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물리학의 기초 상식
1. 일반상대성이론 2. 양자론 3. 우주의 기본물질
4. 기본적 4가지 힘 강력, 약력, 전자기력, 중력 5. 끈 이론
6. 물질에 대한 일반적 정의 7. 열역학 제1법칙
8. 열역학 제2법칙 9. 여러 가지 형태의 에너지
10. 질량과 무게의 차이 11. 핵분열, 핵융합, 반물질
1. 일반상대성이론 (一般相對性理論, general theory of relativity)
질량에너지 등가의 법칙, E=MC² 질량과 에너지는 본질적으로 같다.
1905년 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표하면서 유클리드의 공리적 접근을 시도하였다.
. 다른 물체와 비교하지 않는 한, 내가 정지해 있는지 아니면 일정한 속도로 움직이는지 알 수 없다.
. 빛의 속도는 광원의 속도에 의존하지 않으며, 우주에 있는 모든 관측자에게 동일하다.
첫 번째 공리는 우리가 기차 타면서 많이 경험하는 현상(멈췄던 기차가 출발하면 자기는 가만히 있고 상대방이 뒤로 물러가는 느낌이나, 두 대의 버스가 같은 속도로 출발할 때 같이 움직이는 차를 보면 출발하는 느낌이 들지 않는다)으로, 두 번째 공리는 상식적인 물리법칙을 뛰어 넘는 공리로서 시간과 공간에 대한 절대적인 관념을 깨뜨렸다.
물체의 길이는 관찰자에 의존하는데 물체가 움직인다고 간주하는 관찰자가 측정한 물체의 길이는, 물체가 정지한 것으로 보는 관찰자가 측정한 길이보다 짧게 나타난다. 또한 등속도로 움직이는 관찰자는 고정된 관찰자보다 두 사건 사이의 간격을 더 길다고 지각한다. 내가 가만히 앉아 있으면 정지해 있다고 생각하지만 실제로는 거의 수백km/h의 속도로 자전하고 있고, 지구는 태양 주위를 더 빠른 속도로 공전하며, 태양계조차 은하계 내에서 움직이고, 은하계도 움직인다. 그러므로 우리는 상대적인 세계에 살고 있고, 시간과 공간이라는 4(1+3)차원 좌표에 갇혀 살고 있다. 이와 같이 우리가 관측하는 운동은 모두 상대적이다.
뉴턴 역학에 의하면 행성은 타원 궤도를 그리는데 행성이 태양에 가장 가깝게 다가가는 지점인 근일점(Perihelion Point)에서, 뉴턴 이론으로 행성의 근일점은 매년 동일해야 하는데 1859년 파리에서 수성의 근일점이 100년에 38초만큼 이동함이 발견되면서 아인슈타인은 이를 간과하지 않고 상대성 이론에 의해 1919년 5월 29일 일식에 별빛이 태양 부근을 지날 때 그 경로가 구부러진다는 것을 예측하여 이를 증명(별빛 스펙트럼의 적색이동의 실측)함으로써 근대 물리학의 종말을 가져 오게 하였다.
* 상대성 이론을 정리하면 다음과 같다.
. 물질은 빛의 속도에 접근하면 질량이 무한대로 커지므로 빛의 속도를 초과할 수 없다.. 동시에 다른 장소에서 일어난 두 사건을 움직이는 관측자는 동시에 일어났다고 관측하지 않는다.. 속도가 증가할수록 길이는 수축되고, 시간은 지연된다.. 질량과 에너지는 등가로 E=mc2 에 의해 서로 교환되며, 물체의 운동에너지가 증가되면 질량 역시 증가된다.
1916년 아인슈타인이 특수상대성이론(1905년)을 확장하여 가속도를 가진 임의의 좌표계에서도 상대성이 성립하도록 체계화한 이론으로 특수상대성이론에 등가원리와 리만공간의 기하학적 구조에 대한 중력이론을 합한 것이다. 시공간이 상대성을 띄고 있으며, 시공간은 물체의 존재에 의해 영향을 받으며, 특수상대성이론의 두 개의기본원리인 상대성원리와 광속도 불변의 원리에, 관성질량과 중력질량이 같다는 원리, 즉 등가원리를 합치고, 구부러진 공간(리만공간)의 기하학적 구조에 대한 중력이론을 더하여 전개하였다. 특수상대성이론에서 밝힌 자연법칙의 절대성과 시간·공간의 상대성이라는 개념을 강화함과 동시에, 시간과 공간 자체가 물질의 존재와 밀접한 관련을 맺고 있음을 밝혔다는 데 중요한 의의가 있고, 물체는 그 둘레의 공간을 변형시켜 만유인력의 장(場)을 형성한다는 결론을 내렸다. 그때까지 뉴턴역학으로 설명이 되지 않았던 수성의 근일점이동 현상이 설명되었을 뿐 아니라, 별빛이 태양 부근에서 굴절한다는 것과 별빛 스펙트럼의 적색이동이 실측됨으로써 이론의 정당성이 확증되었다.
2. 양자론 quantum theory
양자역학이나 양자역학의 기초 위에 성립된 이론의 총칭으로, 1900년 M. 플랑크가 공동(空洞)내의 복사에너지 분포식을 제창한 이래 물리량의 값이 불연속성으로 특징지어지는 미시세계에 관한 연구가 거듭되어 이론의 체계가 세워져 양자역학이 확립되었다. 이와 같이 고전론과 상대되는 이론체계 전체를 양자론이라고 한다.
이중 양자역학이 정립되기 전에 연구된 이론체계를 전기양자론이라고 하며, 오늘날의 양자론은 소립자, 원자핵, 전체, 원자 · 분자과정, 양자유체(流體), 고체, 자기성 등의 연구와 양자광학· 양자전자기학· 양자역학의 기초론의 전개 등 양자현상에 관한 광범위한 분야로 발전하고 있다. 이 연구 분야들을 총칭하여 양자물리학이라고도 한다.
플랑크의 분포식 이후 1905년 아인슈타인은, 진동수가 ν인 빛의 에너지는 에너지양자 hν(h는 플랑크상수)의 값을 가진다고 가정하여 광전효과를 이해할 수 있음을 보여주었다.
1913년 N.H.D 보어에 의해 수소원자 내 전자의 궤도로서 고전론이 주는 연속무한개(個) 가운데 궤도의 작용(운동량을 운동의 1주기에 걸쳐 좌표로 적분한 것)이 플랑크상수의 정수배(整數倍)가 되는 것만 전자의 정상상태로서 실재한다고 생각하여 수소원자의 안정성과 복사· 흡수되는 빛스펙트럼을 이끌었다. 그러나 이 단계에서의 이론은 서로 모순되는 고전물리학의 개념과 양자가설이 조화를 이루지 못하고 혼합되어 있어서 실험사실을 설명할 수 없었다. 이것을 타개하고 통일적인 체계성을 갖춘 이론으로서 탄생한 것이 양자역학으로서, K. 슈뢰딩거에 의한 파동역학(波動力學), W.R 하이젠베르크에 의한 행렬역학(行列力學)이라는 2개의 표현 형식이 주어졌다.
하이젠베르크는 이 보어의 원자모형에서 출발하여 1925년 양자역학의 행렬표시 즉 행렬역학에 도달했는데, 이 이론에서는 물리량이 직접 어느 기초적인 소량(素量), 즉 양자의 정수배로 주어지는 것이 아니라 좌표와 운동량 사이에 주어진 새로운 관계, 즉 교환관계라는 양자조건에 입각하여 도출했다.
한편 L.V 드 브로이는 1923년 전자에도 파동성이 있다는 것을 예측했으며 E. 슈뢰딩거는 1926년 이 전자의 파동설을 전자가 포텐셜의 작용을 받고 있는 경우로 확장하여 파동역학에 도달했다. 여기서는 물리량이 플랑크상수를 포함하는 연산자(演算子)가 되었으며, 에너지나 작용의 비연속성은 그 결과로서 도출되었다. 그 후 행렬역학은 파동역학과 같은 내용이 있다는 것이 드러났다. 그러나 양자 전기역학과 같이 장(場)의 양자론에는 이론 자체에 고유의 난점이 있어 양자론의 다음 이론에 대한 모색이 자주 행해졌지만 양자역학을 초월한 이론은 아직 발견되지 않았을 뿐 아니라 반드시 양자역학 이전의 고전론과 같은 막다른 곳에 봉착해 있다고는 말하기 어렵다고 생각된다. 따라서 보통 양자론이라고 하면 양자역학을 기초로 하는 이론체계를 뜻하지만, 넓은 뜻으로는 양자역학이 나타나기 이전의 고전양자론을 포함한다.
양자역학 중 비상대론적(非相對論的) 이론은 완전한 성공을 거두었으며, 물리학 이외에도 화학 ·공학의 각 방면뿐만 아니라, 나아가서 생리학 등에도 영향을 주었다. 또 양자역학은 상대론적 이론으로 진출하여, 장(場)의 양자론으로서 특히 소립자론(素粒子論) 분야에서 많은 성과를 얻었다.
