보이지 않는 것들의 물리학 by 이순칠

[ 주요 내용 ]

 

ㅇ 화학은 완전히 전자기에 의해 일어나는 현상이다. 생물은 화학작용에 의해 신진대사가 이루어진다. 내가 감동을 받기 전과 후의 차이는 기껏해야 머릿속 세포에서 이온과 전자의 분포가 달라진 정도일 것이다. 그러므로 우리의 감정도 전자기에 의해 조절된다.

 

ㅇ 물리학사에서 가장 핵심적인 사건은 역학, 전자기학, 상대론, 양자역학의 발견

 

ㅇ 우리 일상과 가장 밀접한 힘은 중력과 전자기력

 

ㅇ 화학의 주제는 한마디로 전자기력....화학의 기본인 전자기력은 생물학을 떠받치는 힘....다양한 생명 현상은 화학 반응으로 일어나므로 생물학 역시 전자기력과 밀접한 관계가 있기 때문

 

ㅇ 기껏 호르몬 분비가 변화했거나 신경세포 전달 물질의 전자 이동이 변화해서 전자기력이 약간 달라졌을 뿐...사랑을 느끼는 감정뿐만 아니라 슬픔, 분노, 흥분 등의 감정 조절에는 전자기력이 관여함...

 

ㅇ 이 세상에 존재하는 네 가지 힘....그 밖의 힘들은 네 가지 힘의 작용으로 나타나는 현상...

1) 중력

2) 전자기력

3) 강력(핵력)

    - 원자의 핵 안에서 쿼크들 사이나 중성자와 양성자 사이에 작용하는 힘

    - 핵분열 에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 원자력발전소나 

      짧은 시간 동안 핵분열 연쇄 반응을 일으켜 한순간에 막대한 에너지를

      방출하는 원자 폭탄과 관계되는 힘

4) 약력

    - 중성자가 양성자로 바뀔 때 또는 파이온이 뮤온으로 붕괴될 때 관여하는 힘

 

ㅇ 뉴턴의 가속도의 법칙 F=ma (Force:힘, mass:질량, acceleration: 가속도)

    힘과 운동의 관계를 따지는 역학의 모든 식은 이 식을 기본으로 함

 

ㅇ 힘이 미치는 공간, 장

    - 일상에서 접하는 대부분의 힘은 물체와 직접 접촉하면서 작용

    - 중력이나 전자기력은 물체에 접촉하지 않고 원거리에 있더라도 작용

    - 물체에 직접 닿지 않아도 작용하는 이러한 힘은 빛의 속도로 전달됨

    - 전하 주위에 하나의 전하를 놓으면 이들 전하들 사이에 전기력이 작용,

      이 전기력이 작용하는 공간을 전기장이라고 함

    - 어떤 질량이 있을 때, 그 질량은 자신의 중력장을 온 우주에 빛의 속도로

      쫙 펼침

    - 아무 것도 없는 공간이 실제로는 장으로 가득 차 있는 셈

    - 우주 공간에는 장을 형성할 수 있는 입자들이 많기에 중력장, 자기장,

      전기장이 사방팔방 퍼져 있음

 

ㅇ 장 속에서 전하가 받는 힘은 전기장과 같은 방향으로 전기장에 비례하는 힘(qE)와 전하의 움직임으로 발생하는 자기장의 수직 방향의 힘(qvB)의 합

 

ㅇ 전자기장이 형성되면 주변 공간으로 퍼져 나감. 이 전자기장의 파동이 전자기파...

    전자기파 중 통신에 사용되는 마이크로파,  가시광선, x선 등

 

ㅇ 자기력은 전기력의 상대론 효과로 나타나는 힘이므로 자기력이 미치는 공간인

    자기장이 형성되기 위해서는 기본적으로 전하의 움직임이 있어야 할 것

 

ㅇ 전하는 제자리에 있어도 주변에 자기장이 형성됨. 마치 전자가 자전하는 상태인

    것처럼 생각할 수 있으며 그래서 Spin이라고 이름 붙인 것임.

