공부하고 정리하고

반입자라는 말을 들어보셨나요? 살면서 접하기는 힘든 말입니다. 반입자는 우리가 볼 수 없기 때문이죠.

댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서는 이 반물질로 만들어진 폭탄으로 일어나는 태러를 막기 위한 사투에 관한 이야기로 다루기도 했습니다. 여기서는 사용되는 폭탄 안의 반물질을 CERN에서 연구를 통해 만들어냈고 이를 모아서 통에 담아두었는데 이를 깨트리기라도 한다면 어마어마한 폭탄이 되어버린다고 나옵니다.

저는 이 책을 접했을 당시에 과학을 잘 몰랐기 때문에(물론, 지금도 잘 모릅니다.^^) 반물질은 공상과학에서 떠드는 그런 이야기인 줄 알았습니다. 아~ 작가가 소설 자~알 쓰네라고 말하면서 말이죠. 하지만 물리적인 개념 자체는 존재하고 또한 실제로 반물질이 존재하죠. 그럼 한 번 알아보겠습니다.

반입자란?

반입자는 우리가 알고 있는 각각의 입자들에 대해서 모든 물리적 상태가 동일하지만 가지는 전하가 반대인 입자를 말합니다. 그런데 생각해보세요. +전하와 -전하가 만나면 어떻게 되죠? 서로 끌리게 되죠? 즉, 각각의 입자와 반입자는 서로 상호작용으로 만나게 된다면 서로 끌어안으려고 할 것입니다. 그런데!! 이 입자와 반입자가 만나면 질량이 없는 광자의 형태로 에너지가 바뀌면서 전환됩니다. 아인슈타인의 상대성이론에서는 질량이 곧 에너지임을 말해줍니다.

그렇게 때문에 이 모든 질량이 에너지가 된다면 꽤 큰 에너지가 생기게 됩니다.

그런데 이렇게 입자와 반입자가 만나 광자로 바뀌는 쌍소멸 현상만 나타나는 것은 아닙니다. 쌍생성도 일어나는데 광자가 입자와 반입자로 나눠지면서 에너지에서 입자로 시각적으로 보았을 때는 무에서 유를 만들어 내는 현상도 있습니다. 하지만 이러한 반응이 아주 짧은 거리에서 순식간에 연속적으로 일어나기 때문에 관측하기는 힘듭니다.

반입자 왜?

반입자의 존재는 전자를 보면 이론적으로 필요하겠다는 생각이 듭니다. 전자를 들여다보면 우리의 아인슈타인에 의해 정지한 입자의 에너지는 E=mc2라고 알려져 있습니다. 운동을 하지 않을 때의 에너지입니다. 이 식에 따라 계산하면 0.511MeV라는 에너지가 전자 하나당 가지고 있습니다. 실제로도 그렇구요. 그럼 뭐가 문제일까요? 에너지를 계산할 때 원래는 이 전자가 스스로 가지고 있는 전하량에 의한 셀프에너지효과도 실제로 고려해야 합니다. 이때 이 셀프에너지효과를 고려하면 에너지는 매우 커집니다. 하지만 실제로는 그렇지 않죠. 현대에서는 이 셀프에너지효과를 반입자인 양전자에 의해 지워진다고 보고 있습니다. 그럼 우리가 관측하는 결과가 설명이 되기 때문입니다.

반입자 지금은?

지금도 반입자는 끊임없이 생겨나가 끊임없이 소멸합니다. 왜냐하면 우리 주변은 입자로 가득 차있기 때문이죠. 무슨 말이냐면 모래로 가득 차 있는 운동장에 물 한 바가지 가져와서 부어버린다고 운동장을 다 적실 수 없는 것입니다. 멀리서 보았을때는 부은지도 모르겠죠. 그래서 관측할만한 변화가 있기 위해서는 모래에 준하는 양만큼의 물이 있어야 하는것이지요. 그것처럼 현제의 세상은 입자로 가득차 있기에 반입자는 생기자마자 쌍소멸해버리는 운명을 마주칩니다.

왜 입자가…?

그럼 왜 입자가 이 세상을 다 차지하고 있냐구요? 이 부분은… 아직 명확히 설명이 되지 않는 것으로 알고 있습니다. 그저 태초에 빅뱅이 일어나고 처음에는 입자와 반입자도 없는 에너지 덩어리 상태로 존재했었는데 우주가 조금씩 온도가 낮아지면서 빛이라는 것이 생겨났고 입자와 반입자도 탄생했습니다. 이 때 처음에는 입자와 반입자가 반반씩 차지했을 겁니다. 이 세상을 말이죠. 하지만 입자가 한 개 혹은 두 개 혹은 몇 개 더 반입자보다 반응할 때마다 더 생겼을 것이고 결국 입자의 승리로 이 세상이 입자로 다 차버렸을 것으로 보입니다. 만약 입자가 승리하지 못했다면 우리는 존재할 수 없을뿐더러 우주의 형태도 존재하지 않았을수도 있을 겁니다.

양전자를 이용하자

반입자중에 현재 우리 삶에 깊숙히 들어와 있는 녀석이 있습니다. 바로 양전자인데요. 어디에 들어와 있냐구요? 의료분야에서 사용이 되고 있습니다. PET이라는 장비인데 풀네임은 Positron Emission tomogtaphy라 해서 양전자를 내는 물질을 먹고 이 장비로 찍으면 인체 내부의 영상을 찍을 수 있습니다. 양전자가 주변의 전자들과 만나서 쌍소멸을 하고 생기는 감마선을 계측하는 일종의 계측기 입니다.
자세한 내용은 제가 연재하고 있는 방사선 시리즈에서 다룰 예정이니까 소개는 그때 하도록 하겠습니다.

