[EBS 다큐프라임 ＜빛의 물리학＞ 제작팀] 빛의 물리학

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지 0. 빛의 물리학아빠가 가장 이해하고 싶은 것 중에 하나가아인슈타인의 상대성 이론이었어.특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론.몇달전에 '평행우주'란 책을 통해서 대충대충 이해를 했고, 인터넷에서 찾아보고, 유투브도 찾아보고 그랬어.볼 때마다 느낀 것은 이해한 것 같기도 하고, 그렇지 않은 것 같기도 하고...더 쉬운 책은 뭐 없을까? 찾던 중에 이 책 <빛의 물리학>이란 책을 알게 되었단다.EBS 다큐프라임에서 다루었던 내용을 책으로 엮은거야.얼마전에 EBS 다큐프라임 자본주의를 책으로 엮은 <자본주의>도 괜찮게 본 터라,<빛의 물리학>도 괜찮을거라는 생각에 구입해 읽었단다.그리고 다시보기로 '빛의 물리학' 다큐도 보았고 말이야.이제서야 상대성 이론을 너희들에게도 좀 설명할 수 있을 것 같다는 생각이 들었어.그리고 상대성 이론과 함께 따라다니는 양자역학도 다시한번 보는 기회가 되었어.음, 양자역학도 설명해줄수 있냐고?파인만 교수가 이야기한것처럼 그것은 제대로 이해하지 못한 것 같더구나.그래도 아빠가 이해한 만큼 이야기해줄께.왜 책제목이 <빛의 물리학>이냐...빛이라는 것...상대성 이론이나 양자역학이 모두 빛에 관한 이야기이기 때문이댜.나중에 이야기하겠지만, 상대성 이론은 아주 큰 세계를 설명하는 이론이고,양자역학은 아주 작은 세계를 설명하는 이론이란다.그리고, 많은 과학자들의 빛의 정체를 밝히려고 노력했고,그런 노력들로 인해 상대성 이론이나 양자역학이 이루어진거라고 볼 수 있어. 1. 특수 상대성 이론빛은 무엇일까?아주 먼 옛날부터 빛의 정체를 풀기 위한 과학자들이 많았어.갈릴레이는 빛이 속도를 가지고 있다는 것을 확신했고, 빛의 속도를 측정해보려고 했지만,당시 기술로는 빛의 속도를 구하는 것은 어려웠어.후세에 뢰메르라는 사람이 목성의 위성을 관측을 하는데,지구의 공전 위치에 따라 다르다는 점을 이용하여 빛의 속도를 측정했는데, 초속 22만km라고 구했대.지금 알려진 빛의 속도 초속 30만km와는 차이가 있는데,그 이유는 당시 공전 반지름이 잘못 알려져 있었기 때문이라는구나.그의 측정방법은 잘못된 것이 아니었다는 것이지.그때가 1676년이었어.그럼 빛이 속도가 있는 것이라는 것은 밝혀졌는데, 입자가 있는 것인가?입자가 있으니까 속도를 내고 오겠지.그런데, 토마스 영이라는 과학자가 이중슬립실험을 통해 빛이 파동의 성격을 띠고 있다는 것을 알게 되었어.파동이 있다면 그 파동을 전달해주는 매질이 있어야 한다고 과학자들은 생각했어.그리고 그 미지의 매질을 에테르라고 했단다.그리고 많은 사람들이 에테르의 정체를 찾기 위해 연구들을 했는데,특허청에서 사무관으로 일하고 있던 청년 아인슈타인은 빛 그 본질에 대해 연구를 했단다.아인슈타인은 고등학교 시절부터 빛에 대한 궁금증이 많았대.상대속도.아빠가 시속 50km로 운전하고, 바로 옆에 어떤 사람이 시속 100km로 운전하고 지나간다고 할 때아빠가 차 안에서 보기에는 그 사람이 시속 50km로 달리는 것처럼 보인단다.그것이 바로 상대속도라는 것이야.그러면, 어떤 사람이 만약에 빛의 속도로 날아간다면 빛을 볼 수 있을까?상대속도를 생각하면 빛을 볼 수 없다가 답이란다.하지만, 빛은 그렇지 않아.빛을 우리가 알고 있는 다른 물질들과 똑같이 생각하면 안돼.빛은 관찰자의 속도에 관계없이 일정하다는 것...