 

ㅇ 정지한 관측자 입장에서 뉴턴의 법칙 (F=ma)은 옳다.

    움직일 때와 서 있을 때 관측자는 어떻게 다르게 보일까?

    상대성...

    서 있는 사람이 움직이는 사람을 관측할 때와

    움직이는 사람이 서 있는 사람을 관측할 때 똑같은 일이 일어난다는 것

    왜냐하면 우주라는 큰 테두리 안에서는 어느 쪽이 움직이는지를 알 수

    없기 때문이다.

 

ㅇ 상대론은 '관측자가 서서 볼 때와 움직이며서 볼 때의 관측되는 현상에 대해서

    동일한 법칙이 적용되는가?'라는 질문에서 출발한다.

 

ㅇ 움직이는 관측자가 어떤 물체의 운동을 볼 때,

    서서 볼 때와 관측하는 현상이 동일하다면,

    움직이는 관측계와 정지한 관측계에는 똑같은 법칙이 적용된다.

 

ㅇ 정지한 관측자든 움직이는 관측자든 관측자에 따라 달라지는 것은

    관측 대상의 위치, 즉 좌표뿐

 

ㅇ 관측자가 달라져도 동일한 현상을 기술하는 식 모양이 그대로여야 한다는 것은

    좌표가 달라져도 식 모양은 변함이 없어야 한다는 뜻이다....

    A의 좌표로 식을 기술하나 B의 좌표로, C자표로 기술하나 식 모양은 변하지

    않아야 한다.....A의 좌표를 B의 기준으로 바꾸고, B의 좌표를 C의 기준으로

    바꾸는.....좌표들 간의 관계를 나타내는 식을 '좌표변환'이라고 함....

 

 

ㅇ 전기장과 자기장을 다루는 맥스웰의 법칙을 포함한 전자기학은 한마디로 빛의 세계를 다루는 학문이다. 빛의 속도를 기준으로 하는 상대론이 확립되면서 1900년대 이전에 나온 고전적인 물리 법칙들은 수정되었지만 빛을 다루는 전자기학은 그대로 진리로서 받아들여지면서 살아남았다. 그래서 물리학에서 가장 정교하게 잘 만들어진 법칙으로 맥스웰의 법칙을 꼽는다..

 

ㅇ 우리가 말을 하면 옆 사람이 들을 때....입 앞에 있던 공기 분자가 음파를 싣고 옆 사람에게 초속 340m로 날아가는 것이 아님... 공기 분자들의  떠는 움직임을 통해 음파가 전달되는 것....즉, 파동이 전달되는 것은 물질 자체가 전달되는 것이 아니라, 물질의 떠는 움직임이 전달되는 것

 

ㅇ 아인슈타인은 맥스웰의 방정식이 로렌츠 좌표변환을 적용했을 때 식 모양이 그대로 유지된다는 것과 마이컬슨-몰리의 실험 결과가 결국은 같은 내용임을 눈치 채고선, 빛의 속도가 관측계의 속도와 무관함을 로렌츠 좌표변환을 이용하여 이론적으로 증명했다.

 

ㅇ 똑같은 현상에 대해 움직이는 관측자가 잰 시간과 정지한 관측자가 잰 시간이 서로 다름을 의미....로렌츠 좌표변환이 역학에 가져온 이상한 변화는 이뿐만이 아님...길이가 수축되기도 하고, 시간이 연장되기도 하고, 질량이 증가하기도 함...이 모든 것은 특수상대성이론에서 나타나는 대표적인 현상들...

