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| 작성자 : 이정구 작성자ID : jk0620 조회 : 27 추천 : 2 |
작성일 : 2004-02-04
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21세기 과학은 일반상식으로 이해할 수 있다/아마츄어 과학자들이 우주를 설명한다 |
21세기 과학은 일반상식으로 이해하기 심들다고 한다.
그 전문성은 거의 전문가에 맡겨진듯 보인다. 그런데 과학뉴스를 보면 아직도 미개척 분야가 무진장 나오고 있다. 과학 전문가들도 신과학적인 현상들에 대하여 놀라워하고 있고 그들의 전문성을 벗어난 것 처럼 보인다.
서스킨트가 초끈이론을 근거로 10의 500 승의 우주의 갯수를 제시하였고 파쉬레이는 물과 기름이 섞인다고 했으며 한국인 김은성씨는 초고체를 발견하였다고 한다.
아마츄어적인 연구의 대상은 절대온도 이하와 빅뱅이전과 힉스입자보다 더 극미 소립자에 관한 가설을 과감히 세우는 특정분야일 수 있다. 과학의 전문가는 그런 분야에 관심을 크게 가질 수 없는 직업적인 분명한 한계가 있기 때문이다. 그들의 지식도 그 범위 내외일 뿐이다. 그래서 아마츄어적인 과학 탐구분야가 존재하는 것이다.
나의 아마츄어적인 과학에서 오늘은 중요한 주제를 몇가지를 제시할 수 있었다.
1.고전적인 마방진은 양자(量子, quantum)의 세계의 모습인가.
2. 휜 시공간은 존재하는가.
3.자연계의 자연의 성질은 어디서 나오는가.
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참고자료1.
http://nucl-a.inha.ac.kr/physics/nucl/main/class/04/b/
원자를 이루는 전자들의 게의 고유 에너지 상태들의 간격은 수 ev정도이고 원자핵을 이루는 핵자들의들의 계가 가지고 있는 고유 에너지 상태들의 간격은 수 kev에서 수 mev 정도이다.
섭씨 2000도는 상온에서도 매우 높은 온도이다. 그것을 에너지 단위로 환산하면 0.2ev정도이다. 결국 우리 주변의 높은 온도로는 원자핵을 바닥상테에서 들뜬 상태로 올려놓을 수 없음을 의미한다.
그래서 우리 주위에 원자핵들은 거의 모두 다 바닥 상태에 놓여있다. 단지 자연에 극소량 존재하는 방사선 동위원소들은 들뜬 상태에 놓여있다. 이들 원소들은 태양계가 생성될 때 우주에서 일어나는 결렬한 폭발이나 충돌에 의해 원자핵이 들뜬 상태로 가게 되었으나 그 들뜬 상태에서 바닥상태로 떨어지는데 걸리는 반감기가 태양계 수명보다 더 길어서 아직 들뜬 상태의 원자핵으로 남아있게 된 것이다.
우리 주위에 새로히 원자핵이 들뜬 상태로 될 수 있는 경우는 원자력 발전을 하는 원자로에서 일어나는 핵반응이라든가 핵폭탄의 폭발, 우주 공간으로 부터 대기권으로 떨어지는 매우 높은 에너지의 우주선이 대기 분자와 충돌하는 경우, 또는 입자 가속기를 이용하여 원자핵에 입자를 충돌시키는 경우 등이다. 원자핵의 바닥상태 성질 중에서 아주 중요한 것으로 원자핵 결합 에너지가 있다.
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참고자료2.
http://www.science.or.kr/lee/physics/half_value_period/half_value_period.html
방사능 붕괴의 5가지 유형
[구분]어미핵/ 불안정의 원인/ 붕괴사항/ 딸핵
1.r붕괴/ 핵이 과도한 에너지를 가지고 있다./ r-선 ↗r-선의 방출은 핵에 에너지를 감소 시킨다.
2.α붕괴/ 핵이 너무 크다./ ↗α(헬륨이온핵)입자의 방출은 핵의 크기를 감소시킨다.
3.β붕괴/ 핵의 중성자가 양성자에 비해 너무 많다. / = ↗ + 핵의 중성자에 의한 전자(β입자) 방출은 자신을 양성자로 변환시킨다.
4.전자포획/ 핵의 양성자가 중성자에 비해 너무 많다. / + = 핵의 양성자에 의한 전자포획은 자신을 중성자로 변환시킨다.
5.양전자방출/ 핵의 양성자가 중성자에 비해 너무 많다./ = ↗ + 핵의 양성자에 의한 양전자 방출은 자신을 중성자로 변환시킨다.
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참고자료3.
http://210.218.24.13/vision/exp_know/chemistry.htm
자연에 천연적으로 존재하는 우라늄은 다음의 세종류가 있습니다.
첫째 238U입니다. 이것은 반감기가 4.5×109년이며 붕괴를 합니다.
