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자연 과학 Natural Science/물리 Physics 83

힉스 입자, Higgs boson, 이휘소 박사, 만물을 형성하는 입자에 필요한 질량을 제공하는 매개체, 신의 입자

네이처’나 ‘사이언스’ 같은 저널을 보면 서신란(네이처는 correspondence, 사이언스는 letters)이 있다. 주로 해당 저널에 실린 논문에 대한 독자의 의견을 싣는데, 틀린 곳을 지적하거나 다른 의견을 제시하는 경우가 많다. 기자는 서신란을 즐겨 읽는데 가끔 흥미로운 뒷얘기를 건질 수 있기 때문이다. 예를 들어 2008년 이스라엘의 한 연구진이 고고학 발굴현장에서 찾아낸 2000년 전 대추야자 씨앗을 발아시키는데 성공해 세계 최고(最古) 기록을 세웠다는 논문이 ‘사이언스’에 실렸다. 그런데 몇 달 뒤 서신란에 한 과학자가 그건 틀린 주장으로 1967년 1만 년 된 씨앗을 발아시킨 적이 있다고, 그것도 ‘사이언스’에 발표했다고 언급했다. 바로 이어서 저자는 그 답신으로 1967년 논문은 방사성..

만유인력, 인공위성의 원리, 만유인력 상수

만유인력 가장 약하지만 가장 위대한 힘 낙엽이 떨어진다. 비가 내린다. 사과와 배가 땅으로 떨어진다. 주스가 그릇에 얌전히 담겨있다. 지구를 비롯한 행성들은 둥그렇다. 왜 이런 현상들이 벌어질까. 사람들은 쉽게 중력 때문이라고 말한다. 지금 우리에게 너무나 당연한 것으로 다가오는 중력은 과거의 사람들에게도 당연했을까. 흥미롭게도 물체의 낙하 현상에 대한 설명은 오랜 옛날부터 있었다. 아리스토텔레스 이전의 사람들은 물체가 낙하하는 것을 기준으로 단순히 상하만을 구분했다. 지구를 평평한 땅이라고만 생각하던 사람들에게 위에 있는 것이 아래로 떨어진다는 것은 당연한 일이었다. 인공위성의 원리 뉴턴은 지구로 떨어지는 사과와 달을 비교했다. 그는 달이 지구로 떨어지지 않는다면 달은 직선 경로를 그려야 한다고 생각했..

끈 이론, string theory, 초끈 이론

끈 이론(영어: string theory)은 1차원의 개체인 끈과 이에 관련된 막(幕, brane)을 다루는 물리학 이론이다. 양자장론에서는 (0차원의) 점입자를 다루는데, 이에 따라 여러 무한대가 생겨 기본 이론으로 적절하지 않다. 끈 이론은 대신 크기를 지닌 개체를 다룸으로써 이러한 무한대를 피한다. 또한 끈 이론은 게이지 이론과 일반 상대론을 자연스럽게 포함한다. 이러한 성질 때문에 끈 이론은 모든 것의 이론의 유력한 후보들 가운데 하나다. 이 밖에도 양자 색역학, 우주론 등에서도 쓰인다. 개요 물리학의 이전 이론이 기본 입자를 점입자로 나타내었지만, 끈 이론에서는 기본 입자를 1차원의 끈으로 나타내었기 때문에 입자 이론이 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 물론 끈을 아주 멀리에서 보면 다시..

태양이 불타는 원리, 핵융합 발전

핵융합 발전의 원리 핵융합 에너지는 핵분열 원자력과는 완전히 반대되는 발전 과정을 가지고 있습니다. 핵분열에 비해 높은 에너지를 발생시키는 핵융합은 태양이 불타는 원리를 참고하였습니다. 태양은 수소, 헬륨의 핵융합 반응으로 엄청난 열과 빛의 에너지를 지속해서 뿜어내고 있습니다. 태양에서는 수소 원자 4개가 합쳐져 1개의 헬륨을 만드는데, 매초 7억 톤의 수소가 헬륨으로 변환되고 있습니다. 이 과정에서 태양은 초당 4조 와트의 100조 배에 달하는 에너지를 방출합니다. 핵분열과 핵융합에 대한 기초적인 이해는 모두 아인슈타인의 상대성 원리1) 공식에 도움받은 것이라고 볼 수 있습니다. 원자의 질량이 손실되어 사라지면서, 그에 상응하는 에너지가 발생한다는 원리를 따르는데요. 즉, 핵분열 과정에서도, 핵융합 과..

