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나의 생각

레이저를 달을 향해 쏜다면?



 먼저 이 글은 http://what-if.xkcd.com/13/을 번역한 것임을 알립니다.


만약 지구에 있는 모든 사람들이 달을 향해서 동시에 레이저 포인터를 겨눈다면, 달의 색이 다르게 보일까요?


평범한 레이저 포인터를 쓰지 않는다고 합시다.


가장 먼저 생각해야할 것은 지구에 있는 모두가 동시에 달을 볼 수 없다는 것입니다. 우리는 지구의 모든 사람들을 한 지점으로 모을 수 있긴 합니다만 (모두가 동시에 점프를 한다면?), 그대신 달을 볼 수 있는 시간대에 있는 사람들을 최대한 모아봅시다. 전 지구인의 75%가 동경 0도부터 120도 사이에 살고 있기 때문에, 달이 아라비아 해에 어딘가에 떠 있는 상황을 잡을 수 있스니다. 


우리는 초승달이던 보름달이던 빛나게 해볼 수 있습니다. 초승달이 더 어둡기 때문에, 우리의 레이저가 더 보기 쉬워질 것입니다. 하지만 초승달은 다소 어려운 목표인데, 낮에 보이기 때문입니다. 따라서 레이저로 빛나게 하더라도 그 효과를 볼 수 없을 것입니다.


밝기 측면에서, 가장 좋은 시간대는 보름달이 뭄바이와 이슬라마바드 상공에 높게 떠있는 미국 동부표준시 2012년 12월 27일 2:00 일 것입니다. 이 순간에 대부분의 아시아, 유럽 그리고 아프리카에 사는 50억명이 동시에 달을 볼 수 있을 것입니다.


그렇지만 우리가 보름달을 선택한다면, 어두운 부분에 대해서 레이저로 쐈을 때의 효과를 더 잘 볼 수 있을 것입니다. 그러면 12월 21일의 보름달은 마야인이 지구가 망한다고 믿는 시간이므로, 그 대신 GMT 2013년 1월 4일 0:30을 택합시다. 이 시간에는 동아시아는 낮이지만 아프리카와 유럽에선 밤입니다.


여기, 우리의 타겟입니다:

[달의 반은 태양에 의해 빛이 나고 있고 반은 어둡다.]


보통의 빨간색 레이저 포인터는 5mW의 출력을 가지고, 비록 달 표면에 도달 했을 때 많은 부분이 퍼져서 잃더라도 달을 실제로 맞추기에 충분한 직진성을 가집니다. 대기가 레이저 빔을 약간 왜곡시키고 흡수하더라도 대부분의 빛은 대기 밖으로 나갈 것입니다.


[점선은 레이저 포인터 빔이 비출 부분을 보여준다.]


이제 모두가 달을 겨냥하고 유지할 수 있다고 하고, 지구 표면에서 빛은 고르게 분산되어서 출발한다고 가정합시다. GMT 0시 30분에 모두가 동시에 달을 겨냥하고 버튼을 누릅니다. 그러면 다음과 같은 일이 벌어집니다.


[사람들이 레이저 포인터를 달에 향해 겨누지만, 아무런 효과도 보이지 않는다.]


음... 실망스럽군요.

하지만 납득할 수 있습니다. 태양빛은 달을 1 m2 당 kW (kW/m2)의 에너지로 비춥니다. 달의 단면적은 1013 m2이기 때문에, 태양빛은 약 1016W (10 PW, petawattes)입니다. 이 에너지는 한 사람당 2 MW (메가와트)의 에너지에 해당하며, 우리의 5 mW 레이저 포인터는 이에 비해 엄청나게 약한 것입니다. 이제 우리는 성능을 바꾸는 것을 생각해야합니다만, 기본적인 원리는 변하지 않습니다.


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


5 mW는 너무 약합니다. 더 강하게 해봅시다.

1 W 레이저는 5 mW에 비해 200배 더 강하며, 매우 위험합니다. 이 정도의 세기는 당신의 눈을 멀게만 할 뿐아니라, 피부를 태우고, 물체에 불을 붙일 수 있을 에너지를 가집니다. 당연하게도, 미국에서 이 물건을 파는 것은 합법이 아닙니다. (하지만 실험용으로는 30 만원에 살 수 있습니다.)


이제 모두에게 1 W짜리 초록색 레이저를 2조원을 들여서 사준다고 합시다. 강력한 파워를 넘어서, 초록색 레이저의 빛은 가시광선의 한 가운데에 있고 우리 눈이 가장 민감하게 볼 수 있습니다. 따라서 달에 맞는다면 더 밝게 볼 수 있을 것입니다!


이제 달을 향해 쏩시다.


[사람들이 더 강한 레이저 포인터로 달을 겨누지만, 아무런 효과도 보이지 않는다.]

