현재 인류의 물리학의 한계와 척도

현재 인류의 물리학의 한계와 척도

<어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까? / 짐 알칼 릴리 지음 > 참조

 

 

과학과 물리학은 결국 인간의 삶과 세상의 본질을 파해친다는 점에서 철학적이며,  매우 종교적이라고 생각한다.

그래서 나는 기초물리학, 천체물리학 책도 참 좋아한다. 심오한 메시지와 의미 만을  고상하게 부여하는 일반 척학과는 다르게, 과학은 명백하고 스스로 여러 관점을 생각한다는 점에서 매우 삶에 유익한게 아닐까 싶다.

 

나는 개인적으로 '아인슈타인'을 매우 좋아한다.

아인슈타인의 말중에서 "이론이 즉 실체다."라는 말에 감동 받았고  그것이 내삶의 좌우명중 하나가 되었다.

기초 이론을 철저히 지독하게 파해치는 것은 정말로 멋지고 짜릿한 삶이 아닐까 생각해본다.

 

"나는 똑똑한 것이 아니라, 단지 더 오래 고민했을 뿐이다." 라는 말은 내가 앞으로 살아가야할 삶의 자세를 말해준다.

재능이 없다면, 남들보다 더 많은 생각과 고민을 하는게 올바른 삶이 아닐까?

 

 

 

 

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철학, 논리학, 이론 수학과는 달리 물리학은 실증 과학이자 정량적 과학을 말한다.

물리학은 재현 가능한 관찰, 측정, 실험으로 개념을 입증하는 검증을 함께한다.

 

검증이 가능해야만 인정받는 물리학의 속성 때문에 스티븐 호킹의 1970년대 중반 블랙홀이 에너지를 방출하는 현상인 (호킹 복사)를 연구하고도 노벨상을 수상하지 못했다. 그 유명한 아인슈타인조차도(일반상대성 이론)이 아닌, 다른 이론인 (광전효과)로 노벨상을 받았다는 점에서 물리학의 기본 속성을 알 수 있다.

 

많은 물리학은 관찰,실험, 측정이 가능해지고 발전하게 된다.

물리학은 17세기에 들어 어엿한 학문으로 자리 잡게 된다.

이때 망원경과 현미경의 발명 덕분이다.

 

 

 

 

 

 

1610년 1월 갈리레오 갈릴레이는 자신이 개량한 망원경으로 하늘을 관찰했다.

이때 목성의 위성 4개를 관찰하고 니콜라우스 코페르니쿠스의 태양중심설이 옳다는 결론에 도달한다.

태양이 지구를 중심으로 도는 게 아니라, 지구가 태양의 주위를 도는 것이다.

다른 행성들도 결국 태양을 중심으로 돈다는 점을 발견했다.

 

갈릴레오의 업적은 단순한 천문학 혁명이 아니라, 과학적 방법론 자체를 더욱 확고한 토대를 만들었다는 점에서 주목해야 한다.

 

 

 

 

 

 

 

인류는 (아주 크고, 아주 짧고, 아주 빠른)물리학을 연구하고 많은 진전이 있었다.

우리는 전자현미경을 통해 직경이 수천만 분의 1mm에 불과한 개별 원자도 볼 수 있다.

거대한 망원경을 통해 465억 광년 떨어진 우주도 관측이 가능하다.

 

최근 스코틀랜드 세인트앤드루스대학에서 가장 작은 길이의 척도 측정에 대한 성과를 보였다.

그들은 (파장계) 라는 장치를 이용해 빛의 파장을 아토미터 단위까지 측정하는 방법을 고안했다.

1am = 양성자 직경의 1/1000 길이 1am = 1(10M-18) = 100경 분의 1m

소립자 길이 단위 1am는 100경 분의 1m를 뜻함

 

이들의 원리는 레이저 빛을 짧은 광섬유에 여러 패턴으로 통과시켜 변화를 추적하는 방식이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2016년 독일에서 (광전효과) 현상을 연구하고 있었다.

광전효과 = 광자가 전자를 때려서 원자를 때어내는 현상

 

광전 효과를 처음 설명한 사람은 아인슈타인이고,그는 1905년 논문으로 출간했었다.