상온 핵융합, cold fusion, 구글, 아이언맨, 플라이슈만-폰즈

상온 핵융합, cold fusion, 구글 상온 핵융합(常溫核融合, 영어: cold fusion)은 실내온도에서 핵융합을 일으키는 것을 말한다. 저온 핵융합, 저에너지핵반응(LENR, Low Energy Nuclear Reaction)이라고도 한다. 일반적으로, 태양과 같은 1억도 이상의 조건에서만 핫퓨전, 고온 핵융합이 일어난다고 알려져 있는데 반해, 콜드퓨전, 상온 핵융합 현상은 섭씨 20도에서 핵융합이 일어나 투입된 에너지량보다 더 큰 초고효율의 에너지가 발생하는 것을 말한다. 구글이 지난 30년간 불가능하게 여겨져 ‘현대판 연금술’로 알려진 상온핵융합 연구를 계속해서 후원, 실험을 진행 중인 것으로 밝혀졌다. 1989년 이후 주류 과학계가 일관되게 이를 불가능하다고 결론 내린 만큼 실험 결과는 좋..

뉴턴, 절대적 시간, 프린키피아

시간과 공간에 관한 기본 개념은 뉴턴에 의해 확립된 것이다. 우리는 보통 우주에는 객관적인 시간이 흐르고 객관적인 공간이 존재하는 것으로 생각한다. 물론 여기서 문제 삼는 것은 물리적인 시간이다. 뉴턴은 저서 『프린키피아』에서 시간에 대해 다음과 같이 서술했다. "절대적이고 참되며 수학적인 시간은 그 어떤 외적 힘과 상관없이 그 본질에 따라 균일하게 흐른다.ㅜ이를 다른 말로 '지속'이라고 한다. 상대적이고 일상적인 겉보기 시간은(정밀한 건 그렇지 않건 간에) 지속적인 운동에 의해 측정된 감각적이고 외적인 척도로서 우리가 참된 시간 대신 사용하고 있는 것이다. 한 시간, 하루, 한 달, 일 년 같은 것이 이에 해당한다" 뉴턴은 '측정되는 시간'은 주기적인 순환 또는 반복운동의 기준으로 적당히 정한 것이며 ..

광전효과, 빛의 입자성, 아인슈타인, photoelectric effect

광전효과, 빛의 입자성, 光電效果, photoelectric effect 아인슈타인이 빛의 입자성으로 설명한 현상. 금속에 한계진동수 이상의 빛을 쪼이면 전자가 튀어나옴(전류가 흐름) [1] 광전효과 광전자: 광전효과에 의해 금속에서 튀어나온 전자 광전류: 광전효과에 의해 흐르는 전류 한계진동수(=문턱진동수) 이상의 빛 쬐면 ☞ 전류 흐름 ㉮ 진동수 더 높이면 ☞ 전류 일정(전류 증가하지 않음) ㉯ 빛 밝게하면(세기변화) ☞전류 증가함. ★ 전류 유/무: 한계진동수 이상/미만과 관련 ★ 전류 세기: 빛의 밝기와 관계(진동수와 무관) (한계진동수 미만에서는 아무리 밝은 빛이어도 광전류=0) ​ [파동성으로 설명 불가] 한계진동수 아래의 빛을 쪼여도 오랜시간 쪼이면 광전자가 방출되어야함. 한계진동수 미만의 ..