3. 우주의 기본물질
쿼크들 사이에 작용하는 강력(强力)의 성질을 규명한 과학자는 원자핵에 들어있는 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크들이 서로 가까워지면 쿼크들 사이에 작용하는 힘이 오히려 작아져 자유롭게 움직이게 되는 독특한 현상을 수학적으로 설명했다.
인류가 예전부터 가장 궁금하게 여겨왔던 의문 가운데 하나는 우리가 살고 있는 세상이 과연 무엇으로 만들어졌는가하는 것이다. 물론 여기에는 그럴듯한 이론이 많았다. 동양에는 만물이 물, 불, 흙, 나무, 쇠로 만들어져서 양(陽)과 음(陰)의 조화를 이루고 있다는 음양오행설이 있었고, 서양에도 물, 불, 흙, 공기라는 네 가지 원소가 만물의 근원이라는 사원소설이 있었다. 동서양의 이 같은 생각들은 다양한 철학의 기초가 돼 치열한 논쟁을 불러일으키기도 했고, 실용적으로 활용되기도 했다. 중세가 끝날 때까지 서양 의학의 핵심이었던 사체질설(四體質說)과 최근 들어 다시 각광받고 있는 동양의학의 사상의학(四象醫學)이 그런 예다. 하지만 오늘날 우리는 전혀 다른 방법으로 세상을 이해하고 있다. 이제 나무와 물과 공기가 세상을 구성하는 가장 근원적인 단위일 수 없다는 사실은 분명해졌다.
200년 전 영국의 퀘이커 교도였던 존 돌턴이 근대적 의미로 처음 제기한 데 이어 지난 1905년 알베르트 아인슈타인에 의해 증명된 원자의 개념도 벌써 낡은 이야기가 되고 말았다. 하지만 인간 수준에서 세상에 존재하는 물질의 성질과 그 변환을 알아내거나 생명의 신비를 밝혀내고 싶어 하는 화학자나 생명과학자들에게는 아직도 원자가 유용한 개념이다. 그래서 화학자와 생명과학자들은 이 세상이 원자핵과 전자로 만들어진 원자로 구성돼 있다고 믿고 싶어 한다. 지금까지 알려진 그런 원소의 종류는 110종에 이른다. 하지만 만물의 존재와 힘의 근원을 밝혀내려는 물리학자들은 세상을 또 다른 모습으로 이해하고 있다. 세상은 여섯 종류의 쿼크와 전자와 중성미자를 비롯한 여섯 종류의 렙톤(leptonㆍ경입자), 그리고 중력자와 광자를 비롯한 보손(boson)으로 구성돼 있다는 것이 현대 물리학자들의 표준 모형이다.
원자핵의 근본적인 구성 입자라고 생각했던 양성자와 중성자도 알고 보니 3개씩의 쿼크가 모여 만들어졌다는 것이다. 그런 쿼크들 사이에 작용하는 힘이 강력이라는 것이다.
현대 물리학자들은 그런 표준 모형을 통해 세상에 존재하는 전자기력, 약력, 그리고 강력을 하나의 틀로 설명하고 있다. 다만, 아직도 지구와 태양처럼 거대한 천체들 사이에 작용하는 중력(重力)을 정확하게 이해하지 못했다고 불만을 표출하는 물리학자들도 있다.
일부 학자들이 쿼크와 렙톤들이 우리가 알고 있는 4차원의 시공간과 아직 정체를 알아내지 못한 7차원의 보이지 않은 차원으로 만들어진 11차원의 공간에 존재하는 끈들의 조화가 만들어내는 것이라고 주장하는 것도 같은 맥락이다. 이런 초끈(super string) 이론이 옳은 것으로 밝혀지게 되면 모든 힘을 하나의 이론적인 틀로 이해하고 설명할 수 있을 것이라는 물리학자들의 소망이 이뤄지게 되는 셈이다. 하지만 그런 만물의 이론이 정립된다고 해서 과학이 완성되는 것은 아니다. 세상에는 단순히 부분의 합으로 이해할 수 없는 것도 있기 때문이다.
1800년대 말에 처음 알게 된 것처럼 부분의 성질과 전체의 성질이 전혀 다른 경우도 많다. 나비 효과와 링크로 우리에게 소개된 복잡성의 과학이 바로 그런 문제를 해결하려는 노력이다. 아직도 과학의 종말까지는 정말 먼 길이 남아있는 셈이다.
양자역학은 뉴턴시대의 고전역학 보다 더 넓은 영역을 포함할 수 있는 이론이다. 고전역학이 거시적인 범위에서 성립한다면, 양자역학은 보다 미시적인 범위에서 성립하며 거시적인 범위에서도 성립한다. 하지만 고전역학이 이해하기 쉽고 비교적 높은 수준의 수학을 요구하지 않기 때문에 거시적인 범위에서는 고전역학을 쓰는 것이다.
양자역학이 나온 배경은 이렇다. 빛이 토마스 영의 이중슬릿실험으로 파동으로 밝혀진 후, 아인슈타인의 광전효과로 인해 빛은 입자이기도 한 것이 발견되었다. 그러자 사람들은 빛이 입자와 파동 두 가지의 성질을 가지고 있다고 해서 빛의 이중성이라고 불렀다. 그리고 러더퍼드의 원자구조의 모순이 있다. 톰슨의 제자이기도 하지만 톰슨의 원자구조를 비판한 러더퍼드는 금박지 실험을 근거로 원자가 가운데 (+)전하의 핵이 모여 있고, (-)전하의 전자가 핵 주위를 돈다고 하였다. 그러나 이것은 전자의 에너지 문제로 인해서 사람들은 새로운 역학의 필요성을 느끼게 되었다. 이게 바로 양자역학이다. 양자역학의 창시자인 막스 플랑크는 흑체복사를 연구하다가 에너지가 불연속적이라는 것을 밝혀내었다. 그러니까 양자역학은 양자와 같은 미시적인 입자를 다루는 이론이라는 것이다. 양자란 거의 다 양을 가진 입자다. 굳이 구분을 하자면 페르미온과 보손으로 나눌 수 있다.
페르미온은 물질을 구성하는 입자이고 보손은 힘을 전달하는 매개체다.
페르미온은 렙톤과 바리온으로 나누어 전자와 같은 경입자는 렙톤이라고 하고, 쿼크와 같은 것은 바리온으로 구분한다. 보손은 힘을 전달하는 입자로 현재는 이 입자를 전달하는 것으로 힘이 작용한다고 본다.
1. 게이지 보손 : 약력의 매개체
2. 글루온 : 강력의 매개체
3. 빛(광자) : 전자기력의 매개체
4. 중력자 : 중력의 매개체(라고 생각되고 있으나 아직 발견되지 않고 있다.) 이외에도 힉스입자 등이 있다.
이로 보건데 현재 물리학자들이 보는 견해는 우주는 물질인 입자와 에너지 즉 힘이 상호작용하는 세계인데, 여기에 풀리지 않는 것이 모든 물질 입자에 질량을 부여하는 입자의 존재와 중력에 대한 규명이다.
-. 우주만물의 생성 비밀 풀어줄 입자 ‘힉스’
입자 물리학 표준 모형의 기본 입자들
렙톤 : Ve Vu Vt e u ㅜ
전자중성미자. 뮤온중성미자. 타우중성미자. 전자. 뮤온. 타우온
쿼크 : U C t d s b
엡. 쳄. 톰. 다운. 스트레인지. 보텀
보손 : y g Zc w ?
광자. 글루온. z보손. w보손. 힉스(신의입자)
쿼크와 렙톤은 물질을 구성하는 기본입자며, 보손은 힘(전자기력, 강력, 약력)을 전달하는 입자로서 힉스 입자가 존재할 것으로 추정되는 에너지 영역이다. 현대물리학에서 우주 만물의 질량 기원으로 꼽히는 일명 신의 입자인 힉스(Higgs) 입자는 2008년부터 가동된 스위스 제네바 소재 유럽입자물리연구소(CERN)는 2012년 7월 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자를 충돌시킨 결과 125GeV(기가전자볼트)영역에서 힉스 입자를 찾았다고 발표했다.
물리학에서의 발견은 통계적으로 존재 확률이 99.99994% 이상이어야 하는데, 따라서 이론을 증명하는 실험의 결과치가 여기에 미치지 못하면 그 이론은 생명력을 이어가기 어려운데, 이 실험을 통해 힉스 입자를 99.999994% 확률로 발견했다고 발표했다. 그리고 2013년 3월엔 이 입자가 힉스일 가능성이 크다는 분석 결과를 내놨고, 다른 국제연구팀도 최근 힉스 입자의 질량과 '스핀(소립자의 자전) 값' 분석을 통해 힉스의 발견이 학술적으로 확정됐다고 발표했다.
* 힉스 입자는 물질을 구성하는 입자들의 종류와 입자들 사이에서 작용하는 힘들을 설명하는 현대 이론물리학의 '표준모형'에서 빼놓을 수 없는 요소다. 힉스는 스위스에 있는 유럽원자핵 공동연구소(CERN)의 '물리학 레터'를 통해 이 같은 메커니즘을 처음으로 가설로 내놨지만 힉스 입자는 물질의 기본입자 중 유일하게 관측되지 않아 오랜 기간 가상의 존재로 여겨졌었다.