처음 이야기를 시작할 때 말한 반입자 폭탄 현실성이 있을까요? 반입자는 입자로 가득 찬 세상에서 반입자 혼자만으로는 살아갈 수 없습니다. 그렇기에 모여있다면 엄청난 폭탄이 될 수 있는 것입니다. 하지만 반대로 생각해보면 그렇게 반응성이 좋은 반입자를 어떻게 보관할까요? 이는 매우 힘든 기술이 될 것입니다. 그래서 아직까지는 핵무기는 걱정해도 반물질 폭탄은 걱정할 필요는 없겠네요.

“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”

어제 세상을 이루는 기본 입자가 무엇일까 라는 생각을 고대부터 현대까지 쭉 따라오면서 입자의 존재에 대해서 알아보았습니다. 마지막 부분에서 원자는 양성자와 중성자 그리고 각각은 쿼크로 이루어진다고 설명했었는데 오늘은 이 부분에 대해서 조금 더 자세히 알아보도록 하죠.

우선 쿼크에 대해 이야기하기 앞서 간단하게 핵의 내부를 먼저 들여다보겠습니다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다. 양성자와 중성자의 개수의 차이로 물리적, 화학적 성질이 달라집니다. 수소는 핵의 구성성분이 양성자가 하나임에 반해 헬륨은 양성자가 두개 중성자가 두 개인 것처럼 말이죠. 이처럼 양성자와 중성자의 수로 다른 원소가 될 수 있습니다. 그리고 이 상태가 불안정할 경우 붕괴라는 활동을 하는 방사성 동위원소가 되는 것 이지요. 그럼 여기서 궁금한 것이 이 양성자와 중성자가 어떻게 결합을 하고 있는지 혹은 그 내부는 어떻게 생겼을까? 궁금하신가요? 이 내부는 표준 모델로서 정의된 입자로 구성되어 집니다.

현재 정의하고 있는 입자에 대한 모델링은 표준 모형을 통해서 제시하고 있습니다. 6 종류의 쿼크와 6종류의 렙톤 4종류의 힘의 근원, 그리고 질량을 부여해주는 힉스입자까지… 이렇게 구성되어 있습니다. 쿼크는 뭐고 렙톤은 또 무엇일까요?

이 세상의 기본입자라는 존재들의 상태의 차이로 종류가 나눠집니다. 우선 상태라는 것은 각각의 특징을 결정지을 수 있는 값들을 말합니다. 이러한 값을 고유 성질이라고 하며 여기에는 스핀, 전하량, 질량이 있습니다. 우선 쿼크와 렙톤들은 스핀값은 동일합니다. 여기서 스핀이라는 것은 각각의 입자가 가지는 고유의 각운동량으로 스핀 각운동량이라고 합니다. 각운동량이라는 것이 고전에는 회전하는 물체가 가지는 운동량을 말했는데 여기서의 각운동량은 회전하지 않지만 자체적으로 그 입자가 가지는 물리량을 말합니다. 이 부분을 자세히 이해하려고 하면 머리가 아프니 아 그런게 있구나 정도로만 보고 넘어가죠. 이 스핀이라는 존재덕분에 전하량이라는것도 현재의 모습으로 결정이 됩니다. 그리고 이들이 가지는 스핀값은 1/2입니다.

쿼크는 여기서 전하량과 질량에 따라 6종류로 나눠집니다. 업쿼크와 다운쿼크, 참쿼크와 스트레인지 쿼크, 톱쿼크와 보텀쿼크로 나눠지며 전하량은 두 개씩 묶은 세트 중 앞에 쿼크가 +2/3을 뒤에가 -1/3을 가지게 됩니다. 그리고 질량은 업, 다운이 가장 가볍고 톱쿼크가 가장 무겁습니다. 그런데 현재 우리가 알고 있는 모든 물질들은 업쿼크와 다운쿼크로 이루어집니다. 나머지 4개의 쿼크는 안 쓰입니다. 음 왜 있을까요? 저도 잘 모릅니다….ㅎㅎ 저 먼 우주에서는 이 쿼크를 사용한 물질이 있을지도 모르고 혹은 지금 옆에 있지만 파악이 안된 암흑물질과 같은 물질을 이루고 있을지도 모릅니다. 이것은 아직은 아무도 모릅니다. CERN에서 열심히 찾고 있을것으로 생각이 됩니다.

표준모델에서 6개의 쿼크는 알아보았고 이번에 렙톤을 한 번 보겠습니다. 렙톤은 경입자라하여 쿼크는 자기 혼자 존재하지 못하지만 이 렙톤은 쿼크와 다르게 핵력의 힘을 받지 않습니다. 대표적으로 전자가 있죠. 여기에는 전자, 뮤온, 타우가 있고 각각에 해당하는 전자 뉴트리노, 뮤온 뉴트리노, 타우 뉴트리노가 있습니다. 이들은 각각이 반입자를 가지게 되고 전하량과 질량이 전자와, 뮤온과 타우간에 차이가 존재합니다. 반입자라는것은 제가 추후에 자세히 설명하겠지만 전하량을 반대 부호로 가지는 입자를 말합니다.

여기서 뉴트리노는 처음에는 질량이 없다고 판단이 되었는데 서로 간에 교환이 일어나는 현상이 발견되었습니다. 그런데 서로간에 바뀌는 현상이 있기 위해서는 질량을 가져야 합니다. 그래서 이론적으로는 질량이 있다고 생각을 하고 있고 지금 검출을 하려고 노력하고 있습니다.