물질의 최소 단위, 원자, 전자, 양성자, 중성자

원자구조 : 원자 = 원자핵 + 전자 , 원자핵 = 양성자 + 중성자 크기비교 : 원자의 크기 : 약 10-10m = 0.1nm=1Å 원자핵 의 크기 : 약 10-14 ~ 10-15m, ex) 야구장(원자) 안에 10원짜리 동전(원자핵) 무게비율 : 양성자 : 중성자 : 전자 = 1 : 1 : 1/1840, 전자의 무게는 무시 가능할 정도로 작다. 전자 (電子, electron) 는 음(-)의 전하를 띠고 있는 기본 입자이다. 원자 내부에서 양성자(陽性子, Proton)와 중성자(中性子, Neutron)로 구성된 원자핵의 주위에 분포한다. 양성자(陽性子, Proton)는 중성자와함께 원자핵을 구성하며 양(+)의 전하를 가지고 있으며 질량은 전자의 1836배 정도이다. 중성자(中性子, Neutron)는 원..

양성자(Proton) 구성 입자, 쿼크(Quarks), 글루온(Gluon)

양성자(proton) 질량을 갖는 쿼크(Quark)와 질량이 없는 글루온(gluon)으로 구성 쿼크(quark) 물질의 기본적인 구성입자로 추측되는 원자구성입자의 하나. 양성자와 중성자가 원자핵을 이루는 것과 같이 양성자와 중성자 그 자체도 쿼크로 이루어져 있다고 생각한다. 양성자와 중성자 외에 다른 중입자들도 핵의 구성성분을 결합하는 힘인 강력에 의해서 상호작용하는 모든 입자처럼 쿼크로 설명한다. 현재 받아들여지는 이론에 의하면 쿼크는 질량을 가지고 있으며 각운동량의 양자역학적 기본단위의 1/2 스핀(입자의 축 주위의 회전에 해당하는 본질적인 각운동량)을 갖는다. 후자의 특성은 쿼크들이 파울리의 배타 원리를 따른다는 것을 말한다. 이 배타 원리는 반정수의 스핀을 갖는 두 입자는 완전히 같은 양자 상태에..

물질 기본 입자, 수소와 헬륨, 빅뱅 우주론

물질을 이루는 기본 입자의 생성 (1) 물질세계의 시작 1) 가모의 빅뱅 우주론 약 138억 년 전의 대폭발(Big Bang)에 의해 시간과 공간이 만들어졌으며, 폭발의 순간 물질을 이루는 가장 기본이 되는 입자들이 만들어지면서 비로소 물질세계가 시작되었다. 2) 빅뱅 우주론: 빅뱅 이후 우주가 시간에 따라 팽창하며 물질과 에너지가 퍼지고, 이후 은하와 별이 만들어지는 모습을 나타낸 모형 (2) 기본 입자의 형성 1) 물질의 기본입자 : 빅뱅 직후 초고온·초고밀도 상태의 우주는 급격한 팽창으로 식어 가면서 물질의 기본이 되는 쿼크와 전자가 만들어졌다. 쿼크 | 빅뱅 직후 빛, 전자 등과 함께 초기 우주에 존재했던 물질의 기본 입자로, 양성자와 중성자를 이루는 쿼크들을 포함하여 모두 6종류가 밝혀졌다. 2..

F=ma, 뉴턴 제2법칙, Force = mass x acceleration, 힘 = 질량 x 가속도

F=ma, 뉴턴 제2법칙 F = ma Force = mass x acceleration 힘 = 질량 x 가속도 F=ma의 공식 형태로 잘 알려져 있는데, 이 공식에서 F는 알짜힘(물체에 작용하는 모든 외력의 총합), m은 질량, a는 가속도를 의미한다. 가속도는 힘에 비례하고 질량에 반비례한다는 법칙이다. 보다 일반화된 표현으로 (p는 운동량, t는 시간) 고전역학에서 p=mv 이므로 동일한 결과가 된다. 위의 방정식에서 물체의 질량은 물체 고유의 성질이다. 일정한 질량 m을 가진 물체에 대해서만, 그 물체에 더 큰 알짜힘을 가할수록 운동량의 변화가 커진다. 그러므로 이 방정식을 통해 간접적으로 질량의 개념을 정의할 수 있다. 또한 F = ma에서, a는 직접 측정이 가능하지만 F는 측정할 수 있는 물리..