-. 힉스 입자는 어떻게 찾았나
거대강입자가속기에서 양성자 두 개를 빛의 속도에 가깝게 가속한 뒤 충돌시켜서 빅뱅 직후 1000만분의 1초 상황을 재현하는 것이다. 양성자가 충돌하면 뮤온, 전자, 기타입자 등이 방출된다. 가속기에 부착된 CMS와 아틀라스(ATLAS)라는 검출기는 이 물질의 에너지양을 측정해 힉스 입자의 존재 여부를 역추적 해서 찾았다.
▲ 표준모형 : 우리가 사는 세상은 무엇으로 만들어 졌을까 라는 질문에 대한 답으로 물리학자들이 만든 모형이다. 강력(원자핵을 끌어당기는 힘)을 느끼지 못하는 경입자 3쌍, 강력도 함께 느끼는 쿼크 3쌍, 중력과 전자기력·약력을 매개하는 기타 입자들이 세상을 이룬다는 이론체계다.
지난 40여년간 물리학의 검증을 거치면서 가장 신뢰도 높은 이론체계로 인정받고 있다. 그러나 표준모형의 마지막 퍼즐 조각인 힉스 입자가 실험을 통해 관측되지 않았다. 힉스가 발견돼야 표준모형이 완성된다.
▲ 힉스 입자 : 표준모형에서 빅뱅 직후 우주에 등장한 기본 입자들에 질량을 부여한 입자다. 입자들의 크기가 같은데도 질량이 다른 이유는 힉스 입자가 각각의 입자에 다른 질량을 부여했기 때문이다. 힉스 입자는 빅뱅 직후 잠시 등장했다가 사라진 것을 실험으로 찾아내었다. 1964년 힉스 입자와 관련한 가설을 처음 제시한 영국의 피터 웨어 힉스 교수의 이름을 따 명명했다.
▲ 뮤온 : 원자를 구성하는 아주 작은 입자를 말한다. 강력(원자핵을 끌어당기는 힘)을 느끼지 못해 경입자의 한 종류로 분류된다.
▲ 전자 : 원자 내에서 원자핵의 주위를 도는 음의 전하를 가진 소립자를 말한다.
▲ 전자 중성미자 : 생성과정의 차이에 의해서 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자로 나뉘어 지는데, 전자 중성미자는 동위원소의 베타붕괴과정에서 선운동량, 각운동량, 베타선의 에너지 등의 보존법칙이 성립하지 않는다고 나오길래 이걸 설명하기 위해 만든 중성의 작은 입자인 중성미자라는 종류들 중에 하나다. 전자랑 짝을 이룬다.
▲ 뮤온 : 전자랑 성질이 똑같다. 차이점은 질량이 전자의 200분의 1이다.
▲ 뮤온 중성미자 : 뮤온이라는 입자가 수명이 매우 짧은데 이 입자가 붕괴되면서 전자(또는 양전자), 중성미자가 되는데, 이때 생기는 중성미자가 뮤온 중성미자다.
▲ 타우 : 타우온 이라고 하는데 타우는 음전하를 가진 렙톤을 말한다.
▲ 렙톤 : 스핀이 2분의 1이고 서로 상호작용을 하지 않는 기본입자를 말한다. 렙톤은 전자, 뮤온, 타우온 그리고 이 3개의 반입자까지 합쳐 총 6개가 알려져 있다.
▲ 타우 중성미자 : 타우온이 뮤온및 전자로 붕괴되면서 나타나는 중성미자를 말한다.
▲ 바리온 : 강한 상호작용에 관련하는 소립자를 말하며, 3개의 쿼크로 이루어져 있다.
▲ 스핀 : 이것은 양자역학을 발전시키는데 매우 중요한 역할을 한다.(없었다면 렙톤들을 구분할 수 없었을 것이다.) 스핀이란 입자가 가지고 있는 자신의 고유한 각 운동량을 말한다. 이것을 편의상 스핀이라고 명명한 것이다. (행성처럼 회전축을 가지고 자전하는 것을 말하는게 아니다)
▲ 메존 : 중간자라고도 한다. 쿼크와 반 쿼크로 이루어져 있어 중성을 띄기 때문에 이렇게 말하는 것이다. 메존은 종류가 매우 많고, 강한상호작용을 하는 소립자들 중 한 종류다.
▲ 쿼크 : 소립자들의 기본 구성요소다. 6종류가 있는데 업, 다운, 보텀, 탑, 스트레인지, 참이라는 종류가 있다.
▲ 페르미온과 보손(보존) : 페르미온에는 전자, 쿼크, 뉴트리노 등이 있다.
물리학자들은 우주의 구성 물질은 크게 보면 2가지 (페르미온과 보손(보존)으로 구성되어 있다고 한다.
페르미온은 파울리의 배타원리로써 정확한 설명이 가능하다.
▲ 보손(보존) : 빛의 입자인 광자와 W 보존, Z 보존, 중력의 입자인 중력자, 글루온 등이 있다.
보존은 보통의 숫자로 기술되며, 페르미온은 그라스만 수(Grassman number)라는 숫자로 기술된다.
보통의 숫자는 a 곱하기 b 가 b곱하기 a와 같다는 성질이 있다. 반면에 그라스만 수는 a 곱하기 b가 -b 곱하기 a와 같다는 성질이 있다. 이로 부터 알 수 있는 그라스만 수의 특징은 같은 수를 두 번 곱하면 0이 된다는 것이다. 예를 들어 a 곱하기 a는 -a곱하기 a와 같다. 즉, a 곱하기 a가 0이 되어야만 한다. (0=-0)이 사실은 아주 중요하다. 이에 대해서는 파울리의 배타원리가 뭔지 설명한 다음에 설명하겠다.
파울리는 주기율표를 설명하기 위해 파울리의 배타원리를 도입했다. 원자에는 전자들이 차지할 수 있는 여러 가지 상태가 있는데 파울리에 따르면 한 상태에 두 개 이상의 전자가 있을 수 없다는 것이다. 즉, 한 상태에 많아야 한 전자만 있을 수 있다는 것이다. 상태를 좌석으로 전자를 사람으로 비유하자면 한 좌석에는 많아야 한 사람만이 앉을 수 있다는 것이다. 한 좌석에 둘 이상 앉을 수 없다는 것이다.
이 파울리의 배타원리는 수학적으로 다음과 같이 이해될 수 있다. 전자는 페르미온이기 때문에 그라스만 숫자로 기술되어야 한다. 예를 들어, 그라스만 숫자 ‘a(n)’이 n번째 상태에 있는 전자를 기술한다고 하자. 그럼 n번째 상태에 있는 두 전자는 a(n) 곱하기 a(n)으로 기술되어야 할 것이다. 그런데 이게 어찌된 일일까. a(n)이 그라스만 숫자기 때문에, a(n) 곱하기 a(n)은 0이어야만 하다. 따라서 두 전자는 같은 상태에 있을 수 없는 것이다. 마찬가지로, 셋이나 더 많은 개수의 전자들은 ‘a(n)xa(n)x.....xa(n)’이란 숫자로 기술 될 것이다. 그렇지만, 이 값은 0이다 왜냐하면 a(n)xa(n)=0이고 0에다가 a(n)들을 곱한 값은 항상 0이기 때문이다. 그래서 한 상태에 많아 봤자 한 전자만 있을 수 있다. 다음으로, 질소의 원자핵과 중성자의 발견에 대해 이야기해보자. 그라스만 숫자를 두 개 곱한 값은 보통의 숫자처럼 행동한다. 예를 들어, a,b,c,d가 각각 그라스만 숫자라고 하자.
그럼 : (ab)(cd)=a(bc)d=a(-cb)d=-acbd=(-ac)(bd)=(ca)(-db)=c(-ad)b=c(da)b=(cd)(ab)
따라서 (ab)(cd)=(cd)(ab)이다. 이렇게 간단히 증명할 수 있다.
마찬가지로 그라스만 숫자를 짝수 개 곱한 것은 보통의 숫자처럼 행동하고, 그라스만 숫자를 홀수 개 곱한 것은 그라스만 숫자처럼 행동한다는 것을 쉽게 보일 수 있다. 따라서 짝수 개의 페르미온은 보존처럼 행동하고, 홀수 개의 페르미온은 페르미온 처럼 행동한다. 역사적으로 이 사실에 근거한 모순이 중성자의 발견으로 해결이 되었다. 중성자가 발견되기 전에는, 물리학자들은 원자핵이 양성자와 전자로 이루어져 있다고 생각했다. 그래서 질소 원자핵이 14개의 양성자와 7개의 전자로 이루어졌다고 생각했다. (질소 원자핵의 질량과 전하량으로부터 이렇게 결론을 지었던 것이다.) 하지만, 이는 모순이었다.
양성자와 전자는 모두 페르미온이고, 질소 원자핵은 21개의 페르미온으로 구성되어졌기 때문에 질소 원자핵도 페르미온이어야만 한다.(21은 홀수다) 그러나, 실험적으로 질소 원자핵이 보존이라는 사실이 알려져 있었다. 이 모순은 중성자가 발견됨으로써 해결되었다. 질소 원자핵은 7개의 양성자와 7개의 중성자로 이루어져 있다. 즉, 14개의 페르미온으로 이루어져 있으므로 질소 원자는 보존이다.
