그림으로 보는 상대성이론과 양자역학 by 스티븐 맨리

[ 배운점/느낀점 ]

 

인문계 고등학교와 경영대를 나온 나에게

이과계 과목 (물리, 생물, 화학, 지구과학 등)은 미지의 영역이고 배제의 영역이었다.

 

동일시간을 투입했을 때 국어, 영어보다 수학, 생물은 점수를 더 얻을 수 가 없었다.

시장경제 용어로 생산성, 효율성이 떨어지는 것이다.

 

하여 종합영어를 1시간 볼때 수학의 정석은 30분만 보았고

생물학은 10분만 보았을 것이다.

 

사회생활을 하고 경제적 여유가 생긴 나는

이러 저런 분야에 책을 주섬주섬 읽는 취미가 생겼다.

 

이제 중간고사, 기말고사를 볼 필요가 없는 내게

이과계 지식은 취미가 되었다.

 

궁금하고 재미있으면 읽어보면 되지 내가 얼마나 아는 지를 평가받을 필요가 없다.

나는 이과시험을 보기 싫었던 것이지

물리와 생물을 원래 싫어 해던 것은 아니었나 보다.

 

평가로 사람을 줄 세우는 것이 얼마나 사람을 피곤하게 하고

지식에 대한 사람의 숨은 열정과 관심을 죽일 수 있는지 느끼고 있다.

 

이과 과목에 대한 나의 지적 호기심을 기준으로 볼 때

평가는 지식을 늘리는 것이 아닌 호기심을 죽여 버리는 결과를 낳았다.

 

나온 지 100년이나 지난 상대성이론이

뭘 말하는 건지도 모른다는 것은 지식과 교양을 추구하는 내게 모욕감을 준다.

내가 100년 사람이 만든 지식도 이해조차 할 수 없다는 것인가......

도전의식을 고취하고 알고자 하는 열망을 자극한다.

 

물론 전공자들도 아인슈타인은 장방정식을 수학적으로 풀어내기는 쉽지 않다고 한다.

하지만 난 이제 더 이상 시험을 볼 필요가 없다.

 

읽고 싶으면 사서 읽으면 되고 (100% 이해 못해도) 아주 조금 이해하면 된다

 

누가 읽은 후 늘어난 지식을 평가하는 것도 아니고

읽고 나서 독후감을 제출해야 하거나 논문에 인용을 할 필요도 없다.

 

또한 사회 생활 20여년 하면서 술자리에서 상대성이론이 거론 되는 적도 없었다.

 

그냥 재미있으면 된다.

 

 

[ 주요 내용 ]

 

ㅇ 전문가란 좁은 분야 안에서 일어날 수 있는 모든 실수를 해본 사람이다.

    - 닐스 보어 (덴마크의 이론물리학자, 양자역학의 창시자 중 한 사람)

 

ㅇ 우리의 예상은 우리가 경험하는 영역에 맞도록 편향되어 있다.

 

ㅇ 오컴의 면도날...하나의 데이터를 기술하는 서로 다른 이론들이 있고, 그 중 하나를 선택해야 한다면, 가장 단순한 것이 최선인 경우가 많다는 것

 

ㅇ 속도는 방향이 정해져 있는 빠르기...자동차가 시속 10km의 속도로 북쪽으로 가거나 동쪽으로 갈 수 있죠. 두 경우 속력은 모두 시속 10km이지만, 속도는 달라요. 왜냐하면 방향이 각기 다르기 때문입니다.

 

ㅇ 믿거나 말거나, 당신과 광원(빛의 근원)이 어떻게 움직이든 간에 광속은 항상 일정하다.

 

ㅇ 빛 또한 파동이다. 물론 진동하는 물질이 없기 때문에 조금 이상하기는 하지만 말이다. 빛의 경우, 전기장과 자기장이 파동을 일으킨다.

 

ㅇ 아인슈타인은 서로 일정한 속도로 움직이고 있는 두 사람이 같은 대상을 관찰했을 때, 거기에 어떤 관계가 있는지 깊이 생각하다가 특수 상대성 이론을 창안했다. 이때 그가 세운 두 가지 가정이 이 이론의 기초가 되었다.

 

ㅇ 1가정) 관찰자가 얼마나 빠르게 움직이는지와 상관없이 빛의 속력은 모든 사람들에게 똑같다.