 

ㅇ 물체들이 받아들인 에너지만큼 외부에 에너지를 방출하기 때문....즉, 우리 눈에는 잘 보이지 않지만 모든 물체는 외부로 낮은 파장의 빛을 방출하고 있음

 

ㅇ 양자론의 세계에서 크기는 대단히 작고, 속도는 굉장이 빠름....양자론의 세계에서 입자는 물질을 뜻하지 않음. 입자가 질량을 가진 물질을 뜻하는 경우는 상대론 세계에서임..

 

ㅇ 양자론론 세계에서 입자는 덩어리를 뜻함. 전자와 같은 질량 덩어리일 수도 있고, 빛과 같은 에너지 덩어리일수도 있음

 

ㅇ 삼라만상은 입자성을 띠는 동시에 파동성을 띰...입자성과 파동성을 동시에 나타낼 수 있는 식이 필요해짐. 입자성을 만족하는 식은 변수가 하나 (시간)이고, 파동성을 만족하는 식은 변수가 두 개(위치, 시간)임....

 

ㅇ 슈뢰딩거는 이 점을 착안하여 입자성과 파동성을 모두 만족하는식 모양은 파동 방정식과 비슷해야 한다고 생각....'슈뢰딩거 방적식'...이 식으로 에너지와 운동량을 가지는 입자성과 주파수와 파장을 가진 파동성을 모두 설명할 수 있게 되었음.

 

ㅇ 우리는 이제 양자 현상을 알게 되었다. 아는 것과 이해하는 것은 다르다. 물리학자들 역시, 양자 현상을 알고는 있지만 이해하지는 못하고 있다.

 

ㅇ 양자론의 체계 종합

    - 물질의 상태는 파동으로 표시된다

    - 파동의 진폭은 발견될 확률을 나타낸다.

    - 물질파는 중첩될 수 있다. (상태의 중첩)

    - 측정하면 한 개의 상태만 측정된다.

    - 어떤 상태가 측정될지는 확률적으로 결정된다.

    - 측정하고 나면 상태가 변한다.

 

ㅇ 상대론의 핵심 키워드가 상대성이라면, 양자론의 핵심 키워드는 불확정성...

 

 

ㅇ 주파수가 명확한 파동은 어디나 진폭이 일정하므로 위치를 전혀 알 수 없으나, 주파수가 다른 두 파를 합성하니 진폭이 작은 부분이 생기고 그 위치에서 있을 가능성이 낮으므로 그만큼 위치는 잘 알게 된 것...

 

ㅇ 주파수가 비슷한 파들을 많이 합합수록 운동량은 점점 불명확해지지만, 입자가 발견될 위치는 점점 더 명확해 짐

 

ㅇ 운동량이 불명확할수록 위치는 뚜렷해지고, 반대로 운동량이 명확할수록 위치는 더 모호해짐. 따라서 두 물리량의 불확정성을 동시에 작게 할 수 없다. 또한 두 물리량의 불확정성 가운데 하나를 0으로 만들 수도 없다. 이 내용을 하이젠베르크가 '운동량의 불확정성과 위치의 불확정성의 곱은 h모다 작을 수 없다'라고 정리했다.

 

ㅇ  10의 16승개의 자료 중 원하는 자료 딱 1개를 찾고할 때, 오늘날 컴퓨터를 이용하면 무려 300년이나 걸지만 양자컴퓨터를 이용하면 1분 만에 해결할 수 있다.

 

ㅇ 입자물리과 통계물리가 물리학 분야에서는 가장 순수한 학문....

 

ㅇ 양자 상태 Control이 현재의 화두....나노(n)은 10의 (-)9을 의미하는데, 나노를 다루는 물리학은 크게 1000n(나노), 작게는 0.1n(나노)까지 다룬다. 0.1n면 1옹스트롬이다. 중요한 것은 나노 사이즈가 되면 양자 현상이 들어온다는 거다. 그래서 나노 하나하나를 잘 컨트롤 할 수 있어야 하는데, 아직은 그것을 컨트롤하는 능력이 좋지 않다.