라플라스의 악마, Laplace's Demon

라플라스의 악마, Laplace's Demon 라플라스는 한 에세이에서 "우주에 있는 모든 원자의 정확한 위치와 운동량을 알고 있는 존재가 있다면, 이것은 뉴턴의 운동 법칙을 이용해 과거, 현재의 모든 현상을 설명해 주고, 미래까지 예언할 수 있다."고 서술하였다. 후기의 전기 작가들이 이러한 능력을 지닌 존재에 악마(demon)라고 이름을 지어 주었다. 피에르시몽 라플라스가 제시한 가상의 존재, 혹은 이를 가정하여 실행된 사고실험이다. 뉴턴의 기계론적 결정론이자 세계의 궁극적인 존재이다. 라플라스는 한 에세이에서 "우주에 있는 모든 원자의 정확한 위치와 운동량을 알고 있는 존재가 있다면, 이것은 뉴턴의 운동 법칙을 이용해 과거, 현재의 모든 현상을 설명해 주고, 미래까지 예언할 수 있다."고 서술하였다..

열역학 제2법칙, 엔트로피, 맥스웰-볼츠만 분포, 엔트로피 증가, S=klog W(S는 엔트로피, W는 상태확률, k는 볼츠만상수)

엔트로피 물체의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나로 흔히 일반인들에게 무질서도라고 알려져 있기도 하다.[1] 통계역학으로 엔트로피가 미시상태의 수에 대응된다는 것이 밝혀졌다. 엔트로피에 대해 기술한 것이 열역학 제2법칙이며, 자연현상의 물질의 상태 또는 에너지 변화의 방향을 설명해준다. '엔트로피'라는 이름은 클라우지우스-클라페이론 식으로 유명한 루돌프 클라우지우스라는 독일의 물리학자가 1865년에 붙인 것인데, '에너지'라는 말의 어원인 그리스어 ἐνέργεια(에네르게이아)에서 전치사 ἐν-(엔-)을 남기고, '일, 움직임'이라는 의미의 어간 ἔργον(에르곤) 부분을 '전환'이라는 의미의 τροπή(트로페)로 바꾸어 조합해 만든 말이다 열역학은 물론 열 현상을 다루는 분야이다. 일찍이 화학혁명을 ..

양자도약, Quantum Leap, 퀀텀 리프, 量子跳躍, 양자역학, 플랑크, Max Planck, 전자의 분연속적 에너지, 미시적 물리학

양자도약(Quantum Leap) 물리적 의미 양자역학 이전의 물리학은 에너지의 흐름이 연속적이라고 가정하였고, 고전역학에서는 이러한 가정이 문제되지 않았다. 하지만 실제 원자의 에너지는 연속적으로 거동하지 않았고 전자의 거동 역시 불연속적이였고, 이를 양자도약이라 한다. 이는 미시적인 자연세계에서는 에너지가 불연속적으로 분포하고 거동한다는 것을 뜻한다. 경제적 의미 경제용어로서 양자도약은 혁신적인 경영으로 기존의 틀을 깨고 도약하는 기업, 혹은 그러한 혁신을 의미하기도 한다. 이는 양자도약이 불연속적이라는 점에서 유래한 용어이다. 양자역학 양자는 플랑크 상수 단위를 가진, 나눌 수 없는 물리량을 뜻한다. 이 물리량은 기초 입자의 에너지 및 운동량과 관련된다. 양자역학은 분자, 원자, 전자와 같은 작은 ..

양자, 한자, 量子, 퀀텀, quantum, 양성자, 陽性子, 양자역학, 양자물리학

양자, 量子, 퀀텀, quantum 조지 소로스의 회사 이름이 퀀텀펀드 혁신적인 발전을 ‘퀀텀 리프’ 또는 ‘양자 도약’ 양자역학, 양자물리학 우리나라는 물론 한자 종주국인 중국조차 일본 학자들이 만든 한자 번역어를 많이 쓰는데, 동음이의어로 인한 혼란이 자주 뒤따른다. 한글로 ‘양자’라고 쓰면 언뜻 양자회담의 양자(兩者)나 입양한 양자(養子)가 우선 떠오른다. 일본 서적을 많이 읽는 사람들이 우리 한자음 ‘양자’로 기억하는 일본 물리학 용어에도 양자(陽子)가 있다. 이는 수소원자의 핵인 프로톤(proton)으로 우리나라에서는 양성자(陽性子), 중국에서는 질자(質子)라고 한다. 양자역학의 양자는 퀀텀(quantum)의 번역어인 ‘量子’다. 한·중·일 모두 같은 한자 표기를 쓴다.