그리고 마지막으로 보존 입자는 힘을 매개하는 입자입니다. 4가지의 힘의 근원이 있고 또한 진짜 마지막으로 입자들에게 질량을 부여해주는 힉스입자가 존재합니다. 이 부분들은 따로 포스팅하도록 하겠습니다.

이 표준모델의 입자를 이해하려면 양자역학에 대한 이해도가 존재해야 합니다. 저 또한 물리학을 공부하였지만 아직 양자에 대한 이해도는 양자를 접해보지 않은 분들과 크게 다르지 않습니다. 왜냐하면 배우기는 배웠지만 제대로 이해를 아직 못했기 때문이죠…ㅠㅠ 양자는 정말 어렵답니다. 그래서 저는 아직도 이해를 하고 있는 과정 중에 있습니다. 하지만!! 이 미세입자를 들여다보고 있노라면 정말 이 세상이 신기하고 우리가 알고 있는 부분이 얼마나 빙산의 일각일까 라는 생각을 하곤 합니다. 저는 단지 이런 저의 감정만이라도 전달되었길 바랍니다.

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오늘은 세상을 이루는 물질에 대한 탐구의 역사에 대해서 소개해볼까 합니다. 여러분들은 입자라 하면 가장 먼저 뭐가 떠 오르시나요? 전 과학에 대해 배우기 전에는 모래 알갱이 같은 이미지를 떠올렸답니다. 여러분들은 어떻게 떠오르시나요? 이러한 상상을 고대시대부터 옛 선조들은 해왔습니다. 이 세상을 구성하는 기본 구성 입자는 무엇일까? 이러한 탐구는 고대 탈레스 시대부터 사람들은 생각하며 논의해왔습니다.

그중에 아리스토텔레스는 물질의 근원은 불, 공기, 물, 흙으로 이루어진다고 생각했습니다. 그리고 나아가 우주에는 가장 완전하며 순수한 5원소가 존재할 것이라고 생각했죠. 어떻게 보면 정말 눈으로 볼 수 있는 현상을 정밀하게 분석한 결과가 아닐까 생각합니다. 그 당시 제가 아리스토텔레스 앞에서 이 이야기를 듣고 있었다면 설득당하고 말았을 것입니다…

하지만 이것은 세상을 이루는 기본 입자는 아니었지요. 이러한 고민은 한참이 지나 지금의 원자론에 가까운 이론에 도달합니다. 1800년대에 돌턴은 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙에 의해 세상의 기본 입자는 더 이상 쪼개질 수 없는 원자로 존재할 것이라고 주장하였습니다. 이 원자는 현재의 모델의 시초라고 볼 수 있습니다.

하지만 이 이론은 톰슨에 의해 깨지게 됩니다. 톰슨은 음극선 실험을 하다가 전자를 발견했기 때문이죠. 톰슨은 이 전자가 원자에서부터 왔다고 생각했고 중성인 원자가 전자를 가지기 위해서는 원자 안에 ‘빵안에 박힌 건포도처럼’ 전자들이 있어야 한다고 생각했습니다. 이렇게 이론은 한 단계 발전합니다.

하지만 이 이론도 틀렸습니다. 러더퍼드는 알파선을 금박에 쏘는 실험을 했었는데 이 실험 중 놀라운 결과가 생겼습니다. 이 당시 러더퍼드는 대포알을 화장지 조각에 발사했는데 튕겨 나왔다라는 식으로 말했다고 합니다. 왜냐하면, 알파선은 자기보다 훨씬 작은 전자와 부딪힌다면 직진하거나 산란을 하더라도 아주 약간만 할 것이라고 생각하였기 때문이죠. 하지만 실험결과 아주 크게 산란하는 알파선이 생겼습니다.

이때 러더퍼드는 생각했습니다. 아! 원자는 중심에 핵이라는 존재가 있고 전자가 그 주변을 돌고 있구나! 라고 말이죠. 이렇게 러더퍼드 모델이 탄생하게 됩니다.

하지만 이 이론 또한 틀렸습니다. 이 당시 전자기학에 대한 이해도가 있던 시절인데 중심에 핵이 있고 전자가 그 주위를 원운동을 하며 돌고 있다는 러더퍼드 모델에는 큰 모순이 있었기 때문입니다. 바로 전자가 움직이게 되면 전자기파로 에너지를 방출한다는 점이었죠. 전자가 움직이면서 전자기파를 방출하면 자신은 점차 에너지를 잃게 되고 그럼 원운동을 유지를 할 수 없으며 원자핵으로 떨어져 버릴 것이라는 것이었죠. 러더퍼드는 이 문제에 대해서 해결하지 못합니다.

대신 보어는 이 문제를 해결할 수 있는 원자 모델을 제시합니다. 이 모델은 양자역학을 적용한 모델입니다. 원자 주변에 에너지 레벨이라는 불연속 층이 있고 이 에너지 레벨에 전자는 갇혀있으며 이 궤도에서는 안전하게 에너지 방출 없이 운동을 한다는 것이지요. 거의 다 왔습니다. 원자 모델이 거의 다 완성이 되었군요. 사실 이 모델로도 현대의 거의 모든 현상을 설명할 수 있습니다.

하지만 양자역학에서 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 위치와 운동량 두 가지를 우리는 한번에 결정지을 수 없습니다.