 

ㅇ 특수 상대성 이론에서 '특수'의 의미는 그 이론이 두 관찰자가 서로에 대해서 상대적으로 같은 속도로 움직이는 상황에서만 타당하다는 뜻.....만약 관찰자 중 한 사람 또는 둘 모두의 속도가 바뀌면 특수 상대성 이론은 적용할 수 없게 된다. 아인슈타인은 이러한 경우를 다루기 위해서 일반 상대성 이론을 발명하였다.

 

ㅇ 상대성은 사람들이 같은 사건을 보고 있을 때, 한 사람이 보는 것을 다른 사람이 보는 것과 상관시킨다.

 

ㅇ 2가정) 물리법칙은 이동하는 빠르기와 상관없이 모든 사람에게 동일하다.

 

ㅇ 만약 어떤 일이 일어났고, 그 일이 일어나는 데 그 사건에 대해서 정지한 채로 서 있는 누군가가 측정한 특정한 시간만큼 걸린다면, 그 사건이 일어나는 데 걸리는 시간은 그 사건에 대해서 움직이고 있는 누군가에게 걸리는 시간보다 길다는 겁니다. 만약 그 사건에 대해 상대적인 속력이, 가령 광속에 가까운 정도로, 아주 빠르다면, 그 차이는 크겠죠.

 

ㅇ 이 상대적 효과를 '시간 지연'이라고 한다.

 

ㅇ 상대성 이론은 한 '준거 틀'에서 이루어진 관찰이 다른 '준거 틀'에서 보이는 모습과 어떻게 다른지 얘기해주죠. 시간의 경과는 관찰자의 시점에 따라 달라져요. 시간은 상대적이 거든요.

 

ㅇ 운동량 보존의 법칙....운동량 = 질량 * 속도이고, 두 물체가 충돌하면 그 물체들의 속력과 방향은 변화하지만 운동량의 전체 값은 같은 상태로 유지 (또는 물리학자들이 쓰는 용어로 보존)되죠...

 

ㅇ 상대성 이론의 근본적인 가정 중 하나인, 어떻게 움직이든, 모두에 대해서 물리법칙은 항상 동일하다는 점을 기억해 두세요....다시 말해서, 어떻게 움직이든, 모든 관찰자에 대해서 운동량이 보존되어야 한다는 뜻입니다.

 

ㅇ 상대성 이론에 따르면 질량이 있는 모든 물체는 정지 에너지를 가진다.

 

ㅇ 질량-에너지 등가성은 현대 물리학에서 매우 중요한 개념...양자역학, 힘, 그리고 우주의 기원을 이해하기 위해서는 빼놓을 수 없는 개념이기 때문....흥미로운 사실은 질량 에너지를 다른 형태의 에너지로 바꿀 수 있고, 그 역도 가능하다는 것이다.

 

ㅇ 원자는 대부분 비어있는 공간...모든 원자는 극도로 작은 원자핵과 그 주위를 둘러싸고 있는 그보다도 더 작은 전자라고 불리는 입자들로 이루어져 있다. 원자의 질량은 대부분 원자핵이 차지하고 있고, 원자핵은 양성자와 중성자라고 불리는 입자들로 이루어져 있다.

 

ㅇ 모든 원소들은 원자핵의 크기, 좀 더 구체적으로 말하면 원자핵 속에 있는 양성자의 수로 다른 원자와 구별된다. 예를 들면, 수소 원자는 양성자 1개인데 비하여, 우라늄은 92개, 탄소는 6개 이다.

 

ㅇ 원자 안에는 어떤 악도 없다. 오직 인간의 영혼에만 악이 있을 뿐이다.

    - 아들라이 스티븐슨 (미국의 정치가)

 

ㅇ '특수'는 그 이론이 서로에 대해서 일정한 속도로 움직이는 사람들 사이의 측정치를 상관시킬 때에만 타당하는 뜻...

 

ㅇ 가속되는 준거 틀을 중력과 구분할 수 없다는 것....그걸 등가 원리라고 부름....등가 원리는 일반 상대성 이론이 가속되는 준거 틀 사이의 관계를 기술하는 것에 그치지 않고 중력 이론이기도 하다는 뜻..

 

ㅇ 일반 상대성 이론에서, 아인슈타인은 서로에 대해서 가속되고 있는 시점들 사이에서 이루어지는 측정을 상관시킬 때 어떤 일이 일어나는지 연구했다.

 

ㅇ 등가원리에 따르면, 우리는 가속되는 준거 틀과 중력의 차이를 구분할 수 없어요. 달리 말하면, 이것은 중력 때문에 빛이 휘어진 경로를 따라 움직인다는 뜻입니다. 그렇지만 빛은 두 점 사이의 최단 거리를 지납니다. 그래서 아인슈타인은 중력이 공간 속에서 휘어진다는 결론에 도달한 거죠. 빛이 휘어지는 것은 공간 자체가 굽어 있기 때문입니다.