열역학 법칙(1, 2법칙)과 환경 문제

열역학 법칙(1,2법칙)과 환경 문제 1. 열역학 제 1법칙 ∙ 에너지는 그 형태를 달리하면서 변화하지만, 그 양은 전체적으로 일정하다는 에너지 보전법칙 ∙ 물리학에서의 에너지 보존 법칙(-保存法則, 영어: law of conservation of energy)은 외계에 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은 일정하다는 것으로 물리학의 바탕이 되는 법칙 중 하나다. 가끔 에너지 보존의 법칙이라고도 불린다. 이 법칙에 따르면 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없다. 항상 일정하게 유지된다는 것이다. 롤러코스터에서 중력에 의한 퍼텐셜에너지가 운동에너지로 변환되거나 화약의 화학에너지가 총알의 운동에너지로 변환되는 것이 그 예이다. 20세기, 에너지 보존 법칙..

과학적 회의주의(scientific skepticism), 나는 존재한다, 고로 생각한다, 샘 해리스, 크리스토퍼 히친스, 리처드 도킨스, 대니얼 데닛

과학적 회의주의(科學的懷疑主義, scientific skepticism)는 실증적 연구와 재현성을 바탕으로 증거가 불충분한 주장의 진실성에 대해 과학적 방법으로 검증, 혹은 반증하려는 과학적 태도를 말한다. 과학적 회의주의는 실재에 대한 경험적 조사가 진리를 이끌어낸다고 보며, 과학적 방법은 이러한 목적에 가장 알맞다고 주장한다. 과학적 회의주의는 실증 가능성과 반증 가능성에 기반하여 주장을 평가하려고 노력하며, 믿음과 일회적인 증거에 의한 주장을 수용하는 것을 거부한다. 회의주의자들은 종종 미심쩍거나 일반적으로 받아들여지는 과학에 모순된다고 간주되는 주장에 비판을 집중한다. 과학적 회의주의는 아 프리오리한 기반에서 일반적이지 않은 주장이 자동적으로 거부되어야 한다고 주장하지 않으며, 오히려 초자연적이거..

일반상대성이론

1. 일반상대성이론이 바탕으로 하는 두 가지 원리 A. 확장된 상대성원리 : 등속도로 운동하는 관성계를 다룬 특수상대성이론은 모든 관성계에서는 동일한 물리법칙이 성립한다는 상대성 원리와 빛의 속도가 일정하다는 광속 불변의 원리를 바탕으로 하고 있다. 반면에 일반상대성이론은 모든 가속계에서도 같은 물리법칙이 성립한다는 확장된 상대성원리와 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가의 원리를 바탕으로 하고 있는 이론이다. 그 중에서도 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리는 일반상대성이론의 핵심이라고 할 수 있다. B. 등가의 원리 : ‘중력질량’이란 어떤 물체에 작용하는 중력의 세기가 그 물체의 질량에 비례하는데, 이 중력의 크기를 결정하는 질량을 뜻한다. 반면 물체에 힘을 가하면 가속도가 생기는데 이 가속도의..

특수상대성이론

1. 특수상대성이론의 배경 A. 1895년 로렌츠는 빛의 속도가 관측자의 상대속도와 관계없이 항상 일정한 값으로 측정된다는 마이컬슨과 몰리의 실험결과를 설명하기 위해 물체가 달리면 달리는 방향으로 길이가 줄어들기 때문이라고 설명했다. 아일랜드의 피츠제랄드(George Francis FitzGerald, 1851~1901)도 같은 주장을 했기 때문에 이것을 로렌츠-피츠제랄드의 수축이라고 부른다. 로렌츠는 서로 다른 관성계에서 전자기학의 법칙이 같은 형식으로 나타내지기 위해서는 관성계마다 다른 시간을 사용해야 한다고 생각하고 1899년 시간의 변환식을 길이의 변환식에 덧붙이고, 이것을 로렌츠 변환식이라고 부르게 되었다. B. 아인슈타인은 로렌츠의 수축이 단순히 길이가 줄어드는 것을 나타내는 것이 아니라 우리..