땡!

우리가 사용한 레이저 포인터는 5' 안의 범위에 150 lumens (간단히 빛의 세기에 대한 단위)를 비추었습니다. 이 빛은 달 표면에서 약 0.5 lux (조도의 단위) 로 빛이 납니다. 태양은 130,000 lux에 달합니다. 또한 보름달은 지구의 표면을 1 lux로 비춥니다. 즉, 우리의 레이저들은 지구에서 보기에 너무나 약한데다가 심지어 달에서 보려고 해도 약합니다. 달 표면에서 보는 레이저 빛은 지구에서의 달빛보다도 희미합니다.


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


 리튬 베터리와 LED 기술이 최근 10년간 엄청나게 발전한 덕분에, 고효율의 손전등 시장이 폭발적으로 성장했습니다. 하지만, 손전등 회사가 할인을 해주지 않을 것이기에, 모두에게 Nightsun 이라는 손전등을 어떻게 주었는지는 따지지말고 모두가 한 개씩 가지고 있다고 칩시다.


이름으로부터 못 알아차렸을 수도 있지만, 어떻게 쓰는지 안다면 느낌을 알 수 있을 것입니다. Nightsun은 경찰 헬리콥터나 해안경비대의 헬리콥터에 장착되어서 탐조등으로 쓰입니다. 출력은 50,000 lumens에 달하며, 한 밤중에 땅을 비추면 낮으로 바꿀 수 있는 충분한 빛입니다. 


하지만 이 빔은 옆으로 퍼지는 성질이 있기 때문에, 앞에 렌즈를 달아서 달까지 갈 때 직진만 하도록 만들 수 있습니다. 그러면....


[사람들이 Nightsun을 달을 향해 쏘고 있다. 아주 약간 효과가 보이긴 하지만, 확실하게 말하긴 힘들다.]


정말 보기에 희미하지만, 진전이 있었습니다. 이제 빔은 20 lux를 만들어내고 있습니다. 한 밤중의 빛에 비해 2배 더 밝습니다. 하지만 보려고 하기엔 힘듭니다.


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


그러면 이제 Nightsun 대신에 한 사람당 IMAX 프로젝터 쌍을 줍시다. 30,000 W 출력을 내는 것 두개를 물로 냉각하게 만들면, 1백만 lumen 이상의 출력을 가집니다.


[이제 사람들은 IMAX 프로젝터를 렌즈를 달고 달을 향해 겨눕니다. 이제 약하게 효과가 보인다.]


하지만 여전히 잘 보이진 않습니다.

[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


지구상에서 가장 강력한 스포트라이트는 라스베가스에 있는 Luxor 호텔 위에 달려 있는 것입니다. 이제 이것을 모두에게 하나 씩 줍시다.


[Luxor 호텔들의 빔을 달을 향해 쏘고 있다. 달의 어두운 부분이 약하게 보인다.]


그러면 이제 렌즈를 달아서 달에 초점을 맞춥시다.


[렌즈를 단 luxor 호텔들의 빔을 달을 향해 쏘고 있다. 어두운 부분이 빛나는 것이 보인다.]


이제 우리가 쏜 빛이 분명하게 보입니다. 드디어 우리의 목표를 이루었습니다! 모두들 수고했어!


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]

글세....

미 국방부에서는 날라오는 미사일을 요격하기 위해 MW(메가와트)의 출력을 가지는 레이저를 개발했습니다. 보잉747에 산소-아이오딘 레이저를 장착해서 MW 출력을 냅니다. 이 빛은 적외선이기 때문에 바로 볼 수 없지만, 비슷한 출력을 가지는 가시광선 레이저를 상상해볼 수 있습니다. 그리고 모두에게 까짓거 하나 씩 줍시다.


[메가와트를 가지는 비행기 편대가 달을 향해 레이저를 쏘고 있다. 어두운 부분이 밝은 부분만큼 빛난다.]


드디어 우리는 태양빛의 밝기에 해당하는 빛을 달에 쏴주었습니다. 이를 위해 우리는 5 PW (petawattes, 페타와트)의 파워를 썼고, 이는 전세계 전기 소모량의 두 배에 달합니다.


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


좋습니다. 이제 아시아 표면 1 제곱미터당 메가와트 레이저를 설치합시다. 50조개의 레이저를 작동시키는데 필요한 파워는 지구상의 모든 석유를 쓴다하더라도 2분밖에 작동시키지 못합니다. 하지만 이 2분 동안 달은 이렇게 보입니다.


[아시아 전역을 뒤덮은 메가와트 출력의 레이저가 달을 향해 쏜다.]


이제 달은 대낮의 태양만큼 밝게 빛납니다. 그리고 빛을 쏘는 2분 직후에는 달 표면이 레이저에 의해 가열되어 빛날 것입니다.