4. 통일장 이론과 우주의 기본적 4가지 힘 = 우주의 기본 물질
4대 기본력에는 강한 핵력(강력), 약한 핵력(약력), 전자기력, 중력이 있다.
통일장이론은 입자물리학에서 기본입자 사이에 작용하는 힘의 형태와 상호관계를 하나의 통일된 이론으로 설명하고자 하는 장(field)의 이론이다.
통일장 이론에서 3개의 힘(강력, 약력, 전자기력)은 서로 연관성을 가져 통일 시킬 수 있지만, 다른 1개의 힘(중력)은 연관이 되지 않고 통일되지 않아서 현대 물리학자들에게 숙제가 되어 있다 * 물리학에 문외한인 지극히 개인적인 생각이지만, 성경과 관련한다면 출애굽기 이후 광야에서 성막을 중심으로 하는 유대인 12지파를 나누어 대제사장의 가슴에 다는 열두 보석을, 우선은 우림과 둠밈이라는 판결과 함께 2부류로 나누어, 각각 6지파를 묶어서 나누고, 다음으로 에스겔 서에서부터 복음서와 요한게시록 까지 이어지는 4짐승의 상징인 마태(왕-사자), 마가(소-종), 누가(인간)복음은 서로 간에 내용의 유사성을 지녀서 공관복음이라 하는데, 요한(독수리-하나님)복음은 전혀 다른 내용의 복음서로서 관련된 진리의 열쇠는 아닐런지.....
. 강한 핵력은 네 가지 기본력 중에 가장 강한 힘으로, 힘이 미치는 범위는 가장 짧다. 양성자와 중성자를 결합하여 원자핵을 이루게 하는 힘이다.
. 전자기력은 네 가지 기본력 중 두 번째로 강한 힘으로, 전하를 띤 입자들 사이에서만 발생하는 힘이다.
. 약한 핵력은 힘 전달 입자를(말 그대로 힘을 전달하는 입자로서 실제 입자들과 달리 직접적인 검출이 되지 않기 때문에 가상입자라고 함) 제외한 모든 물질입자(물질을 이루는 입자)에 영향을 미치는 힘으로서 기본력 중에서는 약한 힘으로 영향을 미치는 범위는 매우 짧다
. 중력은 네 가지 기본력 중에 가장 약한 힘으로 힘이 미치는 범위는 가장 길며, 모든 물체들 사이에 작용하는 만유인력으로 너무 약해서 원자나 분자 정도의 작은 물질들의 구조를 결정하는 데에는 아무 영향도 끼치지 못하나, 물체의 질량이 커질수록 힘이 강해져 거시적으로 눈에 보이는 물체의 구조 결정에는 큰 영향을 미친다.
중력을 양자화 하는 일에 성공하면 통일장이론을 거의 이루는 것이 된다. 그러나 중력은 거대 규모의 물리학에서 나타나는 물리학이고, 양자론은 미시세계에 적합한 이론이기 때문에 이 두 힘을 합치는 것은 쉬운 일이 아니다. 물리학자들은 이를 해결하기 위하여 ‘끈’이론과 ‘막’이론을 도입하여 기본입자들을 끈의 진동이나 막으로 바라보는 시각이다. 이는 고차원에서 중력과 양자론을 결합하려는 시도로 ‘만물의 이론(TOE)'이라고도 불린다.
그러나 자연과 우주의 근원이 물질과 힘이 아닌, 끈과 막에 의해 설명될 수 있다고 믿는 초끈이론도 수학적으로는 완벽할지 몰라도 실험을 통한 실제적인 끈의 존재를 입증할 수 없다면 수학적 이론에 머물거나 과학이라기보다는 철학적 차원으로 볼 수밖에 없는 문제를 갖고 있다.
통일장 이론과 힉스 입자
통일장 이론은 아직 완성된 이론이 아닌데, 현재는 M이론(초끈 이론)에 의해 통일장 이론이 완성될 수도 있다는 희망이 조금 보이고 있다. M이론은 오로지 수학적으로만 계산된 이론으로 (M이론에 의해서 우리의 차원이 갑자기 11차원으로 늘어났다), 따라서 과학적으로 검증을 해야 하는데 가장 걸리는 부분이 바로 힉스 입자다. 모든 입자는 질량을 가지고 있는데 통일장 이론을 완성하려면 입자들에게 질량을 부여해주는 어떤 것이 필요하게 되어 과학자들은 힉스 입자를 정하게 되었다.
그러나 힉스 입자는 과학자들이 임의로 설정한 입자이기에 과학적 근거가 없다가 근거를 확보하기 위해 일명 '빅뱅 실험'이라 하는 '힉스 입자 검출 실험'에서 여러 가지 부수적 효과 때문에 블랙홀이 생성될 수 있는 가능성이 있다는 등의 여러 가지 우려가 많았지만 실험을 성공하여, 힉스 입자를 발견하였다. 하지만 이로써 바로 통일장 이론이 완성 된 것은 아니고, 통일장 이론의 완성에 한 발 더 다가선 것일 뿐이다. 또한 현재 과학자들이 추구하는 통일장 이론이 진정한 통일장 이론이 될 수 있다는 확신도 없다. 옛날에 원자가 가장 작은 입자라고 했던 시절이 있었지만 현재는 더 작은 입자들이 속속 밝혀지듯이, 막상 통일장 이론을 완성시켜 놨더니 우리 앞에 미지의 새로운 힘이 나타날 수도 있기 때문이다.
5. 끈 이론(String Theory)
아인슈타인에 의해 물질이 우주 공간을 구부러뜨리고, 이로 인해 만유인력이 발생한다는 것이 밝혀졌다.
끈 이론(String Theory)은 시간과 공간으로 이루어진 4차원 이상의 고차원 영역을 탐구한다.가우스와 리만에 의해서 우리가 사는 4(3+1)차원 세계가 쌍곡선 내지는 타원모양이라는 것이 제시되었는데 끈 이론에서는 더 고차원의 세계(형이상학)가 구면체인지 도넛모양인지 매듭모양인지 밝혀내는 것이다.
끈 이론에서 발전한 M-이론에 따르면 ‘시간과 공간은 사실상 존재하지 않으며, 무언가 복잡한 것의 근사치일 뿐이다.’ 라는 역설적인 주장에 이른다.기하학과 수학을 바탕으로 한 끈 이론과 M-이론은 현재 양자역학과 경쟁·보완 관계를 유지한다.양자역학은 플랑크의 양자론(Quantom Theory)을 바탕으로 물질의 기본요소인 소립자에 대해 탐구하는 물리학으로, 확정적이지 않고 확률적인 성격을 띠고 있다.
1927년 오스트리아인 슈뢰딩거는 파동역학(Wave Mechanics)을, 독일인 하이젠베르크는 행렬역학을 발표해 양자역학의 기틀을 마련했으며, 디렉은 파동역학과 양자역학이 동등하다는 것을 밝혀냈다.
결정적인 거시적 상대성이론과 미결정적인 미시적 양자역학은 충돌할 수밖에 없었는데, 이러한 양자역학의 미결정적인 특징은 불확정성 원리에 기인 한다.예를 들면 어떤 물건의 무게를 잴 때 측정의 정확도에는 한계와 오차가 있게 마련이다. 그런데 놀랍게도 기술적 한계에 기인하지 않는 이론적 한계가 있는데, 쌍을 이루는 두 상보적인 특성의 불확정성 곱은 플랑크 상수와 같게 된다. 상보적인 쌍이란 하나를 정밀하게 측정할수록 다른 하나는 부정확해지는 것을 말한다.대표적인 상보적인 쌍에는 위치와 운동량(p=m×v)이 있는데 하나의 오차범위가 작아질수록 다른 하나의 오차범위는 커지며, 위치와 운동량의 오차범위를 곱하면 절대로 플랑크상수보다 작을 수는 없다.플랑크상수는 매우 작은 값으로 h=(6.626196±0.0000076)×10-27erg·s에 해당한다.
예를 들어 정지해 있는 물체의 정확한 좌표는 플랑크 상수만큼의 오차범위 이내로 측정할 수 없다.전자의 질량은 10-27g 인데, 운동량은 p=m×v 이므로, 초속 1cm의 오차 범위로 전자의 속도(전자의 속도는 엄청나게 빠르다.)를 측정하면 운동량의 오차범위는 10-27g·cm가 된다.전자의 질량이 워낙 작기 때문에 속도의 오차가 크더라도 운동량은 매우 정확하게 산출된다. 이렇게 운동량이 정확하게 산출되면 불확정성의 원리에 의해 전자의 위치를 알아내기는 더 어려워지게 된다. 반대로 전자의 위치가 원자의 외부 경계인 10-8cm에 있다고 확정하는 것만으로도 전자 속도의 오차가 108cm/s라는 것을 인정하게 되고, 이 속도는 전자의 속도와 맞먹게 된다.
불확정성에 기초를 둔 양자역학은 핵물리학의 현상들을 매우 훌륭하게 설명하게 되었다.
