법칙과 같다. 선발주자는 관성의 법칙에 지배되어 길을 잘 바꾸지 못하지만 후발주자는 길을 혁명적으로 바꾼다. 후진국인 러시아와 중국에서 혁명이 일어나는 이유도 같다. 속도가 빠른 자동차는 커브를 잘 못돌지만 느리게 가는 자동차는 커브를 잘 도는 이치와 같다.

  구조론으로는 간단히 증명할 수 있다고 생각되는데 아래 인용한 사이트의 글이 사실대로라면 도전해볼만 하다. 여세를 몰아 노벨상에도 도전해보면 좋고.

  작금의 지구 한랭화도 이 원리로 설명할 수 있을듯 하다. 기상학자들이 폴라캡 어쩌구 하는데 표면의 증상일 뿐 본질과 멀고, 지구가 더워져서 온난화될수로 온도차가 커지고 그 경우 가속도가 붙기 때문에 한랭화 될때 급속하게 식어버린다.

  날개없는 선풍기의 작동원리도 이걸로 설명할 수 있을듯. 무질서하게 브라운운동을 하던 바람이(온도도 마찬가지) 일정한 패컨과 포지션과 밸런스와 메커니즘을 얻으면서 한쪽으로 쏠림효과를 유발함. 비행기 기름의 60프로가 날개끝에 생기는 와류현상 때문에 소모된다고. 이거 해결하면 효율 급속증가. 일정한 온도차가 있어야 방향성 제시로 쏠림효과가 가능함.

  어쨌든 상자에 쥐구멍을 하나 뚫어놓고 고양이를 풀어놓는데 세 마리의 쥐가 든 상자와 한 마리의 쥐가 든 상자 중에서 어느 쪽 상자의 쥐가 더 빨리 빠져나갈까? 정답, 세 마리.. 왜? 쥐구멍 찾는 속도는 세 마리 쥐가 더 빠르기 때문. 셋 중 한 마리가 찾으면 나머지 두 마리도 따라감.

  이런걸 증명하려면 합당한 실험장치와 논리구조를 만들어야 할듯.

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  뜨거운 물이 빨리 얼까, 차가운 물이 빨리 얼까? 대부분의 사람들은 너무나 당연하게 차가운 물이 빨리 얼 것이라고 생각한다. 그러나 정답은 ‘뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼 수도 있다’이다. 뜨거운 물이 차가운 물보다 먼저 언다는 것은 사실 납득이 잘 되지 않는다. 50도의 물과 30도의 물을 얼릴 때, 50도의 물이 얼려면 온도가 30도까지 떨어져야 하는데, 그만큼 시간이 더 걸리는 것은 상식처럼 보인다. 이 상식을 깨는 위대한 발견은 고정관념을 벗어난 한 고등학생으로부터 비롯되었다.

1969년, 아프리카 탄자니아의 고등학생 음펨바(Erasto Mpemba)는 학교에서 끓는 우유와 설탕을 섞어 아이스크림을 만드는 실습을 하고 있었다. 원래 아이스크림을 만들 때는 혼합 용액을 충분히 식힌 다음에 냉동실에 넣어 얼려야 한다. 하지만 늘 그렇듯이, 실습실의 냉동고에는 자리가 충분하지 않았고, 음펨바는 냉동고의 자리를 차지하기 위해 채 식지 않은 혼합용액을 그대로 냉동실에 집어넣었다. 얼마 후 냉동실 문을 연 음펨바는 희한한 현상을 발견했다. 다른 학생의 아이스크림보다 자신의 아이스크림이 먼저 얼어 있는 것이었다. 이상하게 여긴 그는 선생님에게 이 현상을 질문했지만, 선생님은 음펨바가 착각한 게 분명하다고 대답했다.

의문이 생긴 음펨바는 같은 실험을 몇 차례에 걸쳐서 반복하였다. 결과는 항상 같았다. 뜨거운 물이 더 빨리 얼었다. 물론 선생님과 친구들은 믿어주지 않았다. “그건 음펨바의 물리학이야.” “음펨바의 세계에서나 그렇겠지.” 라는 놀림을 받았다. 이때 인근 대학의 물리학자인 오스본(Denis G. Osborne) 교수가 음펨바의 고등학교를 방문했다. 음펨바는 자신의 관찰에 대해 오스본 교수에게 질문했다. 오스본 교수는 자신도 그 이유를 모르지만, 실험실에 돌아가서 꼭 실험해보겠다고 약속했다. 음펨바의 주장대로 실험해 본 오스본 교수의 연구팀은 결국 뜨거운 물이 차가운 물보다 떠 빨리 언다는 음펨바의 주장이 사실이라고 인정하게 되었다. 실험 결과는 1969년 ‘Physics Education’저널에 게재되었다(vol 4, p.172-175).

뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실은 이미 아리스토텔레스가 기록으로 남겼다. 아리스토텔레스의 권위는 갈릴레오 시대까지 대단했고, 17세기 초에는 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실은 상식이었다고 한다. 하지만 이런 현상은 직관과 배치되기 때문에 수백 년 동안 잊혔다가 음펨바에 의해 다시 살아난 것이다.

그런데 음펨바 효과는 왜 일어날까? 여러 가지 가설들은 있지만 아직 정확한 원리는 밝혀지지 않았다. 많은 사람들은 뜨거운 물 분자들이 활발하게 활동하면서 증발이 더 잘 일어나기 때문에, 뜨거운 물의 질량이 상대적으로 작아져서 더 빨리 언다고 생각한다. 하지만 용기를 밀폐해서 증발효과를 제거해도 음펨바 효과는 관찰된다. 또 뜨거운 물에는 녹아있는 기체의 양이 적어서 빨리 언다거나, 뜨거운 물이 용기 주변의 환경을 변화시켜서 냉각 과정을 바꾼다는 주장도 있다.

대류현상도 원인으로 생각해 볼 수 있다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 초기에 외부로 잃는 열의 양이 많아서 대류현상이 뜨거운 물에서 더 활발해진다는 것이다. 이렇게 될 경우 뜨거운 물이 차가운 물보다 외부로 열을 더 빨리 잃게 된다. 하지만 대류현상은 용기의 모양에 영향을 많이 받기 때문에 이 가설은 보편화되기가 어렵다.

최근에는 과냉각 이론이 거론되고 있다. 물이 얼음으로 되려면 응결핵이 필요한데 응결핵이 없으면 물은 0도에서도 얼지 않는다. 이러한 현상을 과냉각이라 한다. 뜨거운 물이 약 영하 2도에서 얼은 반면에 차가운 물은 영하 8도에서 얼었다는 연구 결과가 있긴 하지만, 그 원인이 확실치 않아서 음펨바 효과를 뒷받침해주기에는 부족하다.

이 모든 가설들이 복합적으로 작용해서 음펨바 효과가 나타난다고 말하기도 한다. 온도, 증발, 대류, 용존 기체, 전도와 같은 현상이 동시에 작용하여 뜨거운 물이 식을 때 물이 증발하고, 이 증발로 인해 많은 열을 잃고 또 물의 양이 줄어서 빨리 얼게 된다는 것이다.

다양한 주장에도 불구하고 아직 음펨바 효과의 결정적인 원인을 알려주는 이론은 없다. 언제 누가 그 원인을 밝힐지는 모른다. 하지만 이 이론을 주장하는 아이의 말을 경청해 주는 어른과 또 어른들이 자신의 말을 믿어주지 않아도 반복해서 실험해 보는 아이가 있는 곳에서 그 답이 나올 것이라는 예감이 든다.

글 : 이정모 과학칼럼니스트 [KISIT의 과학향기