 

ㅇ 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력이론입니다. 그건 중력이 시공의 굴곡에서 발생한다는 생각을 기반으로 구축된 것이죠. 그 이론은 기하학접 법칙들을 이용하는 기하학 이론입니다.

 

ㅇ 특수 상대성 이론에서 우리는 시간과 공간이 상대적이며 절대적이지 않다는 사실을 알았다. 또한 우리는 시간과 공간이 떼려야 뗄 수 없이 결합된 하나, 즉 시공(Space-time)이라는 점도 알고 있다. 일반 상대성 이론에서 시공은 휘어질 수 있는 직물로 간주됩니다. 이러한 왜곡이 우리가 중력이라고 느끼는 것이다. 또한 중력의 존재는 시공이 일그러져 있다는 것을 뜻한다.

 

ㅇ 일반 상대성 이론은 중력이 강한 곳에서 시간이 느리게 흐를 것일고 예측....측정 결과 지구 표면의 시계가 휠씬 더 느리게 간다는 사실을 확인했다.

 

ㅇ 일반 상대성 이론이 예측한 현상 중 가장 기인한 것이 블랙홀이라고 불리는 천체.....

 

ㅇ 공간에 하나의 양전하가 있다고 합시다. 물리학자들은 이 전하가 그 주위의 공간에 전기장을 발생시킨다고 가정합니다. 전기장이란, 전기장을 가진 공간의 한 영역에 전하가 있을 경우, 그 전하가 힘을 받는 조건을 말합니다.

 

ㅇ 전 세계의 물리학자들은 빛이 작은 에너지 묶음, 또는 양자 (개별 묶음의 양자)로 이루어져 있다는 결론을 피할 수 없었다.

 

ㅇ E = hv ( 빛의 에너지 = 플랑크 상수 * 빛의 주파수)

 

ㅇ 빛의 특성뿐만 아니라 물체의 특성을 기술하려면, 파동과 입자를 동시에 거론해야 한다. 전자를 더 이상 단일하고 작은 전기 알갱이로 생각해서는 안 된다. 전자는 파동과 연관되어야 하며, 이 파동은 결코 가공의 것이 아니다. 그 파장은 측정될 수 있으며, 그 [특성은] 예측이 가능하다.

 

- 루이 드 브로이의 노벨상 수상 강연에서 (1929년)

 

ㅇ 고전물리학에서 입자는 입자일 뿐이고 혼란스러운 파동적 특성 따위는 없어요. 한 입자의 위치와 운동을 알면, 그 입자에 미치는 모든 힘을 알 수 있고 미래에 그 입자가 어디에 있을지 정확히 계산할 수 있다는 식이죠. 그렇지만 물체가 파동가 같은 특성을 가지게 되면 사태는 그렇게 단순하지 않습니다. 도대체 파동의 위치는 정확히 어디일까요? 마찬가지로 우리가 한 입자의 파동적 측면에 대해 얼마간 알게 된다면, 그 입자의 입자적 측면에서는 어떻게 이야기할 수 있을까요?

 

ㅇ 양자역학의 계산을 통해서 얻을 수 있는 것은 확실성보다는 확률이다. 그것은 어떤 입자의 위치를 정확하게 이야기할 수 없으며, 단지 그 입자가 공간상의 특정 영역에 위치할 확률을 알 수 있을 뿐이다.

 

ㅇ 양자역학은 원자 구조, 기본적인 화학, 그리고 빛과 물질의 상호작용을 과학적으로 이해하기 위한 열쇠...

 

ㅇ 고전역학에 따르면 우주는 결정론적이다. 그 뜻은 만약 당신이 어떤 물체의 위치와 속도, 그리그 그 물체에 가해지는 힘을 안다면, 그것이 미래에 어느 곳에 있을지 정확히 계산할 수 있다는 것이다. 결정론의 한 측면은 - 고전역학에 따르면 - 한 입자의 정확한 위치와 속도를 결정할 수 있다는 것이다.

 

ㅇ 양자역학의 계산에서 나온 것은 전자의 파동함수의 해(답)이랍니다. 확산되는 것은 파동함수이고요

 

ㅇ 필림에 나타나는 수많은 전자들의 분포는 양자역학의 확률분포 계산과 정확히 일치한다. 그렇지만 양자역학은 개별 전자가 어디로 갈지는 예측하지 못한다. 양자역학은 전자가 도달할 수 있는 상대적인 확률만을 말해줄 수 있다. 이처럼 불확실한 확률적 지식이 실제 특정한 최종 상태로 변환되는 것을 흔히 파동함수의 붕괴라고 한다.