즉 시속 50km로 달리는 사람이 보는 빛의 속도나,시속 100km로 달리는 사람이 보는 빛의 속도나,심지어 빛의 속도로 달리는 사람이 보는 빛의 속도나 모두 똑같이 초속 30만km라는 거야.이게 빛의 성질이야.아인슈타인은 빛이 질량이 없는 광양자이기 때문이라고 했어.그래 빛은 입자의 성격도 띠고, 파동의 성격도 띠는거야.빛의 보는 사람의 속도에 따라 상관없이 초속 30만km로 같기 때문에 어떤 현상이 나타나게 되냐면...어떤 사람이 달리는 기차 안에서 있고, 천정에 거울을 붙여 놓고, 전등으로 천정의 거울에 쏘았다고 하자.그때 그 사람이 본 빛의 속도는 초속 30만km.그 기차안에서 실험을 기차 밖에 어떤 사람이 보았다고 하자.그럼 그 기차 밖의 사람은 기차가 달리는 속도 때문에 빛이 이동한 거리는 더 길게 되는거야.그런데, 그 기차밖에 있는 사람도 빛의 속도는 똑같이 초속 30만km.어? 그럼 어떻게 되는거지?기차 안이나 기차 밖에서 보는 빛의 속도는 똑같지만, 빛이 움직인 거리는 다른거지..이게 가능한가? 이게 가능하려면 뭐가 변해야하지?물리학에서 속도는 거리를 시간으로 나눈 것이란다.그런데 위 실험에서 속도와 거리가 정해져 있다면 변할 수 있는 것은 시간밖에 안남게 돼.그래, 바로 그 시간이 변한거야.기차 안에서의 시간과 기차 밖에서의 시간이 달랐던거야.뉴턴에 따르면 시간은 절대 변하지 않는 것이었어.하지만 그게 잘못되었다는 것을 아인슈타인이 밝혀낸거야그것이 바로 특수 상대성 이론이란다.왜 '특수'라는 말이 붙었냐면, 이 이론이 속도 일정한 등속도라는 특수한 경우에만 적용되기 때문이래.(여기서 아빠가 궁금한 거 하나.. 왜 속도가 일정하지 않으면 이 원리가 적용되지 않지? 라는 거야...이것에 대한 궁금증은 한번 찾아봐야할 것 같구나.)사람마다 그리고 우리들의 시간은 다르게 움직이고 있는거야.하지만, 지구상의 속도란 것이 빛의 속도에 비해 무지하게 작기 때문에 그것을 못느끼고 있을 뿐이지.영화나 소설 등에서 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 우주선 속의 사람이우주여행을 마치고 지구로 돌아왔을때,친구나 가족이 자신보다 훨씬 빨리 늙어버린 장면..그것이 바로 특수상대성 이론을 기초로 만들어진 장면이란다.이 특수상대성 이론은 뮤온의 관측, GPS 위성 시간의 보정으로 증명이 되었다고 하는구나.아인슈타인이 특수 상대성 이론을 발표한 것이 1905년이었대. 2. 일반 상대성 이론자, 그런데, 특수 상대성 이론은 등속도에서만 만족을 하는거래.그런데 지구는 중력때문에 가속도의 세계이잖아.중력.이것을 발견한 사람은 그 유명한 뉴턴이야. 뉴턴은 지구 상의 모든 물체는 땅으로 떨어지는 중력을 발견하면서도왜 하늘에 떠있는 달은 안떨어지는지 궁긍해했단다.그러면서 한가지 생각을 했대.공을 아주 세게 던졌고, 그 공이 떨어지지 않게 하는 방법.공이 떨어지려고 할때 땅을 내리면 된다는거야.계속 공이 떨어지려고 하면 또 땅을 내리고...그러다보면 땅이 어떻게 되겠니? 바로 지구처럼 둥글게 되겠지.그 생각에서 나아가 뉴턴은 생각했어. 달은 떨어지고 있다고... 지구가 둥글기 때문에 계속 돌고 있는 것이라고.이런 뉴턴의 생각을 이용하여 후세 사람들은 인공위성까지 띄우게 된거야.이런 뉴턴의 중력을 아인슈타인도 알고 있었어.그런데, 아인슈타인은 한가지 궁금한게 있었단다.밀물과 썰물.. 그 원인 지구와 달의 중력이라고 했잖아.그런데, 어느날 갑자기 달이 사라지면.... 썰물과 밀물도 바로 사라지겠지.그런데, 달이 없어졌다는 사실은 달이 사라지고 1.5초 뒤에 알게 된대.달의 빛이 지구까지 오는데 걸리는 시간.여기서 오류 하나.빛의 속도가 가장 빠르다고 알려져 있는데, 중력의 영향력이 먼저 작용했잖아.