상대성 이론과 양자역학은 극 미시적 영역인 플랑크 길이(10-33cm)에서는 서로 충돌한다.상대성 이론에 따르면 극 미시적 영역이라도 물질이 없으면 중력장이 ‘0’ 이고 공간은 평평해야 하는데, 양자역학의 불확정성 원리에 따르면 중력장과 공간의 곡률이 심하게 요동치게 된다. 그런데 양자역학은 수많은 실험에서 입증되었으므로 극 미시적 영역에서는 아인슈타인이 백기를 들어야 한다. 그렇다면 극 미시적 영역은 자기 안으로 감겨 있는 다른 차원이 있을 것으로 가정할 수 있다. 이에 칼루차라는 수학자는 1919년에 통일장 이론에 골몰하는 아인슈타인에게 5차원 원통공간을 제시했다.중력에 관한 4차원의 행렬 방정식에 부가적인 차원을 더했더니 놀랍게도 전자기장에 관한 멕스웰 방정식이 얻어졌다. 칼루차에 의하면 새로운 차원은 길이가 매우 짧고, 직선이 아닌 원의 새로운 위상(Topology)을 가진다. 추가된 차원은 끝이 없는 감긴 모양을 하며, 가는 호스처럼 원통모양을 하게 되었다. 이를 통해 칼루차는 중력과 전자기력은 어떤 동일한 것의 성분들인데, 우리가 사물들을 공간의 4번째 차원에서 측정 불가능한 운동들을 평균한 상태에서 관찰하기 때문에 달라 보일 뿐이라는 주장을 하였다.
하이젠베르크가 발명한 S-행렬기법은 입자물리학에 도입되었는데 S는 산란(Scattering)을 의미한다.양자역학에서 기본입자를 연구하는 기본방법이 산란이기 때문이다.물리학자들은 가속기에서 기본입자를 엄청난 에너지로 가속시킨 다음 서로 충돌하게 만든다. 마치 자동차끼리 충돌시켜 튕겨져 나오는 볼트나 너트 등을 연구하는 것 같은데 이 과정 중에 물질이 변환되어 전혀 엉뚱한 입자들이 나오기도 한다.
1967년 겔만은 기본입자의 충돌에서 이중성(Duality)이라는 규칙성을 발견해 S-행렬의 모든 수학적 속성들이 오일러 베타-함수(Euler beta-function)라고 부르는 수학적 속성 속에 모두 들어 있는 것을 발견한다. 물리학자들은 이에 고무되 기본입자의 내부 구조를 밝혀내고, 강한 핵력을 이해할 수 있는 희망을 갖게 되었다. 1970년에 물리학자들은 기본입자를 점으로 보지 말고 진동하는 작은 끈으로 생각해야 한다는 결론에 다다랐다.
가속기의 성능이 향상되면서 반입자(anti-particle), 양전자(positron), 중성자(neutron) 등이 발견되었고, 수많은 소립자들이 발견되었는데, 물리학자들은 입자들의 생성과 소멸을 기술하는 양자장 이론(Quantom Field Theory)을 개발하여 이를 설명하려 했다. 양자장 이론에 따르면 힘은 상이한 입자들 사이에 전령 입자(Messenger Particle)가 교환되기 때문에 발생한다.
예를 들어 전자기력의 전령입자는 광자(Photon)이고, 강한 핵력의 전령입자는 글루온(Gluon)이다.힘의 크기는 소위 쌍연결 상수(Coupling Constant)라고 부르는 수들로 코드화 되어 있다.양자역학이 수학적 모형에 의해 미세 구조를 설명하려는데 반해 끈 이론가들은 기하학적 모형에 의해 이를 설명하려고 한다. 끈 이론에서는 모든 기본물질의 원류는 기타 줄과 같은 끈 모양으로 이루어졌고, 이 끈이 진동상태에 있을 때 입자의 형태로 나타난다고 주장한다.끈은 갈라지거나, 합쳐지거나, 양 끝이 붙어서 고리 모양을 형성하거나, 고리가 갈라져 2개의 고리를 형성할 수 있고, 이 때 마다 끈의 속성이 변하며 다른 입자들처럼 보이게 된다.
끈 이론에서 전령입자의 교환은 공간을 떠다니는 끈들이 갈라지고 모이는 것이다.아인슈타인의 질량과 에너지의 등가성은 보다 많이 진동하는 끈의 진동 에너지로 설명된다.끈 이론에서는 자연의 모든 입자는 현(끈)이 진동하는 다양한 유형이라고 한다. 즉, 진동하는 현이 들어 있는 공간의 차원의 수와 위상에 의해 입자의 성질이 결정된다.
끈 이론이 예측하는 기본입자들과 힘을 결정하는 것은 부가되는 차원들의 정확한 기하학과 위상학이다.
1차원의 끈은 끈이 줄어들거나 늘어나면서 종진동(Longitudinal Vibration)을 할 수 있고, 2차원의 끈은 끈의 수직 방향으로 횡진동(Transverse Vibration)을 할 수 있으며, 3차원의 끈은 나선형의 진동이 가능하다.위상학은 표면이나 공간의 모양과 관련된 성질을 다루고, 메트릭이나 곡률은 다루지 않다. 예를 들어 직선은 두 끝을 가지고 있고 원은 그렇지 않기 때문에 다른 위상을 같고 있지만, 원과 타원은 곡률만 다르기 때문에 같은 위상을 가지고 있다. 2차원 평면을 말아서 원통을 만든다면 직관적으로 원통은 휘어졌다고 생각하지만, 기하학적으로는 평면과 같이 평평하고 곡률은 0 이다. 그러나 평면과 원통은 연결 상태와 위상에서 다르다. 예를 들어 평면에서는 원을 축소시켜 점을 만들 수 있는데, 원통에서는 원통을 휘감은 폐곡선을 그렇게 할 수 없다. 원통의 이런 유형의 끈은 평면 상태의 끈의 진동과는 다른 형태의 진동상태를 가지게 된다. 그러므로 끈 이론에서는 우주가 원통공간일 때 다른 유형의 입자와 힘들이 나오게 된다.원통을 구부려 양 끝을 붙히면 도넛 모양의 토러스(Torus) 공간이라고 하는 다른 차원의 공간이 형성된다. 이 도넛을 묶거나 구멍을 여러 개 뚫어 더 높은 차원을 형성할 수 있고, 위상에 따라 다른 진동상태가 가능하다. 차원을 추가할수록 가능한 공간들은 더욱 복잡해지며, 풍부한 진동상태를 통해 다양한 기본입자와 힘을 이론적으로 설명할 수 있다.1976년 셰르크를 비롯한 물리학자들이 끈 이론과 초대칭성을 통합해 초끈이론(Superstring Theory)을 제안했다. 끈 이론은 슈바르츠가 연구를 지속했고, 물리학자 겸 수학자인 위튼이 이어 받았다. 1985년 물리학자들은 칼라비-야우 공간(Calabi-Yau space) 라고 부르는 유한한 공간들의 집합을 발견했다. 추가된 6차원의 칼라비-야우 공간은 연탄구멍과 비슷한데, 각각의 구멍에 대응해서 한 족(family)의 끈 진동이 있고, 기본입자들이 4개 유형의 입자(전자, 뉴트리노, 2개의 쿼크)로 족을 이룬다는 사실과 일치한다.
위튼은 현재 수학적 통찰에 바탕을 둔 M-이론 연구에 힘을 기울이고 있다. 그는 다섯 개의 상이한 끈 이론들이 M-이론이라고 명명될 단일 이론의 근사형태라고 선언했다.M-이론에 따르면 끈은 기본입자가 아니며, 브레인(Brane)이라고 부르는 막(膜)의 한 경우일 뿐이다.브레인은 고차원적인 끈이며 비누거품 같은 형태다.
M-이론에 의하면 물리학의 법칙들은 보다 복잡한 대상의 보다 복잡한 진동에 의해 결정된다.M-이론에는 감겨있는 차원 하나가 더 추가되어 전체 차원의 수는 11(10+1)차원이 된다.M-이론에서는 시간과 공간 자체가 존재하지 않는다.M-이론을 통해 블랙홀의 엔트로피 상태의 수를 구하면 스티븐 호킹 박사가 다른 방법으로 구한 값과 일치한다. 만약 대형 입자 가속기에서 초대칭 입자가 10개정도 더 발견되면 M-이론은 입증될 것이다, 그렇게 되면 M-이론은 양자역학과 일반 상대성이론을 결합하는 통합적인 이론이 될 것이다.
6. 물질에 대한 일반적인 정의
질량과 부피를 갖는 존재로, 사람들은 아주 오래 전부터 물질을 관찰하여 왔으나 물질이 왜 공간을 차지하는지에 대한 이론은 최근에야 정립되었다. 파울리 배타 원리에 의하면 같은 양자 상태에 두 개의 동일한 페르미온이 존재할 수 없다. 이에 따라 물질은 중첩되지 않는다.
국제도량사무국에서는 물질을 ‘존재의 총합’으로 정의하는데, 존재의 총합의 단위는 mol로 표기하며, 탄소 12의 원자가 1몰 있을 때의 질량을 0.012kg, 즉 12g이라 한다.
. 탄소 12의 원자가 1몰 있을 때의 원자 수량에 해당하는 수량과 같은 수량을 갖는 존재의 총합을 1mol이라 하며 mol로 표기될 수 있는 존재는 원자, 분자, 이온, 전자, 또는 기타 입자이며 열거한 입자들이 결합되어 있는 경우를 포함한다.