관측이라는 행위를 할 때 정해집니다. 말이 어렵습니다만 뚜껑 열어보기 전에 모른다는 말이 있죠? 바로 딱 그 말입니다. 예를 들자면 자 어제 우리는 된장찌개와 김치찌개를 점심 저녁때 각각 먹고 남겼습니다. 하지만 우린 어디 뚝배기에 끓였는지 모릅니다. 자 한 개의 뚝배기를 들고 옵니다. 여러분은 뚜껑을 열기 전에 무슨 찌개인지 모릅니다. 된장찌개일까요? 김치찌개일까요? 1/2의 확률이죠. 뚜껑을 열어보기 전에는 알 수 없죠. 이러한 방식으로의 설명을 양자역학에서는 이용합니다. 전자의 궤도와 운동량의 상태들은 확률로써 존재합니다. 이를 양자 중첩이라는 말로 표현합니다. 즉 상태가 중첩이 되어있다는 말이죠. 그래서 하고 싶은 말은 전자의 궤도가 불연속적으로 나눠져 있고 이를 설명하려고 하지만 실제 전자가 정확히 어디 궤도에 있다고 우리는 말할 수 없습니다. 우리가 관측이라는 행위 사용이라는 행위를 하면서 그 전자는 그 위치에서 관측이 되기 때문이죠. 그래서 이러한 현상을 적용하기 위해 전자는 구름의 형태로 있다고 설명합니다. 이게 현대에서 설명하는 원자 모델입니다.

그럼 세상을 이루는 가장 기본입자로 원자는 전자와 핵으로 이루어진 이 상태가 진짜로 끝일까요? 아직 가야 할 길이 있습니다. 돌턴은 원자가 더 이상 쪼개어질 수 없는 상태라고 하였지만 실제 원자는 쪼개어집니다. 원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있기 때문이죠. 그리고 이 양성자와 중성자는 글루온이라는 입자가 힘을 매개하게 됩니다. 그럼 이게 마지막 상태일까요? 이번에도 아닙니다. 양성자는 업쿼크 두 개와 한 개의 다운쿼크로 이루어 집니다. 중성자는 두 개의 다운쿼크 한 개의 업쿼크로 이루어지죠. 쿼크까지 왔군요. 이 입자가 세상을 이루는 가장 작은 입자입니다. 이번이 정말 마지막이죠. 아직까지는 말이죠. 

.“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”

이번 포항 지진 때 필로티 구조의 원룸의 기둥이 엿가락처럼 휘어버린 사진을 보신 적이 있으실 겁니다. 없다면 아래에 있는 사진입니다 한 번 보시길 바랍니다. 저도 자취를 하는 학생의 입장에서 이 사진을 보니 무섭더군요. 그래서 오늘은 내진설계에 대해 알아왔습니다. 기본적으로 내진설계란 지진에 대항하여 버틸 수 있도록 건물을 설계하는 방법을 말합니다.

국내 내진설계

국내 내진설계는 2층 이상의 건물과 높이 13m 이상 전체면적 500m2 이상의 건축물에 적용이 됩니다.

내진설계의 방식에는 크게 3가지 정도의 방법이 있다고 합니다.

내진 구조

우선 내진구조는 지진이 발생해도 이 지진력을 버티도록 기존의 건물보다 튼튼하게 짓는 것을 말합니다. 즉, 건물 벽에 철근을 삽입한 콘크리트를 많이 사용해 강한 흔들림에도 붕괴하지 않도록 합니다.

제진 구조

다음으로 제진 구조가 있습니다. 다양한 종류의 제진 장치를 사용하여 지진을 감쇠시키는 역할을 합니다.
제진장치로는 점탄성감쇠기, 점성유체감쇠기, 항복형 감쇠기, 동조감쇠기, 능동형 감쇠장치 등이 있습니다.
위 각각의 장치들은 작용하는 방식이 다르지만 공통적으로 하고자 하는 일은 지진력을 감쇠시켜 건물 자체에 주는 데미지를 줄이고자 하는 목표를 두고 있습니다.

면진 구조

면진 구조는 면진 장치를 사용해 지반과 건물을 분리시키는 방법입니다. 면진 장치는 지반에서 오는 진동 에너지를 흡수하여 건물에 주는 진동을 줄여주는 진동 격리장치입니다.

이 세가지 구조중에 가장 안정성이 높은 구조는 면진 구조이고 그 다음이 제진구조 입니다. 내진은 그냥 버티도록 설계되는 반면 면진은 진동이 최대한 안가도록 만들었으니 지진 발생 시에 진동이 가장 적죠. 하지만 각각의 구조에 대한 경제적인 비용 부분으로 보았을 때는 면진 구조가 가장 비용이 많이 듭니다.

차진 구조

이는 현재 연구 중인 구조방식인데 지진이 발생했을 때 공중에 떠 있다면 지진으로 무너질 걱정을 할 필요가 없겠죠? 그런 생각으로 지진 발생시에 건물을 뛰우는 기술입니다. 자기장이나 압축공기를 활용해서 연구 중이라고 합니다. 실제 최근 기사를 보니 일본의 연구팀이 건물아래로 분당 800L의 공기를 분사하여 건물을 0.06mm 띄우는 방식의 장치를 개발했다고 합니다.

오늘은 다양한 내진 설계 구조를 알아보았습니다. 문득 드는 생각이 그럼 내전 설계를 하지 않은 건물도 많을텐데 괜찮을까? 라는 생각이 듭니다. 이러한 건물들은 내진 설계를 할 수는 없기에 내진보강이라는 방식으로 구조를 보완한다고 합니다. 방식은 제진 장치를 보강하는 방식인것 같습니다.
위에 소개한 여러 내진 설계를 혼합하여 사용한다면 더 튼튼한 건축물을 만들 수 있을 겁니다.

