모든 순간의 물리학 요약
1. 일반상대성이론
인류가 역사를 통해 쌓아온
모든 지식 중에서 가장 특별한 중력 이론
아인슈타인은 ‘전기장’과 동일한 ‘중력장’이 존재하고, 이러한 중력장은 공간을 통해 전파되는 것이 아니라 그 자체가 공간이라고 생각했으며, 이는 공간이 물질과 다를 바 없이 물결치거나 휘거나 왜곡될 수 있다는 사실을 의미한다.
아인슈타인의 방정식
① 별 주변의 공간이 어떻게 휘는지 설명하며, 이 곡면 때문에 행성들이 별의 주위를 공전하거나 빛이 직선으로 이동하다가 방향을 튼다는 사실을 알려준다.
② 시간 역시 중력이 약한 곳에서는 빨리 흐르고 중력이 센 곳에서는 천천히 흐른다는 사실을 알려 준다.
③ 공간은 정지된 상태로 있을 수 없으며 항상 확장하고 있다고 알려 준다.
④ 공간이 중력파의 영향으로 물결을 이룬다는 것과 그 파장의 규모가 어떠할지 알려준다.
2. 양자역학
① 막스 플랑크
전기장의 에너지 → 양자와 같은 덩어리 형태로 분포되어 있다고 생각
② 아인슈타인
빛 → 입자의 형태 ‘광자’가 무리를 이루어 만들어짐을 증명
③ 닐스 보어
원자 속 전자 에너지도 빛 에너지처럼 ‘양자화’된 일정한 값만 취하며, 전자들이 특정한 궤도에서 다른 궤도로 ‘양자도약’만을 하면서 광자를 흡수하거나 방출할 수 있다.
④ 베르너 하이젠베르크
전자란 언제 어느 곳에서나 존재하는 것이 아니라 다른 무엇인가와 상호작용을 일으킬 때만 존재하며(관측자 개입), 양자도약은 대부분 우발적이고 예측할 수 없는 방식으로 이루어진다.
- 불확정성의 원리.-
3. 우주의 구조
수천 년 동안 세상 사람들은 아래에는 땅 위에는 하늘이 있다고 믿음
그러던 어느 날 아낙시만드로스는 하늘이 땅 위에만 있는 것이 아니라 사방을 모두 둘러싸고 있고 땅은 공간에 매달린 채 표류하는 거대한 바위라고 주장
그 후 아리스토텔레스가 주창한 천동설은 중세시대가 끝날 때까지 지중해 주변 문명을 지배했다.
그러나 코페르니쿠스의 혁명 이후 지구는 다른 행성과 다름없이 태양의 둘레를 도는 행성임이 밝혀졌으며, 그 이후 태양도 천억 개 정도의 별들이 모여 만들어진 은하계 속의 미세한 알갱이 하나에 지나지 않는다는 사실이 밝혀졌다.
그리고 이러한 은하 군 속에 수억 수천 수백만 개의 은하로 이루어진 거대한 은하 구름 속의 먼지나 알갱이 같은 존재라는 사실이 증명되었다.
우리가 존재하는 우주 공간은 평면이 아닌 곡선이며 거대한 중력파가 지나가고 있다.
4. 입자
전자, 쿼크, 광자, 글루온 → 기초 입자
우리 주변 공간에서 움직이는 모든 것의 기본요소
위 입자 → 공간을 채우고 있지만 물체 X
‘장’에 상응하는 ‘양자’ 들이다.
이들은 흐름이 있는 작은 파동으로 공간 안의 빈 영역에서 양자역학의 법칙에 따라 무리 지어 나타났다가 사라지기를 반복하며, 따라서 우주에 완전히 빈 공간이란 존재하지 않는다.
양자역학과 입자이론이 설명하는 세상
① 불안정하지만 끊임없이 나타나는 물질들이 무리를 지어 있는 곳
② 사물이 주인 X 그들 사이에서 벌어지는 수많은 사건으로 인해 좌우되는 세상
입자이론을 정립한 결과 → 양자역학을 바탕으로 한 ‘기본 입자의 표준 모형’이 탄생
지금까지 수많은 실험을 통해 입증됐다.
표준모형은 암흑물질을 제외하고는 우리가 사는 세상을 꽤 잘 설명할 수 있는 가장 좋은 수단
5. 공간 입자
일반상대성 이론과 양자역학은 우리 삶의 방식까지 바꿔놓았지만, 현재의 형태로는 서로 모순된다.
과학자들은 이 두 이론을 통합하는 세상에 대한 더 단순하고 일관된 이론을 찾기 위해 노력해 왔다.
이들 중 하나인 ‘루프 양자 중력이론’의 핵심
공간은 연속적이거나 무한하게 나누어진 것이 아니라, 가장 작은 원자핵보다 수십, 수천억 배나 작은 미세한 알갱이인 ‘공간 원자’로 구성되어 있다는 것
이 이론에 따르면 세상을 수용하는 절대 공간도 없고 사물과 별개로 흐르는 연속적인 시간도 존재하지 않으며, 시간은 공간 양자와 물질이 계속 상호 작용을 하는 기본적인 과정에서 발생한다.
루프 중력이론에 따르면 ‘플랑크의 별’은 최대로 압축된 후 팽창하면서 블랙홀을 폭발 상태에 이르게 할 수 있으며, 우주도 호두껍질만 한 공간 속에 압축되었다가 빅뱅과 빅바운스를 통해 확장하는 중일 수 있다.
6. 가능성과 시간 그리고 블랙홀의 열기
과거와 미래의 구분
열이 뜨거운 곳 → 차가운 곳으로 이동한다는
사실(엔트로피의 증가)을 바탕으로 한다.
엔트로피가 증가 → 열 발생 → 전자기파 방출하게 되며 블랙홀도 예외 X
스티븐 호킹
양자역학을 이용해 블랙홀이 항상 뜨거운 상태이며 난로처럼 열을 방출한다는 사실을 증명
이 블랙홀들의 열이 현재 중력의 특성을 지닌 블랙홀에서 양자 효과를 발생시킨다.
블랙홀의 열은 세 가지 언어(양자, 중력, 열역학)로 쓰인 로제타스톤이다.
7. 우리, 인간이라는 존재
거대한 은하와 별들 속에서 인간은 한없이 작다.
우주에 긴 역사 속 에서 인류는 작은 무늬에 불과하다.
우리는 다양한 자연의 표현 방식 중 한 가지로 살아가는 자연의 일부이며, 인류라는 존재도 자연에서 일어나는 일들을 통해 만들어졌다.
우리는 존재할 수밖에 없는 존재로서 존재한다.
우주가 만든 지구 → 지구가 만든 자연 → 자연이 만든 걸작 인간 그런 인간들 중에 한 인간이 만든 걸작
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