중력이 빛보다 더 빠른가?야인슈타인은 이런 고민에서 중력의 정체가 무엇인지? 왜 중력의 현상이 나타나는지 의문을 가졌어.정말 대단한 사람이다.이 고민을 10년 넘게 했대.그리고 그는 대단한 가설을 만들었대.질량이 가진 물체는 그 주면의 시간과 공간을 휘게 만든다는거야.마치 평평한 스폰지에 무거운 공을 놓았을 때 스폰지 바닥이 공모양대로 쑥 들어가는 것처럼...무거운 공은 많이 휘고, 가벼운 공은 적게 휘고 말이야.그리고 휜 공간을 통해 물체를 굴리면 휜 공간으로 휘겠지. 그것이 바로 중력이라는 거야.즉, 커다란 지구의 휜 공간으로 우리가 끌려들어오는 현상. 그것이 바로 중력이라는 것이지.그것은 빛도 마찬가지라고 생각했어.무거운 질량을 가진 별의 옆을 지나는 빛은 휠 것이라고 말이야.어떻게 이런 상상을 할 수 있을까?하는 생각이 들었단다.그리고 에딩턴이라는 사람이 있었는데, 아인슈타인의 이 일반 상대성 이론이 정말 맞는지 궁금했어.그래서 개기일식이 일어나는 곳까지 가서 증명해보려고 했어.태양의 뒷쪽에 숨어 있는 별이 태양의 질량때문에 휘게 된다면 별을 볼 수 있다고 생각한거야.그리고 결과는?정말로 태양으로 가려서 안보이던 별을 볼 수 있었단다.이로써 아인슈타인의 알반상대성 이론은 꼭 들어맞는 진실이 되었고,중력을 설명할 수 있는 이론이 되었단다.아빠가 제대로 설명한 것인지는 잘 모르겠구나. 3. 양자역학자, 이제 양자역학을 살펴보기 전에,빛을 추적한 과학자들을 좀 살펴보기로 하자꾸나.먼저 뉴턴.당시 여러과학들은 색의 정체에 대한 여러가지 의견들을 내놓았다고 했어.뉴턴고 그런 색의 정체를 알아내려고 했대.그러다가 프리즘으로 빛을 분산시켰더지 빛이 만들어낸 길쭉한 모양새에 관심을 가지고 연구한 끝에각 색깔이 내는 파장이 다르는 것을 알게 되었어.그러면서 색은 빛 속에 있는 것이라는 것을 밝혀냈고, <광학>이란 책을 발표했다는구나.....전자기파란 것이 있잖아. 많은 과학자들이 이것에 대한 연구를 했는데,이 전자기파의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 알게 되었대.빛이 전자기파와 동일하다는 것이지.....옛날 사람들은 이 세상을 이루고 있는 물질들이 어떤 것으로 이루어졌는지 무척 궁금해했어.옛날 사람들은 물, 불, 흙, 공기 등이 이 세상을 이루고 있는 근본 물질이라고 생각하기도 했어.그러다가 중세 이후에 돌턴이라는 사람이 원자의 개념을 설명했지.더이상 쪼개지지 않은 아주 작은 물질인 원자들이 모여서 이 세상이 이루어졌다고...그 이후 톰슨이라는 사람이 음극선 실험을 통해 전자의 존재를 발생했단다.원자 내에는 '-'전기를 띤 전자라는 것이 있다고...그런데 원자는 기본적으로 전기적으로 중성을 띠고 있다는 있기 때문에전자의 '-'전기에 상응하는 '+'전기를 띤 물자가 있을 거라고 말이야.러더퍼드가 알파선 실험을 통해서, 원자 모형을 추측했단다.원자핵이 중심에 있고, 전자는 그 주위를 돌고 있다고 설명을 했어. 마지 태양의 중심을 도는 행성들처럼 말이야.그리고 원자의 크기가 축구장의 크기라면 원자핵의 크기는 축구장 한가운데 놓은 구슬만한 크기라고 했어.그러면 전자와 원자핵 사이는 무엇이냐? 바로 진공이래.그래서 우리 몸에서 진공을 빼고 나면 소금 알갱이 하나보다 작은 것만 남는다는구나.너무 신기하면서도 놀랍더구나. 다이어트 왜 하나 싶기도 하고...닐스 보어란 사람은 궁금한 게 하나 있었어.왜 원자는 붕괴하지 않는가?그는 이 궁금증을 밝히기 위해 인생을 바치기로 했다는구나.그리고 그는 전자가 원자내에서 불연속적인 궤도를 움직인다고 생각했단다.에너지라는 것이 원래 불연속적이라는 것이지.