-이미지 출처-

1. http://www.sanandreasfault.org/EQS.html
2. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/11/16/2017111602278.html
3. http://www.kvceng.com/sub/sub0303.php
4. http://goodhousing.eseoul.go.kr/SeoulEqk/04_information/sub4_5_3.html
5. http://flypo.tistory.com/996
6. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/09/05/2017090502082.html
7. http://infopara.tistory.com/61
8. http://www.segye.com/newsView/20160419003613

오늘은 표준에 관해서 이야기해 보겠습니다. 일상생활에서 사용하는 단위가 어떠한 게 있죠? 시속이 얼마다 할 때 km/h 라던가 땅이 ~평이다 라던가 이러한 단위들이 사용됩니다. 하지만 미국에 가게 되면 야드나 파운드 이러한 단위들을 사용합니다. 나라마다 단위의 사용에 차이가 있는 것이지요. 이러한 이유로 국제적으로 단위를 표준화합니다. 이를 SI 단위라고 합니다. 그래서 이 단위에 관해서 이야기를 풀어보겠습니다. ㅎㅎ

단위의 사용

단위는 어떻게 사용이 되었을까요? 아주 옛날 사람들은 단위의 개념이 없었겠죠. 하지만 역사적으로 보았을 때 단위의 사용은 문명의 발생과 아주 관련이 높습니다. 계급이 존재하지 않고 농경이라는 것을 하지 않을 때는 필요가 없었지만, 문명이 발생하여 계급이 생기고 농경사회가 시작되면서 농경지를 구획할 때 사람들은 자신들의 것을 정확히 구분하기 위해 표준이 될 수 있는 단위를 사용하게 됩니다. 또한 서로 생산한 것을 교환하기 위해서는 가치를 판단할 기준도 필요했습니다. 이렇게 단위를 사용하게 됩니다.

단위 표준화의 중요성

이렇게 각각의 나라들은 자기들만의 단위를 개발하게 됩니다. 가장 처음 사용한 단위들은 길이, 부피 등을 재는 도량형에서 시작하였지만 시간이 흘러 여러 단위들이 나오게 됩니다. 하지만 산업화가 되고 현재와 같은 세계화의 시점에서는 단위 표준화는 매우 중요한 문제 중에 하나입니다. 두가지 예를 살펴보겠습니다.

-김리 글라이더 사건-

1983년 7월 22일 엔진이 모두 꺼진 상태로 비행기 하나가 비상착륙을 합니다. 이 비행기는 갑자기 연료가 떨어져서 비상착륙을 했다고 합니다. 연료가 새버린 걸까요? 정답은 아닙니다. 이 비행기는 최초로 파운드법이 아닌 미터법을 사용하여 제작한 비행기라고 합니다. 하지만 미터법으로 계산해서 넣어달라고 한 연료를 잘 못 해서 숫자만 보고 그 숫자만큼의 파운드로 넣었다고 합니다. 그래서 비행중 원래 연료양보다 부족하여 엔진이 꺼지는 상황이 발생했고 비상착륙을 하게 되었다고 합니다.

-화성 기후 궤도선-

약 1300억 원의 돈을 들여 만든 화성의 계절, 기후, 물과 이산화탄소의 존재, 기후 변화 등을 연구하기 위해 제작하여 우주로 보냅니다. 하지만 비행 중 궤도 진입을 위해 정보를 송신하였는데 네비게이션이 오작동을 일으키고 원래 예상 궤도로 진입을 못 하고 화성대기로 인해 공기 저항으로 파괴가 되어버립니다. 이유는 록히드 마틴사가 로켓 분사에 필요한 충 운동량 변화를 파운드 단위로 계산하여 보냈고 NASA 측은 미터법으로 제작한 로켓에 이 숫자를 그대로 집어넣은 것입니다. 아주 작은 실수였습니다. 한 가지 단위변환을 안 한 것이지요. 이 하나의 실수로 우주선은 사라지게 됩니다.

표준화 단위

국제적으로 여러 나라가 사용하는 단위를 국제단위로 인정하고 사용하는데 여기에는 7가지의 SI단위가 있습니다.
길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 몰질량, 광도가 해당합니다. 각각의 단위는 어떠한 값으로 표준이 되어 있는지 한 번 보겠습니다.

-길이 : 미터(m) : 1m는 빛이 진공에서 1/299.792,458초 동안 진행한 경로의 길이

-질량 : 킬로그램(kg) : 국제 킬로그램 윈기를 사용(1kg 모델이 제작되어 있고 이를 표준으로 정함)

-시간 : 초(s) : 1초는 온도가 0K인 세슘-133 원자의 바닥 상태에 있는 두 초미세 준위 사이의 전이에 대흥하는 복사선의 9,192,631,770주기의 지속 시간

-전류 : 암페어(A) : 1A는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1미터의 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 미터당 2×10-7 뉴턴의 힘을 생기게 하는 일정한 전류

-온도 : 켈빈(K) : 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16

-몰질량 : 몰(mol) :1몰은 바닥 상태에 정지하여 있고 속박되어 있지 않은 탄소-12의 0.012kg에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성요소를 포함한 어떤 계의 몰질량(c-12를 기준으로 한다)

-광도 : 칸델라(cd) :1 칸델라는 540×1012 헤르츠인 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 어떤 주어진 방향으로 스테라디안당 1/683와트일 때 이 방향에 대한 광도

이 표준 단위들로부터 유도단위를 구해 주파수, 힘, 에너지, 전하량, 섭씨, 화씨 등이 나오게 됩니다. 그래서 가장 기본 단위들이라고 생각하시면 됩니다.

오늘은 단위의 중요성과 가장 기본이고 표준인 SI 단위가 어떠한 값으로 정해져 있는지 간단히 소개하였습니다.