아인슈타인은 광전효과에 대한 논문으로 노벨상을 받았다.

그의 위대한 업적인 일반상대성 이론으로 노벨상을 받은 게 아니다.

 

요즘은 빛이 물질에서 전자를 떼어내는 것을 (광전자 방출) 이라고 부른다.

태양전지가 햇빛을 전기로 바꾸는 것도 이런 식으로 이뤄진다..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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물리학은 길이를 포함해 아주 짧은 찰나의 순간을 연구하기도 한다.

2016년 2가지 특별한 레이저를 이용한 실험을 했다.

레이저를 분출하는 헬륨가스

약 1경분의 1초 = 100아토초

 

엄청나게 빠른 헬륨가스 레이저의 지속시간을 조금 다르게 2번 이용했다.

두 번째 레이저는 에너지가 낮고 펄시 지속 시간이 조금 더 길었다.

실험의 목적은 헬륨 분자를 이용해 광전효과의 빠르기를 측정한다는 것이다.

속도가 다른 2가지 레이저를 교차 분석해 정확한 시간을 산출한다.

 

첫 번째 레이저는 펄스 지속시간의 1/10에 불과했다.

흥미로운 점은 떨어져 나오는 전자가 사실 조금 꾸물거린다는 것이다.

헬륨 원자에는 전자가 2개 들어 있다. 그래서 때어지는 전자는 뒤에 남은 다른 원자의 영향을 받는다.

그래서 아주 살짝 전자의 방출을 지현 시킨다.

핵심은 불과 몇 아토초까지도 실험을 통해 측정이 가능하단 것이다.

 

 

 

더 굉장한 것은 핵 원자 충돌은 이것보다 훨씬 빠른 속도를 갖고 있으며, 실험실에서 측정조차 불가능하다는 것이다.

예를 들어 핵융합에서 2개의 원자핵이 하나로 합쳐지면서 더 무거운 원자핵을 만든다.

이때 양쪽 원자핵에서 나온 모든 양성자와 중성자는 급속히 재조직되어 결합된다.

이 양자 과정이 일어나는 시간은 1젭토초 도 되지 않는다.

1젭토초 zs , zeptosecond

10M-21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

원자 컴퓨터를 찾아볼 때 트랜지스터의 크기가 원자의 100배 사이즈까지 작아졌고, 물리적으로 더 작게 만들기 어려워 원자 컴퓨터를 만든다는 이야기를 듣고 터무니없는 사이즈라 생각했다. 현대 물리학은 그것을 뛰어넘는 엄청난 진보와 깊이감을 연구한다는 점에서 경외감마저 든다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

극단적인 시간과는 정반대인 아주 거대하고 긴 시간에 대해 살펴보자.

우주론 학자와 천문학자는 우주의 시작인 빅뱅이 138억 2420만년 전에 일어났다고 확신한다.

중세엔 우주의 나이가 6천 년 밖에 되지 않는다는 이론이 정설이었는데, 현재 천문학에 비해 터무니없이 작다.

 

우주의 나이를 측정하기 위해선 2가지 가설이 필요하다.

물리법칙은 우주 어디나 동일하다.

우주는 모든 방향에서 동일하게 보인다.

이렇게 일정한 규칙을 이용해 항성들의 나이와 천체를 연구하게 된다.

천문학자들은 우리 은하를 기준으로 다른 은하를 비교 분석한다.

 

 

열핵 분열을 통해 얼마나 타올랐는지, 빛의 속도를 이용해 얼마나 오래되었는지 측정한다.

모든 기준은 우리 은하가 된다. 이때 망원경을 이용해 더 먼 곳까지 세심하게 분석한다.

빛의 속도는 일정하며 우리 눈에 도달하기까지 수십억 년 전의 빛도 있다.

결국 적절한 표본을 분석하면 과거 우주를 분석할 수 있다.

 

이른바 ‘마이크로파 우주 배경 복사’라고 하는 아주 먼 우주에서 날아온 온도의 미세한 차이를 연구하여 빅뱅 이후 우주의 최초 모습을 상상할 수 있다.

 

 

문제는 빅뱅 이전의 우주를 아무도 예측 상상할 수 없다는 점이다.