[모자를 쓴 이 남자는 더 강한 파워로 시도해볼 것을 제안하고 있다.]


좋습니다. 재미를 넘어선 영역으로 옮겨봅시다.

지구상에서 가장 강력한 레이저는 National Ignition Facility (국립 레이저 핵융합 시설)의 핵융합 연구실에 있습니다. 500 TW (terawattes, 테라와트)의 출력을 가지는 자외선 레이저입니다. 하지만 이 레이저는 한 개의 펄스를 몇 나노초밖에 쏘지 못합니다. 그래서 평균 에너지는 가솔린 1/4컵에 불과합니다. 


이제 어떻게든 레이저 파워를 유지하면서 지속적으로 쏠 수 있는 방법을 알아냈다고 상상해봅시다. 그리고 그걸 모두에게 하나 씩 주어서 달을 향해 쏘게 만들어 봅시다. 안타깝게도, 레이저의 파워가 너무나도 강해서 지구의 대기를 플라즈마로 만들고, 지표면을 불태워서 우리 모두를 죽일 것입니다.


하지만 대기에 영향을 주지 않고 레이저를 쏠 수 있다고 가정합시다. 이러한 조건에서도, 여전히 지구는 불길에 휩싸일 것입니다. 달로부터 반사된 빛이 정오의 태양 빛 보다 4000배 이상 밝습니다. 달빛이 그렇게나 밝다면, 지구의 바다를 1년도 안되서 모두 끓여버릴 것입니다.


일단 지구따위는 잊어버리고, 달에는 무슨일이 벌어질까요?

레이저 자체가 달에게 압력을 줄 수 있을 만큼 강해서 달을 가속시킬 수 있습니다. 이러한 가속은 비교적 짧은 기간에서는 알아차리기 힘들지만, 1년이 지나면 지구 궤도로부터 밀어내서 달을 자유롭게 만들 수 있습니다.


만약 빛의 압력(radiation pressure)만 작용한다면... ?

40 MJ (megajoules, 메가줄)의 에너지는 1 kg의 돌을 증발시키기에 충분합니다. 달을 3kg/L의 밀도를 가지는 돌이라고 생각한다면, 레이저는 1초에 달의 기반을 4 m씩 증발시킬 것입니다. 



하지만, 실제로 달의 돌은 저렇게 빨리 증발하지 않습니다. 이 이유가 매우 중요합니다.

돌의 일부가 증발했을 때, 이는 사라지는 것이 아닙니다. 달의 표면이 플라즈마가 되면, 플라즈마가 빔의 경로를 방해합니다. 우리의 레이저는 플라즈마에 계속 에너지를 가하게 됩니다. 그러면 플라즈마는 점점 더 뜨거워집니다. 뜨거워진 입자들은 빠르게 서로 충돌하며, 동시에 달 표면을 때리게 됩니다. 결국에 엄청난 속도로 우주 공간으로 향해 날라갑니다.


우주 공간으로 날라가는 입자들은 달의 표면을 로켓 엔진처럼 행동하게 만듭니다. 게다가 매우 효율적으로요. 레이저로 표면을 깎아서 날리는 것을 레이저 풍화(laser ablation)이라고 하는데, 우주선을 날리는데 앞으로 쓰일 수도 있습니다.


달은 거대하지만 천천히 그리고 분명하게 플라즈마 제트로 변해버린 제트는 달을 지구로부터 밀어낼 것입니다. (그리고 플라즈마 제트는 지구로 향해서 우리의 레이저를 부수겠지만! 우리의 레이저는 튼튼하다고 칩시다.) 플라즈마는 물리적으로 달 표면으로부터 벗어나게 되며, 매우 복잡한 현상들이 일어날 것입니다.


우리의 거친 추론을 계속하기 위해, 플라즈마 입자가 평균 500 km/s의 속도로 달을 벗어난다고 합시다. 그러면 달은 몇개월 내로 우리의 레이저의 범위로부터 벗어나게 됩니다. 대부분의 질량은 간직한 체로, 지구의 중력으로부터 탈출하고 태양 주위를 한쪽이 치우쳐진 궤도로 돌 것입니다. 


국제 천문학회 기준에 따르면, 달은 새로운 행성이 될 수는 없습니다. 그 이유는 지구의 궤도와 겹치기 때문이며, 이 이유로 명왕성이 왜소행성으로 취급되었습니다. 지구와 겹치는 궤도로 인해 지구 궤도는 규칙적으로 예측할 수 없는 영향을 받습니다. 결국에는 태양으로 향해 날라가거나, 태양계 밖으로 날라가거나, 다른 행성에 (높은 확률로 지구에) 부딪힐 것입니다. 


이 시나리오대로라면,


[모두가 500 테라와트의 레이저를 달을 향해 쏘면, 달은 떠난다.]