-이미지 출처-

1. https://www.alcohol.org.nz/help-advice/standard-drinks
2. https://standard.go.kr/KSCI/portalindex.do
3. https://www.hotelschoolmaastricht.nl/
4. http://www.cbc.ca/news/canada/manitoba/gimli-glider-not-sold-at-ontario-auction-1.1394807
5. https://www.jpl.nasa.gov
6. http://scienceon.hani.co.kr/61981
7. https://www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/
8. http://www.kriss.re.kr/introduce/view.do?pg=vision_strategy

오늘은 미지의 영역에 대해서 소개해볼까 합니다.
암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)라는 말을 들어보셨나요? 

왜 암흑이라는 말이 붙었을까요? 한 번 같이 알아봅시다!

암흑물질?

우주의 일반 물질들은 우주의 4%를 암흑물질은 22%를 차지하고 암흑에너지는 74%를 차지합니다. 즉, 이 말은 현재 우리가 알고 있는 물질이 4%라는 것입니다. 그런 면에서 암흑물질이란 것은 모르는 물질입니다. 빛, 즉 전자기파를 흡수하지도 방출하지도 반사하지도 않는 스텔스기 같은 유령의 존재라는 것입니다.

그렇다면 어떻게 존재를 확인했을까요?

암흑물질은 중력에 중요한 영향을 미칠 것으로 생각이 됩니다. 은하가 있다고 생각해보면 은하의 중심에 있는 별들은 중력이 매우 강할 것이고 더 빠른 속도로 회전할 것입니다. 반대로 은하로부터 멀리 떨어져 있는 별들은 상대적으로 속도가 느릴 것입니다. 예로 태양계만 봐도 알 수 있죠 수성의 공전 속도는 47.36km/s임에 반해 지구는 29.783km/s 해왕성은 5.43km/s입니다. 멀어질수록 느려지죠. 하지만 은하계의 별들의 속도를 측정했는데 멀어질수록 느려질 것으로 생각된 예상과 달리 속도의 차이가 거의 없이 일정한 것을 발견했습니다. 이 말은 속도와 거리의 관계에서 우리가 볼 수 없었던 중력효과가 있음을 예상할 수 있습니다.
암흑물질이 구름의 형태로 은하계에 존재한다고 생각했습니다. 이 암흑물질이 은하의 구조와 움직임을 결정하게 됩니다.

암흑물질을 관측하는 방법은 없을까요?

직접적으로 보는 것은 불가능합니다. 어떠한 것과도 상호작용하지 않기 때문입니다. 하지만 간접적으로 확인할 수 있습니다. 암흑물질은 은하계에 구형으로 채워져 있다고 합니다. 이 구형의 암흑물질이 렌즈 역할을 합니다. 왜냐하면, 암흑물질은 중력에 영향을 줍니다. 만약 빛이 여길 외곽에서 지난다면 일반 상대성이론에 따라 굴절하게 됩니다. 이렇게 굴절한 빛이 눈에 들어오고 그냥 굴절 없이 직진하여 들어온 빛도 존재합니다. 이렇게 되면 은하는 어떻게 보일까요? 링 모양으로 관측이 됩니다. 이를 아인슈타인 링이라 합니다. 실제 2007년 허블 망원경이 이를 관측합니다.

암흑물질은 중력에 영향을 주는 물질인데 관측을 하지 못해 아직 어떤 물질인지 규명하지 못하였습니다. 이를 찾기 위해 지하 깊숙한 곳에 아주 민감한 감지기를 놓고 탐지를 위해 노력하고 있습니다. 물론 우주에서도 노력을 하고 있습니다.

암흑에너지?

우주 공간에 74%를 차지하고 있다는 암흑에너지는 무엇일까요?
현재 우주론에서 예상하고 있는 우주론을 아시나요? 바로 빅뱅이론입니다. 137억 년 전 빅뱅이 일어나고 우주는 팽창을 지속하고 있다고 보고 있습니다. 하지만 사람들은 암흑물질 때문에 중력으로써 인력이 작용하여 우주의 팽창을 늦추지 않을까 생각하였습니다. 아주 빠르게 달리던 차에 암흑물질이라는 브레이크를 걸어 결국에는 멈추거나 다시 수축하지 않을까 생각하였습니다. 하지만 수십억 년 전과 현재의 우주팽창속도를 관측과 수학적 계산을 통해 예상이 틀렸음을 알게 됩니다. 즉, 우주의 팽창속도는 더 빨라진 것입니다. 여기서 나오는 개념이 암흑에너지입니다. 이 암흑에너지는 우주 공간에 널리 퍼져 있고 척력이 작용합니다. 그렇기에 우주의 팽창을 가속시키는 에너지입니다.

우리가 알고 있다고 생각하는 부분은 현재 만물의 4%입니다. 그중 22%는 간접적인 관측을 통해 존재를 생각하고 있으나 어떤 물질인지 아직 못 찾았고 나머지 74%는 아직 미스터리한 부분이 많습니다. 현재 지구를 살아가는 사람으로서 최첨단 IT 시대, 로봇공학, 나노과학 등 첨단 과학으로 수많은 부분이 상당히 발전해왔다고 생각합니다. 그래서 이러한 존재들을 모를 때는 저는 더 이상 발전할 것이 있겠는가? 라는 의문이 들어왔습니다. 하지만 아직 설명되지 않은 부분이 너무 많고 앞으로 이러한 것을 규명하면서 동시에 인류의 발전 또한 끝이 없지 않을까 라는 생각이 듭니다.

-이미지 출처-

1. http://www.blurryphotos.org/episode-96-dark-matter/
2. http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_accelerating.html
3. http://jjy0501.blogspot.kr/2014/09/Young-Galaxy-DDO68.html
4. http://www.cfhtlens.org/public/what-gravitational-lensing
5. wikipedia
6. http://www.sciencemag.org/news/2017/04/dark-energy-illusion
7. https://pngtree.com/freebackground/sci-fi-computer-tech-background_327794.html

오늘은 우주선(cosmic ray)에 관해서 이야기를 해보려고 합니다.