 

 

[ 느낀 점/배운 점 ]

 

이런 좋은 저자가 쓴 좋은 책을 요약하거나 일부를 추려 낸다는 것은

불가능한 일이다. 전체의 내용이 쉽고도 긴밀하게 연결되어 있다.

 

이 정도 분량으로 전가기학, 상대성이론, 양자역학을....

한글로 12,000원에 어떻게 더 깔끔하게 쓰겠는가

 

너무 마음에 드는 책을 쓴 저자를 만나면 저자가 쓴 다름 책이 없나 찾아 본다.

 

저자가 쓴 책이 별로 없을 때,,,,,,,간절함이 생긴다.

"나 같은 무식이를 위해서 책 좀 더 써주지......"

저자가 쓴 전문 논문을 볼 지식이 없는 나에게는.. 더더욱...

 

이순칠교수님이 내게는 이런 분 중 한 분 이다....

양자 컴퓨터에 대한 저술 한 권에 번역서 한 권이다.

다 읽어 보았지만 물론 100% 이해는 못한다.

 

대중과학서/철학/인문서 등 등

특정 계층을 정의하지 않고 불특정한 대중을 대상으로

쓰여진 책은 쓰기가 굉장히 어렵다고 본다.

 

우선 대중에서 전달할 가치가 있는 전문적인 지식을 선별하여 한다.

그 분야의 많은 성과물 중 불특정한 사람들이 꼭 알아야 할 것이

뭔지를 선별해야 한다.

너무 많은 사람들이 선별한 것을 선별하면 차별성과 경쟁력이 떨어질 확률이 있다. 

아무도 선별하지 않거나 적은 사람들이 선별한 주제를 고르면 대중성이 약하다. 

 

또한 대중이 이해하기 힘든 내용을, 대중이 이해할 수 있는 일상적이고 평상적인

언어로 잘 전달을 해야 한다. 따라서 엄밀한 개념적 정의나 수학이 의도적으로 배제제되고 일상적인 비유나 은유가 늘어 날 수 밖에 없다.

( 상대성이론/양자론의 이해가 어려운 이유를 설명할 때 드는

  조르주 쇠라의 '그랑드 차트섬의 일요일 오후' 같은 방식...)

( 상대성 이론의 좌표 변환을 기하학으로 설명하는 방법 등)

 

이런 점에서 이 책은 더이상 뺄 것이 없는 잉여성을 최대한으로 줄인 작품이다.

 

이 책 시리즈의 목적은 대중을 위한 '석학'강의이다.

핵심을 간명하게 전달하되 이해시킬 수 있으면 된다.

나 같은 수학 문외한에게는 이해라기 보다 인식시키는 수준 정도면 될 것 같다.

(아 맥스웰의 전자기 법칙이 이렇게 생겼구나..이런 의미간 보다.. 등)

 

나같은 수학이 능숙치 못한 자들에게 물리학을 이해시키려면

잉여성이 증가하여야 하기 때문에 정보가 증가할 수 밖에 없다.

즉 한 줄의 수식으로 표현하면 될 것을 설명을 해야 하기 때문에

양이 늘어날 수 밖에 없다.

 

전자기학을 집대성은 맥스웰의 전자기 법칙은 단 4줄의 수식이다.

이걸 나 같은 무식에게 인식이라도 시키려면 이 책처럼 60P 정도를 써야 하나 보다

고마운 일이다. 이런 수고를 해 주실 분인 있어서....

 

특히 2부의 상대론이나 3부의 양자역학은 책을 좀 읽어 봤기 때문에 크게 어렵지는 않았는데 제1부 전자기는 많이 접해보지 못해서 좋았다.

 

이해가 다 된 것은 아니지만 저자의 다음 말로 위안을 삼으며..

 

"우리는 이제 양자 현상을 알게 되었다. 아는 것과 이해하는 것은 다르다. 물리학자들 역시, 양자 현상을 알고는 있지만 이해하지는 못하고 있다."