원자와 분자
물리학이나 화학에서는 물질을 원자나 분자의 집합체로서 정의한다. 이 정의는 국제도량사무국의 정의에 일부 부합하는 것이긴 하나, mol 단위가 고려되지 않는 점에서 다르며, DNA와 같은 물질은 원자와 분자로 결합되어 있다. 그러나 DNA를 다룰 때 mol 단위로 파악하는 건 의미가 없다.
DNA를 통해 세대에서 세대로 유전되는 형질을 연구할 때 중요시 되는 것은 DNA의 염기서열이다. 또한 원자와 분자의 결합으로 물질을 설명하는 것에는 분명한 한계가 있다. 즉, 원자보다 작은 입자인 전자, 양성자, 중성자 등과 이를 이루는 기본입자 등을 다루는 경우와 플라스마, 전해질과 같은 이온 물질에 대해서는 별도의 정의가 필요하다.
입자
보존양성자, 중성자, 전자가 원자를 이루는 물질이라 정의할 수 있다. 그러나 이러한 입자들 역시 가장 작은 물질의 기본 단위는 아니다. 이들은 다시 쿼크와 렙톤과 같은 페르미온으로 분해 될 수 있다. 표준 모형에서는 페르미온을 물질의 최소 단위로서 정의한다.
- 페르미온 : 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미의 이름을 딴 것으로 페르미의 통계를 따르는 입자로서 반정수의 스핀을 가지며, 모든 입자는(에니온 따위는 제외) 스핀 혹은 통계에 따라 페르미온과 보존으로 나눈다. 한편, 또 다른 기본입자인 보존은 물질을 이루지 않으며 에너지만을 전달한다.
입자에 의한 물질의 정의에 따르면 원자는 렙톤의 일종인 전자와 쿼크에 의해 이루어진 바리온인 양성자, 중성자로 이루어지고, 원자는 다시 분자를 구성한다. 이러한 의미에서 원자와 분자를 물질의 기본단위로 정의할 수 있다. 이러한 정의는 이온과 같이 원자가 아닌 상태의 물질에서도 적용될 수 있다. 한편, 원자가 분해될 수 있다는 사실을 발견한 이래 입자물리학은 더 작은 기본입자를 찾기 위한 실험을 계속해오다가 가장 먼저 발견된 것은 두 종류의 쿼크(업(u)와 다운(d)), 두 종류의 렙톤(전자, 엘렉트릭 뉴트리오)으로 이를 1세대 입자라 한다. 이후 2세대 입자인 2종류의 쿼크(참 쿼크, 스트레인지 쿼크)와 2종류의 렙톤(뮤온, 뮤온 뉴트리오), 3세대 입자인 톱 쿼크, 버텀 쿼크, 타우, 타우뉴트리오가 발견되었다. 여기서 세대는 발견 시기가 비슷한 입자들을 편의에 따라 묶은 것이다.
물질의 상평형
대부분의 물질은 저온 고압일 때 고체가 되며 기체, 고체, 액체로 나누어지는 고유의 삼중점을 가지며, 임계점 이상의 영역에서 물질은 초유체가 된다.
고체
일정한 모양을 가지고 있어 힘이나 압력의 변화에도 모양이나 부피가 변하지 않고 자체 구조를 유지하는 물질 상태로서 암석, 금속과 같이 강도가 강한 물질부터 종이와 같이 유연한 것, 유리와 같이 결정이 없는 것 등 여러 종류가 있다. 대표적으로 얼음을 들 수 있다. 고체는 분자 사이의 간격이 매우 조밀하고 아주 규칙적으로 배열되어 있어 일정한 모양과 부피가 있다.
액체
점성을 갖는 유체로서 일정한 부피를 갖고 있으나 형태를 유지하지는 못한다. 대표적으로 물이 있으며 액체는 고체보다 분자 사이의 간격이 넓고 고체에 비해 분자가 자유롭게 운동하기 때문에 담는 곳에 따른 모양이 다르다(하지만 부피는 일정하다).
기체
일정한 응집력이 없는 유체다. 응집력이 없기 때문에 모양과 부피가 일정하지 않다. 수증기가 대표적이며 분자 사이 간격은 매우 넓고 불규칙하여 일정한 모양과 부피가 없다.
보즈-아인슈타인 응축
보즈-아인슈타인 응축은 보즈가 이론적 토대를 마련하고 아인슈타인이 이를 보완하여 예견한 물질의 상으로 보존입자들이 절대 영도에 근접할 때 응축하여 나타난다.
기본입자의 구조
입자물리학의 표준 모형에서 물질을 이루는 기본입자는 페르미온이다. 페르미온은 쿼크와 렙톤으로 구분되며 페르미-디랙 통계에 따라 분포한다.
반물질
반물질은 물리학의 미해결 문제다. 관측 가능한 우주에서 반물질보다 물질이 많은 까닭은 무엇인가? 반물질은 반입자의 개념을 물질로 확대시킨 것으로, 물질이 입자로 이루어져 있듯이 반물질은 반입자로 구성되어 있다. 보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 말한다.
입자와 반입자가 만나면 상호작용하여 감마선이나 중성미자로 변하기 때문에 존재를 확인하기 어렵다. 실제로 확인한 반물질은 반중성자, 반양성자, 반중양성자 등이 있다. 또한 반물질과 물질이 서로 접촉하면 쌍소멸이 일어나고 막대한 양의 에너지가 발생한다. 관측 가능한 우주에서 물질이 반물질보다 많은 까닭은 아직까지 밝혀지지 않고 있다.
기타
천문학에서 암흑 물질은 빛을 비롯한 전자기 복사가 없어 그 자체로는 관측되지 않는 물질을 말한다. 관측 가능한 우주에서 암흑물질은 전체 질량의 23%를 차지하고 있다. 암흑 물질을 이루는 물질로는 액시온과 같은 가상의 입자가 제안되고 있다.
가장 가벼운 물질과 무거운 물질
자연계의 물질중 우라늄이 가장 무거우며 보통 원자력 발전소에서 연료(우라늄235)를 쓰고 남은 핵폐기물 우라늄 238을 열화 우라늄이라 하는데 숫자를 보면 중성자가 235보다 3개 더 많기 때문에 아주 조금 더 무겁다.
비중(물이 섭씨 4도c 일 때 비중1)은 19정도 되는데, 철이 7.86 납이 11.34다. 즉 물보다 19배 무겁다. 열화 우라늄은 그 비중과 상온에서 구조 붕괴시 깨어진 유리처럼 날카로워지는 현상으로 미국등에서 관통용 탄두나 항공기용 발칸 탄 등에 사용된다.
제일 가벼운 물질은 주기율표 1번인 수소로서, 원자 구조가 제일 간단하고 우주에 가장 흔한 물질이다. 그 다음은 원소 번호 2번인 헬륨으로 공기보다 가벼워서 애드벌룬을 만들 때 쓰이는데, 수소가 더 가벼워도 헬륨이 쓰이는 이유는 수소는 폭발할 수 있어서 위험하지만, 헬륨은 불활성 기체라 연소도 안 되고 안정적이기 때문이다.
7. 열역학 제1법칙(first law of thermodynamics)
일명 ‘에너지 보존의 법칙’이라 한다.
- 닫힌 역학계에서 에너지의 형태가 어떻게 바뀌더라도 총 에너지의 합은 일정하다는 것이다.
열은 높은 온도의 계에서 낮은 온도의 계로 이동하는 에너지다. 또한 계의 에너지는 계가 주변에 역학적 일을 함으로 감소하거나, 주변으로부터 일을 받음으로 증가하는데, 이 에너지가 보존된다는 것이다.
8. 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)
일명 ‘일방통행의 법칙’이라 한다.
에너지가 흐르는 방향을 설명하는 법칙으로, 이는 어떠한 계의 총 엔트로피는 다른 계의 엔트로피가 증가하지 않는 이상 감소하지 않는다는 법칙이다. ‘지구상에서 일어나는 모든 일에는 자연의 이치에 따른 방향성이 있다’라는 내용이다. 누가 발견했는지는 알려져 있지 않다. 여기서 방향성이란 열역학적으로 질서가 파괴되어 혼돈의 상태에 도달하는 것을 뜻하는데, 이를 통하여 모든 물질은 정돈된 상태보다는 혼란스러운 상태로 가려는 경향이 있다는 것을 알 수 있으며, 이것을 흔히 일방통행 법칙의 열역학적 정의라고 부른다.
그러나 오늘날 이 법칙의 의미가 ‘모든 일은 무질서해지는 경향으로 일어난다.’는 열역학적 정의에서 ‘모든 일은 한 방향으로만 일어난다.’는 뜻으로 일반화됨에 따라 여백 부족의 정리와 마찬가지로 지구상의 대부분의 일을 단 한 번에 설명할 수 있는 그야말로 무심한 듯 시크한 법칙이 되었다. 그러고 나서 얼마 뒤에는 각 사건의 방향성을 일일이 고려하지 않고 그것을 뭉뚱그려 사건이 일어나는 방향을 자연의 이치에 부합하는 방향으로 요약함으로써 이 법칙의 의미는 ‘지구상의 어떤 사건이 자연의 이치에 부합하는 방향으로 진행되면 그 사건은 항상 참이다’라는 내용으로 변하였다.