양자역학

먼저 양자역학에 대한 이해를 돕기 위해 양자역학이 나온 배경에 대해서 잠시 말해보겠습니다. 양자역학이 나오기 전에는 연속적인 속도를 갖는 입자로 모든 현상을 설명하는 뉴턴역학이 물리학의 대세였습니다. 이것은 매우 직관적이므로 굳이 자세히 설명할 필요가 없는 것입니다. 축구공을 차면 날라가고 무거운 물건을 옮기면 가벼운 물건을 옮기는 것 보다 힘이 들고 이러한 것들이 모두 뉴턴역학입니다. 뉴턴역학의 가장 큰 특징은 우리는 어떤 물체의 위치와 속도를 동시에 알 수 있다는 것입니다. 우리는 운동장에 놓여져 있는 공을 보고 운동장의 어느 위치에 공이 있는지, 그 공이 정지해있는지 움직이고 있는지 알 수 있습니다. 뉴턴역학의 시대에는 모든 것이 그렇게 설명될 수 있다고 여겨졌습니다. 그러나 실상을 달랐습니다. 모..

소리의 3요소, 진폭, 진동수, 파형, 스마트폰 실험

소리의 3요소 진폭, 진동수, 파형을 스마트폰을 이용하여 직접 실험할 수 있다. 소리와 관련된 실험은 이 프로그램 하나로 다 할 수 있도록 제작하였다. 가장 큰 특징은 소리 파형을 일시 정지하여 관찰할 수도 있고 소리 파형을 capture 하여 두 번째 다른 소리와 쉽게 비교할 수 있다는 점이다. 기존 소리 분석 프로그램이 한개의 소리를 분석할 수 있기 때문에 두 개의 소리를 비교하는데 불편한 점이 많았다. 그래서 두 개의 소리를 쉽게 비교할 수 있는 점에 주안점을 두었다. 예를 들면 작은 소리를 발생시키고 소리를 capture 하면 파형형태가 그대로 보이게 된다. 이때 큰 소리를 발생시키면 작은 소리의 파형이 보이는 화면에 큰 소리의 파형이 나타나게 된다. 한 번에 다른 장비의 도움 없이 두 개의 소리..

전파, 電波, radio waves, 진동수 3KHz부터 3THz 전자기파, AM, FM, PM

전파(電波, 영어: radio waves)는 전자기파의 일종으로, 진동수 3KHz부터 3THz까지의 전자기파를 의미한다. 전파는 공기 중에서도 진공 속과 거의 같은 속도로 퍼지기 때문에, 먼 거리에서도 아주 짧은 시간에 통신이 가능하다. 이러한 성질을 이용하여 전파는 주로 라디오·지상파 텔레비전·레이다 등의 전자기파를 이용하여 신호와 정보를 보내는 무선 전기 통신에서 사용된다. 1. 전파 전파란 눈에 보이지 않고 실감하기도 어려운 존재이다. 하지만 사실 전파는 눈에 보이는 빛인 가시광선과 같은 무리이다. 전파는 초속 약30만 km(진공에서)로 전해진다. 이것은 빛의 속도와 일치하며 이를 통해 전파와 가시광선은 둘 다 전기와 자기의 진동이 전달되는 전자기파의 일종이며 본질적으로 서로 같은 것이라는 것을 알..

전기물리학 (Electrophysics)

전기물리학 (Electrophysics) 1. 전기와 전자 1. 전기와 물질 1) 전기 (electricity) 전기는 전하를 가진 두 물체가 거리를 두고 작용하는 자연의 기본적인 힘중의 하나로 어떤 물질 특히 호박 (amber)이나 유리 등을 비단이나 모피 등으로 문지르면 가벼운 깃털이나 종이 등을 끌어당기는 능력이 발생되는데 이러한 현상을 전기라 한다. ▒ 자연의 4가지 기본력 : 중력 (gravitational force, gravity) ,전자기력 (electromagnetic force) 핵력 (nuclear force) ,약력 (weak force) 2) 물질 (matter) 물질은 질량을 가지고 공간을 점유하고 있어 무게를 측정할 수 있으며 고체 (solid), 액체 (liquid), 기체 ..

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