우리가 에너지가 불연속적이라는 것을 느끼지 못하는 것은 불연속적인 것이 너무 작은 단위라서 그런거래.그런데, 이런 닐스 보어의 원자모형에 의문을 가진 이가 또 나타났어.하이젠베르크.그는 보어의 원 원자모형에서 전자는 왜 돌까? 왜 다른 궤도를 돌까?에 대한 의문을 가지게 되었대.그리고 하나의 가설을 세웠지.전자의 위치는 알 수 없다.전자의 진동수와 세기만을 알 수 있다.그러면서 보어의 원자모델에서 전자의 궤도를 버렸다는구나.왜냐면 전자를 볼 수 없기 때문에 말이야.이런 하이젠베르크를 닐스 보어는 초대하여 같이 연구를 했대.그 뿐만 아니라 닐스 보어는 여러 총망있는 과학자들을 불러들여 같이 연구했는데, 그들을 코펜하겐학파로 불렀어.그들은 슈뢰딩거라는 사람도 초청했어.그는 전자가 궤도를 돌때 그냥 얌전히 도는 것이 아니라 파동을 가진채 돈다고 생각했어.그의 이런 생각은 닐스 보어의 질문에 정확한 답변으로 그 이론이 맞다는 것을 증명했어.하지만, 왜 전자가 궤도를 옮겨다니냐는 질문데 대답을 하지 못했다고 하는구나.....자, 그럼 전자는 어떻게 존재하는가?전자는 확률적으로 존재한다고 한다.이것이 양자역학의 핵심인듯하다.이것은 상식을 버리고 이해해야 한다고 한다. 그만큼 이해하기 어려운 것이야.가장 많이 예를 드는 것이 슈뢰딩거의 고양이인데,갇혀 있는 방안에 고양이가 한마리 있고,독가스를 조금씩 집어 넣는다고 생각해보자.과연 그 고양이는 죽어 있을까? 살아 있을까?그것은 우리가 고양이를 확인하기 전까지 모르는 것이란다.우리가 그 전까지는 고양이가 살아있을 확률 반, 죽어 있을 확률 반인 것이야.우리가 문을 열고 봤을때만이 고양이의 생사를 확인할 수 있는 것이지.그렇게 되면 한쪽의 확률은 백이 되고, 나머지쪽은 영이 되는거잖아.그런 것처럼 전자도 보기 전에는 어디에 있는지 모르는거야. 여기저기에 위치하고 있는 거야.그저 확률이 높은 지역은 있겠지. 그러다가 우리가 관측하는 순간 한 곳에 위치하게 되는 것이지.이것이 전자의 상식이란다. 참 이상하지? 아빠도 이 글을 적으면서도 이해가 가길 않는구나.그래서 닐스 보어가 이끈 코펜하겐 학파는 전자의 모양을 안개처럼 뿌옇다고 했어.이 양자역학을 아인슈타인은 믿지 않았다고 하였단다.음,, 양자역학을 어떻게 하면 잘 이해할 수 있을까?이 책을 다시한번 읽어보면 되려나? 이 다큐를 다시 한번, 아니 몇번이고 다시 보면 이해를 할 수 있을까? 4. 초끈이론자, 아직 끝나지 않았어.좀더 이야기해보자꾸나.이 세상에는 4가지 힘이 있어.먼저 중력. 그리고 강력. 강한 핵력이라고도 하는데, 원자핵과 전자를 연결하는 힘이야.그리고 약력. 약한 핵력이라고도 하고, 우라늄 등 방사능 붕괴를 일으키는 힘.마지막으로 전자기력.이 중에 강력, 약력, 전자기력을 합친 이론은 완성되었다고 하는구나.그런데, 중력까지 다 합친 한가지 이론은 아직 없대.이 네가지 힘을 한번에 설명할 수 있다면 우주가 생긴 비밀을 알 수 있을텐데 말이야.왜냐하면 우주가 최초로 생기면서 이 네가지 힘이 생겨났으니까 말이야.이 네가지 힘 중에 양자역학이 설명하는 원자 속 세상에서 중력이 적용되지 않는다고 하는구나.그리고 원자 속에서는 상대성 이론도 설명이 안돼.그래서 원자 속 세상에서는 양자역학만이 설명이 가능하다는구나.그래서 우주와 같은 거대 세상을 설명하는데는 상대성 이론이,원자와 같은 아주 작은 세상을 설명하는데는 양자역학이 필요한거야.우주의 시초.그것을 풀기 위해서 유럽에 업청나게 큰 연구소가 있다고 하는데, CERN이라고 그래.이 CERN은 예전에 읽은 <평행우주>에서도 소개가 되었었어.이곳에서는 블랙홀 환경과 비슷한 환경을 만들어서 우주가 어떻게 시작되었는지 연구하고 있대.