- 일방통행의 열역학 제2법칙에서 흔히 사용되는 상태들을 열역학적으로 정돈 상태와 혼란 상태로 나눈다.
정돈 상태 : 깨끗함, 질서정연함, 저온, 높은 고도, 종교, 젊음
혼란 상태 : 더러움, 무질서함, 고온, 낮은 고도, 무신론, 늙음
원리와 법칙은 매우 간단하다. 에너지를 가하지 않으면 높은 곳에 있는 물체는 낮은 곳으로 떨어지며, 뜨거운 물체는 식고, 강은 상류에서 하류로 흘러가듯이 지구상의 모든 일에는 방향성이 있다는 원리다.
그 방향성을 따르는 것은 바로 무질서에 기원한 자연의 이치로, 의심할 여지없이 항상 참이다. 이 법칙은 페르마의 마지막 정리와 함께 난공불락의 정리를 증명하기 아주 좋다.
엔트로피 [ entropy ]
자연 형질이 변형되어, 다시 원래의 상태로 환원될 수 없게 되는 현상을 말한다.
에너지의 사용으로 결국 사용가능한 에너지가 손실되는 결과를 가져온다.
1865년 R.E.클라우지우스가 변화를 뜻하는 그리스어 τροπη에서 이 물리량을 엔트로피라 이름 하였다. 인간이 자연에서 얻는 에너지는 언제나 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나는데, 이를 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 우주의 전체 에너지 양은 일정하고 전체 엔트로피는 증가한다.
이론적으로는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비 dS=dQ/T로 정의한다. 여기서 dS는 물질계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다. 열기관의 효율을 이론적으로 계산하는 이상기관의 경우는 모든 과정이 가역과정이므로 엔트로피는 일정하게 유지된다. 일반적으로 현상이 비가역과정인 자연적 과정을 따르는 경우에는 이 양이 증가하고, 자연적 과정에 역행하는 경우에는 감소하는 성질이 있다. 그러므로 자연현상의 변화가 자연적 방향을 따라 발생하는가를 나타내는 척도이다.
열역학에서 중요한 제1법칙은 에너지보존의 법칙, 즉 우주에 존재하는 에너지 총량은 일정하며 절대 변하지 않는다는 것이다. 제2법칙은 대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 이미 진행된 변화를 되돌릴 수 없다는 의미이다. 따라서 자연 물질계의 변화는 엔트로피의 총량이 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 즉 가용할 수 있는 에너지는 일정한데 자연의 물질은 일정한 방향으로 만 움직이기 때문에 무용한 상태로 변화한 자연현상이나 물질의 변화는 다시 되돌릴 수 없다는 것이다. 즉 다시 가용할 수 있는 상태로 환원시킬 수 없는, 무용의 상태로 전환된 질량(에너지)의 총량을 '엔트로피(entropy)'고 한다.
예를 들어 석유 또는 석탄을 연료로 이용하여 에너지를 얻을 수 있지만 석탄은 아황산가스, 이산화탄소 등으로 기화하기 때문에 가용 가능한 상태로 다시 되돌리지 못한다. 그 질량은 다른 상태로 변화되어도 사라지지 않지만, 이미 되돌릴 수 없는 상태로 전환된 것이다. 때때로 자연현상은 국부적으로 엔트로피가 감소하는 비자연적 변화를 따르는 것도 있지만, 그것에 관계되는 물질계 전체를 다루어 보면, 항상 엔트로피를 증가시키는 방향으로 현상이 변화한다. 즉 물질의 재활용을 위해서는 또다른 에너지를 소모해야 하기 때문에 전체적으로는 엔트로피가 상승하는 결과를 가져올 뿐이다. 이 이론은 자연현상이 일어나는 방향을 정하는 것으로서, 에너지보존법칙과 함께 열역학의 기본법칙으로서 중요하다.
엔트로피는 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 통계역학의 입장에서 보면 열역학적인 확률을 나타내는 양이다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서 있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석한다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다.
일반적으로 열역학적 확률의 최대값은 온도가 균일한 열평형상태에 대응한다. 다른 에너지 출입이 없는 고립계인 경우에는 계 전체가 열평형에 도달하여 모든 열과정이 정지하는 상태이다.
산업화를 통한 기계화는 지구에 한정된 화석자원을 급속하게 고갈시켜 가고 있으며 점차 막대한 에너지를 소비하는 사회로 진화되어 가는 현상을 우려하는 목소리가 높아지고 있다. 현재처럼 엔트로피가 증가하게 되면 머지않은 장래에 석유, 석탄 등 전통적인 자원이 고갈될 것이며 이를 대체하는 에너지를 생산하는 일은 추가적인 생산 에너지를 필요로 하기 때문에 엔트로피의 증가는 한층 심화될 것이라고 경고한다.
9. 여러 가지 형태의 에너지
① 역학적 에너지(기계적 에너지) : 위치에너지와 운동에너지가 있다. 물건을 들어 올리면 운동에너지가 위치에너지가 되고 떨어트리면 위치에너지가 운동에너지가 된다.
-. 운동에너지가 한일은 속도 변화의 제곱에 비례 한다.
-. 위치에너지가 한일은 높이 변화에 비례한다.
② 열에너지 : 열은 물체의 온도를 높여 부피를 팽창시키기도 하고 상태 변화(기화, 액화, 승화 등)를 일으키기도 하는 에너지의 일종이다. 물체는 내부에너지를 가지고 있으며 이것이 변할 때 일부 또는 전부가 열의 형태로 에너지가 방출된다. 열의 이동(열전달)은 열의 양 차이가 아니라 온도차에 의해 일어난다. 열전달은 전도, 대류, 복사의 형태로 이루어진다.
③ 화학에너지 : 모든 물질은 에너지를 가지고 있으며 물질을 구성하는 입자들의 화학결합으로 보전되어 있다. 물질은 열에너지 등이 가해지거나 화학적인 변화가 생기면, 보존되어 있던 에너지가 열이나 빛 또는 전기 에너지 등의 형태로 나타난다.
화학결합은 원자간 결합(원자-원자)과 원자 내 결합(양성자-중성자)이 있는데 연소는 원자간 결합의 해체이고 핵반응은 원자 내 결합의 해체이다. 따라서 연소와 핵반응에 의한 열에너지 방출은 화학 결합의 해체에 의한 것이다.
10. 질량과 무게의 차이
질량은 물리학에서 모든 물질의 기본 특성인 관성의 정량적인 측정치다.
실제로 질량은 물체가 힘을 받았을 때 그것의 속도와 위치가 변화하는 데 대한 저항의 정도이다.
물체의 질량이 클수록 외력에 의한 변화는 적다. 질량은 관성으로 정의되지만 관습적으로 무게로 나타낸다. 국제적인 협의에 의해 다른 모든 물체들의 질량을 비교하는 질량의 표준단위는 1㎏의 백금-이리듐 원통으로 질량의 단위는 g, kg 으로 표시 한다.
무게는 지구나 달과 같은 거대한 물체가 있음으로 인해 다른 물체를 끌어당기게 되는 중력(重力)의 크기다.
무게는 질량과 관련이 있지만 같은 것은 아니다. 무게는 근본적으로 지구의 중력에 의해서 물체에 가해지는 힘이기 때문에 장소에 따라 다르다. 반면에 질량은 정상적인 상황이라면 위치에 관계없이 일정하다. 무게의 단위는 g중, kg중, N 등으로 힘의 단위와 같다.
수식으로는 W=mg(W:무게, m:질량, g:중력)질량은 '물질의 양'이다.
물체에 무게가 생기는 이유는 우주상에 있는 모든 질량이 있는 물체는 서로를 잡아당기기 때문이다. 사람과 사람, 사람과 물체, 물체와 물체 모두 마찬가지다. 다만 그것들은 질량이 너무 작아서 느껴지지 않을 뿐이다. 이게 바로 '만유인력의 법칙'이다. 우리가 지구상에서 무게를 느끼는 것도 우리와 지구가 서로 잡아당기기 때문이다.(실상 우리 몸에 비해 지구의 질량이 너무 커서 우리 몸이 잡아당기는 건 무시되지만) 즉, (지구에서의) 물체의 무게는 지구가 물체를 당기는 것과 관련이 있는 것이다.
한편 지구의 중력은 9.8m/sec² 다. 그리고 달의 질량은 지구의 1/6이므로 달의 중력이 지구의 1/6이 된다. 때문에 같은 물체라도 지구에서의 무게와 달에서의 무게는 다르지만 질량은 같다. 그 이유는 무게는 질량을 가진 두 물체가 서로 당기는 힘(중력가속도)에 의해 결정되기 때문이다.
흔히 무게를 잴 때 말하는 kg은 엄밀히 말해 여기에 지구에서의 중력가속도 값(9.8m/sec²)이 포함된 'kg중' 이라는 단위를 써야하지만 무게와 질량이 똑같은 이유는 질량을 재는 기준을 지구에 정했기 때문이다.