-갈릴레오 갈릴레이-

과거에 하늘에 떠 있는 달 별들을 보기 위해 육안으로 관찰을 했었죠. 그러다가 1608년 한스 리퍼세이에 의해 처음 굴절 망원경이 발명되었고 그 이후에 반사 망원경이 개발되었죠. 그 후에 전자기파 관측을 위해 1931년에는 칼 잰스키에 의해 전파망원경이 개발되었습니다. 이렇게 사람들은 우주의 비밀을 풀기 위해 망원경을 개발했고 그동안 수많은 의문점을 해결했습니다. 한가지 예로 갈릴레오 갈릴레이나 케플러가 지구가 둥글다는 말을 했을 때 이러한 망원경이 없었다면 주장할 근거를 찾기 어려웠을 겁니다.

하지만 이렇게 관측하는 것은 한계가 있습니다. 이제 우리가 알고자 하는 것은 더욱더 멀리 있는 우주의 일입니다. 현재의 우리의 힘으로 갈 수도 없는 곳에서 일어나는 일을 규명하고 싶어합니다. 그래서 이를 알아내기 위해 우리는 지구를 이용하게 됩니다.

지구는 두꺼운 공기층으로 되어있습니다. 우주선(cosmic ray)이 여기를 지나면서 반응을 하게 되고 여기서 발생하는 입자를 검출하여 역으로 들어온 우주선의 에너지를 예측하는 것입니다.

-2차 입자 생성-

우선 우주선(cosmic ray)은 95% 정도가 양성자 4% 정도가 헬륨인 알파선입니다. 이를 1차 입자라 하고 반응을 하게 되면 핵력을 매개하는 파이온 중간자가 발생하며 또 파이온으로부터 감마선, 전자, 뉴트리노가 발생합니다. 이를 2차 입자라 합니다. 그런데 이렇게 1차에서 2차로 반응하여 변하는 것이 꼭 샤워기에서 물 틀면 나오는 것처럼 연쇄반응으로 퍼져 나가기 때문에 에어샤워라고 합니다.
결론적으로 이 에어샤워로 나온 2차 입자를 검출하게 됩니다. 검출된 입자를 처음 들어온 우주선일때의 에너지를 역추적해서 알 수 있고 어디서 날라오는 것인지 추측할 수 있습니다.

-에너지당 들어오는 우주선속-

이 우주선(cosmic ray) 중에서 아주 높은 에너지도 있습니다. 유럽 입자 물리 연구소에서 지은 CERN이 13TeV정도 라고 하는데 가장 높은 에너지의 가속기입니다. 이보다 높은 에너지가 우주에서 옵니다. 테라는 1012 이고 1015, 1020의 에너지를 가진 입자도 들어옵니다. 이를 검출함으로써 이 에너지가 어디서 왔으며 어떻게 발생했을지를 알 수 있게 해줄지도 모릅니다. 하지만 문제점이 하나 있습니다. 이런 초고에너지의 우주선의 경우는 지구 도달 확률이 매우 낮습니다. 1016eV에너지의 입자인 경우는 1m2의 면적에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 그리고 1018인 경우는 1km2에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 이렇게 관측하기 힘들기 때문에 관측기의 면적은 거대해지고 있습니다.
이렇게 엄청난 에너지를 만들어내는 근원은 무엇일까요? 현재 기술로 만든 CERN도 비교적 매우작은 13TeV인데… 바로 은하 간 충돌이나 블랙홀을 가진 은하들에서 나오게 됩니다. 이를 통해 우주의 신비를 푸는 실마리를 제공해주고 있습니다.
언젠가는 우주의 비밀을 푸는 날이 기대하며… 다음에는 기회가 되면 암흑물질에 대해서도 소개해볼까 합니다.

-출처-

1. 
2. https://medium.com
3. http://www.conniemah.com
4. http://physicsopenlab.org/2016/01/02/cosmic-rays-coincidence/
5. http://personal.psu.edu/nnp/cr.html
   6.http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast536/ast536week10.html

(출처 : http://dahnmeditation.tistory.com)

기존의 물리 공부는 역사적 흐름, 발전된 과학에 따라 과거에서부터 단계적으로 배웁니다. 가장 처음부터 현대 첨단 물리학을 배워서 이해하기는 힘드니까요! (사실, 앞에꺼 배워도 저는 어렵더라구요…ㅎㅎ) 그런데 이 과정에는 너무 이론에 치중되다 보니 흥미가 떨어지는 점이 존재합니다. 이를 보완하고 이해력을 높이기 위해서 실험과목도 같이 듣게 되죠.

[What is Newspaper physics?]

Newspaper physics는 말 그대로 신문기사를 이용한 물리 공부법입니다. 앞에서는 이론을 배우고 응용을 배운다면 여기서는 반대가 됩니다. 공부법은 이러합니다.
하루에 2~3개씩 선생님과 학생이 함께 기사를 선택하여 읽고 이를 일주일정도 모은다음 하나의 기사를 선택합니다. 그리고 이 기사의 물리적으로 분석할 부분을 찾아냅니다. 여기에는 물리이론, 과학자, 음악과 그림에서의 물리적 분석, 고대학의 물리적 분석, 과학에 관한 정책, 통계학 등 다양한 부분을 우선 찾아서 표시합니다. 그렇게 기사 전체에 표시하고 이를 내용을 연결하여 스토리화 합니다. 이 스토리를 바탕으로 따라가면서 이론을 교육하는 방식으로 수업을 진행합니다.
전세계적으로 680개 정도의 강의가 이방식으로 개설되어있다고 하네요.. 