하지만, 인류는 우리가 상상할 수 없는 부분까지 지속적으로 과학이 발전하고 있다.

최초를 알 순 없어도 인류는 과학을 통해 계속 진보해 나갈 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

과학의 기본 정신 [ 보편성 , 대칭성, 환원주의 ]

 

<보편성>

최초의 보편적 물리학 법칙은 아이작 뉴턴의 만유인력 법칙 (중력이론)이다.

중력이론은 사과가 땅바닥에 끌리는 간단한 사건을 이용해 달을 지구 궤도에 묶어두는 더 큰 힘에 대한 기준과 통찰을 만들었다. 

그것도 아주 간단한 수학적 관계로 그것을 검증했다.

지상에서 발생하는 중력의 법칙은, 태양을 중심으로 움직이는 우주의 기본 운동 법칙과 동일하다.

 

뉴턴의 중력 이론은 2세기 후인 아인슈타인이 발전시킨 더 정확한 중력 이론인 (일반 상대성 이론)이 나오기까지 막대한 영향을 준다. 뉴턴의 중력이론은 아직도 쓸만하기 때문에 많은 과학에 적용하고 있다고 한다.

만유인력 법칙은 원래 '이론' 으로 불려야 하지만, 너무 보편적이고 정설로 생각하기 때문에 '법칙'으로 승격해서 부른다고 한다. 

 

 

 

 

 

 

<대칭성>

물질에 어떤 다른 속성의 변화를 줘도 동일하게 유지되는 성질을 말한다.

대칭성은 어떤 변화와 변환이 모든 곳에서 동일하게 적용되기만 하면 물리법칙이 동일하게 유지된다는 것을 말한다.

 

수많은 대칭성을 과학적으로 찾아 나서는 것에서 새로운 물리학 법칙을 완성하고 발견할 수 있는 원동력이 된다.

 

대칭성은 가설을 검증하는 기준으로 제시된다.

가설을 예측하고 바뀐 점을 비교하여 새로운 법칙을 추론한다.

예를 들어 암흑물질과 끈이론이 양자중력에 대한 사실을 검증하기 위해 대칭성을 찾고 있다.

 

예를들어 (대칭성 파괴)라는 이론을 정립해 노벨상을 받기도 했다고 한다.

대칭성 파괴는 물리학자들이 물질의 기본 구성요소, 즉 (소립자) 그사이에서 작용하는 힘을 이해하는데 도움을 준다.

 

원자보다 작은 미시세계, 즉 소립자 분야엔 일반 물리학은 통하지 않는다.

 

 

 

 

<환원주의>

전체는 부분의 합에 불과하다가 환원주의 사상이다.

과학을 포함한 많은 학문 분야에서 핵심적인 접근 방식으로 알려져 있다.

물리학에선 물질의 최소 단위와 더불어 집단성이 중요하다.

 

최소 단위와 집단성은 다른 물리 법칙을 이용한다.

예를 들어 물분자 하나는 물의 끈적이고 출렁거리는 현상을 설명하지 못한다.

이것은 집단을 관찰해야 하는 것이다.

 

이렇게 물질은 2가지를 모두 연구해야 한다.

이때 개발된 것이 (열역학 , 통계학)이다.

물질은 대규모 연쇄반응을 통해서 물리 현상을 만든다.

결국 집단적 성질과 법칙의 이해는 물리학의 필수다.

 

 

또 다른 예로 살아있는 생물과 바로 죽은 물질은 원자 구조면에서 거의 동일하다.

무생물의 분자와 생물의 분자도 소립자 기준으로 보면 다를 게 없다.

 

 

 

 

 

 

<보편성의 한계>

예를 들어 아인슈타인의 중력이론은 우주의 대부분의 운동을 설명한다.

하지만, 아주 작은 물질인 미시세계는 물리학 법칙 자체가 통하지 않는다.

빛과 핵융합을 이용해 빅뱅의 우주를 검증한다 해도, 그전의 우주는 알 수 없다.

 

 

우리가 일상생활을 사는데 전혀 문제없지만. 보편성은 분명 한계가 있다.

우리는 아직도 모르는 게 많다.

예를 들어 핵융합에 관한 여러 물리학 모델은 있어도, 아직은 보편적 이론은 없다고 한다.