그곳에서 원자보다 더 작은 많은 입자들을 찾아냈다고 하는구나.언제나 그렇듯이 그 작은 입자들은 또 무엇으로 되어 있느냐가 문제였어.그리고는 그 가장 작은 입자는 바로 "끈"이라는 주장이 나왔어.강력에 대한 방정식이 발전하여 끈이론의 기초가 되었어.끈이론이 든든한 이론이 되어갈 즈음 강력과 관련이 없는 입자가 발견이 되었대.당시 세상의 4가지 힘 중에 강력, 약력, 전자기력은 그 힘을 전달해주는 매개입자가 규명되었는데,중력을 전달해주는 매개입자가 밝혀지지 않았대.그 매개입자를 중력자라는 이름까지 지어났는데 말이야.그런데, 그 강력과 상관없는 입자가 중력자가 아닌가 하는 생각들을 했다고 하는구나.그러면서 끈이론은 다시 각광을 받았대.. (사실 아빠는 이런 일련의 인과관계는 잘 이해가 안가더구나.그냥 책에서 그렇다고 하니 그런가보다 하는 정도라고 할까?)암튼, 끈이론은 이런거야.뭐냐면, 바이올린이 줄(끈)으로 되어 있고, 그것을 어떻게 켜느냐에 따라 소리가 달라지잖아.그런 것처럼 물질을 이루는 가장 기본적인 단위인 끈이 어떻게 진동하느냐에 따라 다른 입자가 생긴다는거야.그런데, 그 끈이론을 설명하려면차원이 10차원까지 확장되어야 하고, 끈이론도 5개나 있어야 한대.과학자들은 이렇게 복잡한 걸 싫어한데, 5개나 있는 끈이론.하나로 설명이 가능해야 한다는 것이지...에드워드 워튼이라는 초끈이론의 일인자가 아주 간단한 것을 생각해냈어.그것은 10차원의 5개의 끈이론도...11차원으로 확장하면 한개의 이론이라는 것이지...우리가 살고 있는 세상은 기껏해야 3차원, 시간까지 포함해도 4차원이잖아.그런데, 10차원, 11차원이라니... 잘 감이 안오지?아빠도 잘 감이 안오는데, 이 책에서 이해하기 쉽게 설명했단다.멀리서 보면 2차원인 수도 호스도 가까이서 보면 3차원이 되고,멀리서는 안보이던 호스 위의 개미도 보이는 것처럼.우리가 일상에서 보는 3차원의 물체들도 아주 가까이서 보면,우리가 보지 못했던, 고차원의 세상을 볼 수 있다는 거야.그래서 10차원에서 5가지로 보였던 끈이론도 사실 좀더 가까이 들어가서 보면11차원에서는 1가지였다는 것이지.... 이해가니?그렇게 생긴 끈이론은 M이론, 또는 막이론이라고 한대.끈이 끝나는 점은 막이라고 하던가?그러면서 결국 우주는 거대한 막이고..그런 거대한 막은 다양한 수많은 우주들이 붙어 있는 것이고..그 중 우리가 하나의 우주에서 살고 있는 것이고 말이애.전에 읽었던 <평행우주>가 바로 그런 우주였잖아.....어렵구나.... 아빠가 제대로 설명했는지 잘 모르겠어.이정도 이해를 했다면,이젠 스티븐 호킹의 <시간의 역사>를 도전해볼 때가 되지 않았을까?하는 생각이 드는구나.조만간에 그 책을 한번 읽어봐야겠다.오늘은 이만 마칠께. <img src="https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/24733044565336C734" class="txc-image" hspace="1" vspace="1" border="0" actualwidth="400" width="400" exif="{}" data-filename="20151118235948391.jpg" style="clear:none;float:none;" id="A_24733044565336C734E756"/> 책제목 : 빛의 물리학지은이 : EBS 다큐프라임 <빛의 물리학> 제작팀펴낸곳 : 해나무페이지 : 328 page 펴낸날 : 2014년 05월 20일책정가 : 16,000원 읽은날 : 2015.11.11~2015.11.13글쓴날 : 2015.11.20,22,23,24