 

ㅇ 작은 입자의 위치와 운동, 그리고 그 입자에 미치는 힘까지 안다고 해도, 우리는 양자역학을 통해서 기껏해야 그 입자가 특정 경로를 취할 확률을 계산할 수 있을 뿐....가능한 모든 경로는 어떤 일이 일어날지 확실하게 알 수 없다. 이것은 결정론적 우주가 죽었다는 뜻....

 

ㅇ 다세계 이론에 따르면, 우주는 일어날 수 있는 모든 양자 과정에 해당하는 수의 우주로 나뉘어야 한다.

 

ㅇ 양자역학은 우리 주위의 세계를 설명한다는 점에서 매우 탁월하다. 어떤 이론이 유용하기 위해서 반드시 사람들의 직관이나 정신적 안정권에 부합할 필요는 없다.

 

ㅇ 에너지-시간 불확정성 원리.....만약 한 입자가 아주 짧은 시간 동안만 특정한 양자 상태로 존재할 수 있다면, 그 에너지는 매우 불확실해져요

 

ㅇ 양자역학이 구체적인 사례에서 어떤 일이 일어나는지 정확히 보는 방식이 아니라 어떤 일이 일어날 수 있는 확률과 가능성을 다룬다는 점을 상기할 필요가 있다. 일어날 수 있는 일이 일어나게 된다는 것이다.

 

ㅇ 진공....양자역학에 따르면, 그 공간 영역 속에 에너지는 불확정성 원리와 일치하는 방식으로 변동, 또는 요동할 수 있다......아무 것도 없는 상자 속에서도, 극히 짧은 시간 동안 변동이 일어난다면, 에너지가 아주 큰 값으로까지 요동할 수 있다. 시간이 짧다면 에너지는 클 수 있다는 말이다. 양자역학이 허용하는 이러한 에너지 변동을 양자적 요동이라고 한다. 에너지 요동이 충분히 크면, 그 에너지가 입자-반입자 쌍으로 전환될 수 있다. 이 쌍은 거의 순간적으로 소멸한다. 불확정성 원리에 위배되지 않으려면, 이 쌍은 순간적으로만 존재할 수 있기 때문이다.

 

ㅇ 모든 종류의 근본 입자들은 쌍둥이처럼 모든 것이 똑같지만 전하만 정반대인 반입자를 가진다.....양전하를 띤 전자, 즉 양전자를 발견했다. (그리고 일상적으로 만들수도 있다.) 과학자들은 반-양성자와 반-수도 원자도 만들었다.

 

ㅇ 실제로 반물질이 물질과 만나면, 그 입자들이 쌍소멸해서 모든 질량이 고에너지 광자 형태의 에너지로 바뀐다.

 

ㅇ 양자역학은 입자를 불확정성 원리, 전하보존원리 등이 허용하는 가능성들의 종합으로 본다. 따라서 양자세계에서 전자는 작은 공깃돌보다는, 불쑥 나타났다가 관찰하기가 너무 짧은 순간에 사라지는, '가상' 입자들의 희미한 구름과 더욱 비슷하다.

 

ㅇ 양자역학은 어떤 가상입자들이 존재하게 될지 이야기해 줄 수 없으며, 구름 속에서 가상 입자들의 특정 구성을 발견할 수 있는 확률을 알려줄 수 있을 뿐이다.

 

ㅇ 전자기력: 전자가 원자나 분자를 벗어나지 못하게 잡아주는 역할을 함. 모든 화학반응은 본질적으로 전자기 반응이다. 모든 파장에서 일어나는 빛의 모든 상호작용도 전자기력에서 기인한다.

 

ㅇ 약한 핵력(약력): 전자기력과 비슷한 세기. 아주 드물게 일어남. 이 힘은 일부 종류의 방사성 붕괴를 일으킴

 

ㅇ 표준모형에서는 우주에는 쿼크, 렙톤(경입자), 게이지 보손이라는 세 가지 종류의 기본적인 입자들이 있다.

 

ㅇ 게이지 보손은 힘을 전달할 때 교환되는 입자들이다. 전자기력은 가상 광자가 교환되면서 전달되고, 강력은 글루온에 의해서 매개되고, 약한 핵력은 W와 Z 입자들에 의해서 전달된다.