예를 들어 6kg의 사과가 있다면 이것의 지구에서의 '무게'는 정확히 말해 6kg중이며 달에서의 '무게'는 1kg중이다. 하지만, 이것의 지구에서의 '질량'은 6kg이고 달에서의 '질량'도 6kg이다. 그러나 만약 우리가 지구가 아닌 달에 살고 있다면, 사과의 '질량'은 6kg이 아니라 1kg이었을 테고 역시 지구에서도 1kg 이 되겠지만, 반면 사과의 '무게'는 달에서는 1kg중이고 지구에서는 6kg중이 될 것이다.
11. 핵분열, 핵융합, 반물질 반응에 의한 에너지의 생성량
에너지는 일을 할 수 있는 능력으로 정지한 물체에 힘을 가하여 이동시키면 속도를 변화시키는 일이 발생하며 이때 주어진 에너지가 많으면 일의 양이 커진다. 에너지와 일의 단위는 동일하며 1g의 물체를 1cm/s² 가속도로 1cm 이동한 일의 양을 1에르그(erg=g.cm²/s²)
라 하며 이것의 107배인 1줄(J=kg.m²/s²)을 실용단위로 쓴다. 또한 에너지는 칼로리(cal)로 표현 하는데, 물 1g을 14.5°c~15.5°c로 올리는데 필요한 열량을 1cal(=4.184J)라 한다.
위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 에너지보존의 법칙에 따라서 에너지는 서로 다른 형태(전기, 자기, 빛, 열, 화학에너지)로 교환 될 수 있다.
E=MC²은 질량에너지 등가의 법칙으로 질량과 에너지는 본질적으로 같은 것으로 어떤 물체의 속력이 증가하게 되면 그만큼의 에너지를 얻게 되며 물질의 질량도 에너지로 변환 될 수 있어서 1g의 물질이 에너지로 바뀌면 E=MC²(C=299,792km/S)의 법칙에 따라서 9*1020에르그의 에너지가 방출된다.
핵분열의 경우 질량수가 가장 큰 원자들은 원자 내 결합이 불안정하여 중성자가 유입되어 원자가 더 커지면 원자형태를 유지할 수 없어 두개로 쪼개지면서 안정된 두개의 다른 원자구조에 들지 못한 중성자들이 에너지로 변환되면서 동시에 두 원자의 질량의 합이 원래 원자 하나에 비해 줄어든다.
* 예: (질량수235)U+중성자=(질량수94)Kr +(질량수139)Ba +중성자 3
(질량수235)U+중성자=(질량수91)Sr +(질량수143)Xe +중성자 2개
(질량수235)U+중성자=(질량수97)Zr +(질량수137)Te +중성자 2개
U-우라늄, Kr-크립톤, Ba-바륨, Sr-스트론튬 Xe-크세논 Zr-지르코늄 Te-텔루르
핵융합은 가장 가벼운 원자인 정상적인 수소보다 중성자 수가 하나 또는 2개 더 많은 중수소나 삼중수소가 합해져 헬륨이 되면서 결손 되는 질량으로 에너지를 생성한다.
숯이 연소 되었을 때의 질량 감소는 핵분열이나 핵융합과는 다른 원래 결합된 분자구조의 물질이 재결합된 분자로서 가시적 형태로 잔존한 량이 줄었다는 것이지 근본적인 질량결손은 아닌 즉 숯이 재와 일산화탄소나 이산화탄소로 재결합된 것으로 그 재결합된 총량은 결손이 아닌 똑 같은 질량일 뿐이다. C+O²=C0²
실제의 핵분열시 질량 결손은 우라늄 235가 크립톤과 납으로 변화되면서 0.07%(7/10,000)가 있고, 핵 융합시엔 중수소(또는 삼중수소)가 헬륨으로 변하면서 0.4%(4/1,000. 핵 분열의 약 6배)정도의 질량 결손이 있다. 예) 플루토늄 10kg을 핵분열 하면 0.07%의 질량이 감소되므로 7g이 에너지로 전환하여, 7g×300,000km/s×300,000km=0.63×10-18승N으로 대략 50톤 무게의 탱크를 1초에 6억km를 날려 보낼 수 있는 힘이다.
실제 히로시마의 원자폭탄은 폭탄무게 4톤에 우라늄량 60kg으로 폭발 당시 실제 폭발된 우라늄은 약 1~2%로(이 때문에 현재는 핵폭탄의 크기보다 폭발력을 높여 가볍지만 위력을 크게 하여, 빠르고 멀리 보낼 수 있는 탄두를 개발하고 있다)보는데 이 경우 질량 감소량은 약1g 정도라고 하므로, 만약 1kg의 물질을 완전히 에너지로 전환시킨다면 그야말로 어마어마한 힘(히로시마의 원폭의 1,000배)이 되는 것이다.
-. 밀폐된 공간에서 같은 질량의 물질이 각각 핵반응(핵분열 또는 핵융합)과 연소와 산화를 했다면, 그 총량을 질량으로 계산하면 핵반응에서는 질량이 줄어들지만 연소와 산화에서는 질량의 총량은 그대로다. 대신 질량과 에너지의 총량은 핵반응, 연소, 산화에서 다 똑 같다. 이는 연소와 산화는 분자 또는 원자 간에 결합된 것이 결합에너지의 분리에 의해 각각의 분자 구조나 원소로 분해되거나 다른 구조로 재결합 된 상태로서 물질 입자의 변화가 없으므로 질량의 총량이 그대로이지만 핵반응의 경우에는 물질 구성입자의 얼마가 완전히 소멸되면서 에너지로 전환되었기 때문에(상대성 원리 질량에너지 등가의 법칙) 질량은 줄어들지만 줄어든 질량이 에너지로 전화되어 질량과 에너지의 총량은 여전히 똑 같은 것이다.
반물질의 반응에 의한 에너지의 생성량
우리가 알고 있던 물질은 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있지만 반물질은 이에 반대되는 성질인 반양성자, 반중성자, 반전자를 가진 물질로서 이 세상의 모든 물질에 반대되는 물질 개념이다.
일상에서 반입자를 경험하기 힘든데, 반입자가 입자와 접촉하는 순간 (+) + (-) = 0이 되듯이 에너지(빛)와 감마선을 방출하고 쌍 소멸해 버린다. 그러나 이것으로 영화 ‘천사와 악마’, ‘스타워즈’에서처럼 반물질 폭탄이나 반물질 에너지를 이용한 추진체의 우주선을 만든다면 반물질의 양만큼 물질이 쌍 소멸해 버리므로 히로시마 원폭의 실제 소멸된 질량이 1g으로 추정 되는 것을 볼 때 어마어마한 위력이 될 것이다.
반물질 폭탄의 경우 질량소멸로 일어나는 에너지는 핵융합의 약 100배, 핵분열의 약1000배로서 반물질 1kg이 물질과 만나 쌍소멸하면 TNT 43메가톤으로 역사상 최대의 폭탄인 구소련의 차르붐바 급이 된다.
* 차르붐바(짜르-황제: 폭탄의 제왕) : 구소련이 1961년 10월 폭발 실험하여 4천m 상공에서 폭발하여 파이어 볼은 10km 상공에서 지름7km가 발생하여 10km의 화구가 만들어지고 반경 34km 내의 모든 생물은 기화 했으며, 열기는 800km까지 전달되고 후폭풍은 1000km의 핀란드의 가정집 유리창이 박살나고, 버섯구름은 1000km 밖에서 관측되고 충격파는 지구 3바퀴를 돌았다. 히로시마 원폭의 3000배인 57메가톤급으로 순수한 질량 감소량은 약1.5kg 정도며, 태양에서 39나노초 동안 방출되는 에너지의 약1% 정도였다.
처음 반물질의 존재가능성을 제기한 사람은 영국 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac)으로, 그는 상대론적인 양자역학인 디랙방정식을 연구하는 과정에서 전자와 질량은 같으면서 전하는 반대인 새로운 물질이 있어야 함을 발견하고 이것을 '반전자'로 가정하였다. 그 후 미국의 물리학자인 앤더슨이 우주에서 지구로 쏟아지는 방사선을 연구하던 중 반물질의 구성요소 중 하나인 양전자를 발견했고, 1년 후 감마선을 이용하여 소량의 양전자를 만들어내는데 성공해 반물질의 존재가 증명되었다. 폴 디랙이 양자역학과 아인슈타인의 상대성 이론을 결합해 고안한 디랙방정식은 두개의 해가 있는데 하나는 물질, 다른 하나는 반물질이라고 설명한다.
CERN(유럽원자핵공동연구소)에서는 LHC(거대강입자가속기)를 이용해 작은 공간 안에 7억개의 양전자와 1000만개의 반양성자를 가둬 두고 가속하는 방식으로 38개의 반수소 원자를 만들어냈다. 이 원자들은 0.2초가량 안정적으로 유지된 뒤 소멸했는데 BBC는 “반입자와 반물질은 생성 즉시 사라지기 때문에 정상 물질과 달리 특정공간 안에서 유지되기 힘들다”면서, “연구진은 강력한 자기권역을 만들어 반수소 원자를 잡아넣을 수 있었다”고 설명했다. 물리학자들은 우주 생성 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어졌지만 반물질이 알 수 없는 이유로 모두 사라지고 현재 물질만 남았다고 추측한다.