우리나라에도 있을지도 모르겠습니다!!

(출처: iab)

이 교육방식은 우선 기사로 학생의 흥미를 끌어내고 이론을 알려주기 때문에 수업에 더욱더 집중할 수 있도록 만들지 않을까 싶습니다. 이 방법이 맞다 기존의 방법이 맞다 할 수는 없지만, 더욱더 풍부한 교육의 질 향상을 위해서는 다양한 방법을 시도해보는 것도 좋을 것 같다는 생각이 드네요!

You can do anything challenge of creative method for good quality class!!

[왼쪽부터 라이너 바이스 교수, 배리 배리시 교수, 킵 손 교수]

이번 노벨물리학상은 중력파를 최초로 검출한 연구진에게 수여됐습니다. 이 연구진은 레이저 간섭계 중력파관측소(LIGO)의 연구진입니다. 실제 관측은 2016년에 하였고 수상을 이번에 하였습니다.
중력파란 시공간의 휘어짐이 퍼져나가는 파동을 말합니다. 이를 1915년 그때로부터 100년이 넘게 흐른 지금 아인슈타인의 예측이 실험으로 검증이 된 것입니다.

아인슈타인은 1905년에 빛의 속도는 일정하며 어떤 물체도 광속을 도달하여 넘을 수 없음을 말합니다. 이는 특수상대성이론입니다. 이로부터 11년 뒤 1916년에 일반상대성이론을 발표합니다. 우선 상대론이라는 것은 현재 우리가 서 있는 지구라는 환경이 한 관성계라면 다른 환경에 있는 관성계는 지구의 환경과 다른 관성계임이 틀림없습니다. 이 상대적인 관성계끼리의 차이는 시간 지연과 길이수축이라는 현상으로 예상이 되었고 관측이 됩니다. 특수상대성이론에서는 이 다른 환경을 속도에 의한 차이로 계산합니다. 일반상대성이론에서는 중력이 영향을 미칩니다.

영화 ‘인터스텔라’를 보셨다면 이해하시기 쉽습니다. ‘인터스텔라’에서 거대한 행성에 단 몇 시간 정도 있었을 뿐인데 우주에서 기다리던 동료는 10년이 넘는 시간이 흘러 혼자 기다리고 있죠. 여기서 행성에 간 동료들에게 일어난 것은 중력에 의한 시간 지연 현상입니다. 이 이유는 간단히 생각한다면 우선 행성을 동시에 들어간 빛들은 동시에 나오는 점을 생각하여야 합니다. 빛의 속도는 일정하고 이동거리도 똑같으니까 동일합니다. 그런데 가까이에 있어서 중력에 의해 더 휘어진 빛과 멀리 있어서 덜 휘어진 빛이 있다면 이 두 빛은 동시에 나와야 하지만 이동 경로는 행성에 가까운 빛이 경로가 짧겠죠? 하지만 동시에 나오려면 가까운 빛은 시간 지연 현상이 나타나야 할 것입니다. 자세히 알려고 하면 매우 복잡하지만… 이런 느낌입니다.!!

아무튼, 중력파는 중력이 존재하는 곳에서 이러하듯 시공간이 뒤틀리게 만듭니다. 이렇게 뒤틀리면 호수에 돌을 던지면 구면파가 발생하는 것처럼 중력파가 발생한다고 합니다. 이 중력파를 100년이 지난 지금에서 드디어 관측하였다고 하니 아인슈타인의 계산은 시대를 앞서간 것이 확실한 것 같습니다!!

그렇다면 어떻게 LIGO는 중력파를 관측 하였을까요?
‘에테르’라고 들어보셨나요? 과거에 빛이 파동이라면 매질이 존재해야 한다. 그 매질은 에테르라는 주장이 있었습니다. 즉 이 우주 공간은 에테르로 차 있다고 생각을 하였고 이를 증명하기 위해 노력을 했었습니다. 이를 증명하기 위한 장치 중 하나가 마이컬슨몰리실험입니다.

이 실험은 빛을 쏘아서 두갈래로 하나는 직각 하나는 원래 방향으로 가도록합니다. 다시 반사되도록하여 받아 두빛을 합쳐 간섭현상을 관측합니다. 하지만 아무리 실험을 해보아도 간섭현상을 볼 수 없었고 이 실험을 통해 에테르가 없음을 반증하게 됩니다. 아이러니하게도 이 실험을 통해 마이컬슨은 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 실험의도에 따르면 실패한 실험인데도 말이죠.

이 유명한 실험이 LIGO에서 진행하는 실험과 개념이 동일합니다. 단지 LIGO는 그 크기가 엄청 큽니다. 직각으로 갈라져 나아가는 거리가 4km이고 이 거리를 수백번 왕복시킨다고 합니다. (중력파로 인한 거리변화가 미미하기 때문에 한번 왔다갔다해서는 관측이 어렵기 때문입니다.) 이러한 관측소를 워싱턴에 하나 루이지애나주에 하나 총 두 개의 관측소를 두고 측정을 합니다.
이렇게 측정을 하던 와중에 13억 광년 떨어진 곳의 두 블랙홀이 충돌함으로써 중력파가 발생하였고 이 중력파가 지구를 지나며 시공간에 뒤틀림이 생겼습니다. 이때 LIGO가 이 변화를 레이저 간섭으로 관측을 해낸 것입니다.

두개의 관측소에서 거의 동일하게 간섭현상을 관측한 것을 볼 수 있습니다.