둘째 235U입니다. 이는 반감기가 7.1×108년이며 붕괴를 합니다.
셋째 234U입니다. 이는 반감기가 2.5×105년이며 붕괴를 합니다.
자연에서 산출되는 이들 238U,235U,234U의 비율은 각각 99.276％, 0.72％, 0.0057％입니다. 이밖에 11가지의 인공 방사성 핵종이 알려져 있습니다.
금속우라늄은 할로겐화물의 용융점 전기분해 또는 알칼리토금속에 의 한 환원으로써 얻어집니다. 이중 238U,235U은 핵연료로 쓰입니다. 원자로 연료는 보통 천연 우라늄으로부터 235U를 분리하거나 또는 238U을 플루토늄239로 변화시켜 사용하고 있습니다.
우라늄235는 열중성자 고속중성자 양성자 입자 중양성자 선등의 충격에 의해서 분열하는데, 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 2백만 MeV의 에너지 와 평균 2.5개의 중성자도 방출합니다.
따라서 방출된 중성자가 다른 235U원자를 분열시키도록 알맞은 조건을 주면 연쇄반응이 원자탄의 전형적인 기초인 것입니다.
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참고자료4.
http://211.40.179.13/book_file/ke6/ke006-24.htm
지구물리학자들은 암석의 절대적인 연령을 추정하기 위하여 방사성 동위 원소의 반감기를 이용한다. 칼륨(K40)은 붕괴하여 아르곤(Ar40)으로 변환되는데 반감기는 13억년이다.
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1.고전적인 마방진은 양자(量子, quantum)의 세계이다.
상대성 원리에 의하면 빠르게 움직이는 입자는 붕괴를 늦추고 있다고 한다.
마방진의 원리에 의하면 거대한 마방진에서의 외각의 오류로 인하여 생겨난 마방진의 붕괴를 내부에서 그 붕괴되는 속도를 전혀 감지할 수 없는 경우가 있다고 보았다. 지구 속에서 사는 우리가 지구의 공전속도(초속 30킬로)와 자전속도(초속 466미터)를 느낄 수 없는 것과 마찬가지이다. 그리고 더나아가 마방진의 붕괴는 불안정한 상태이고 그 상태가 운동속도를 가진다고 보았다.
참고로,고전적인 마방진은 양자(量子, quantum)의 세계이다. 그곳에는 자연수의 값이 존재한다.
자료5.
http://pnarae.com/phil/category/sci/4-1.htm
미시 세계는 한마디로 말해서 양자(量子, quantum)의 세계이지. 다시 말해서 양자의 세계는 하나, 둘, 셋하고 셀 수 있는 기본 단위로 구성된 세계야. 따라서 이 세계에서는 절반은 허용이 되지 않아. 마치 엘리베이터가 층 사이에 설 수 없고, 계단을 올라 갈 때 단과 단 사이를 밟을 수 없는 것과 마찬가지이지. 이런 경우를 물리학에서는 양자화 되어있다(quantized)고 말하지.
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그런데 빠르게 운동하는 광자(光子, photon)의 속도(초속 30만킬로)는 과연 안정적일까. 빛의 속도는 왜 안정적인가. 그 속도는 원자핵의 핵력(강력)으로 부터의 방사능 붕괴의 5가지 유형(r붕괴.α붕괴.β붕괴.전자포획.양전자방출 등)에서 나타난 r선.α선.β선.x선 등의 탈출 속도와 동일 한 것이 아닐까.
그 힘(핵력)은 곧 속도로 표현 될 수 있는 것이다. 힘의 크기는 속도의 크기에 비례된다. 그 속도(빛의 속도)는 핵력으로 부터 변환 되어진 반대 속도의 균형값이리라.
움직이는 물체에서의 힘의 크기가 변하는 것을 가속도이라 한다. 빠르게 움직이는 광자의 질량도 가속도가 발생할 것인가. 원자 내부에 들어가면 가능하다고 한다. 중성자가 원자핵을 빛의 속도로 뚫고 들어갔을 때 원자폭탄의 힘이 생긴게 아니던가.
자료6.
http://phps.snu.ac.kr/public/people/walker71/atomic_bomb.htm
우라늄 원자핵이 하나의 물방울이라고 상상했다. 이 물방울은 플러스 전하를 띠고 있는 92개의 양성자들의 상호 반발력을 이기고 간신히 뭉쳐진 형태를 유지하고 있다. 여기에 뚫고 들어온 중성자는 마치 달이 지구에 충돌한 것처럼 그와 같이 불안정한 배치를 격렬하게 교란시킬 것이다. 우라늄 원자핵은 물이 가득찬 풍선처럼 요동을 치게 될 것이다. 그러한 요동 중에 잡아늘인 태피 사탕같은 모양이 되면 두 개의 불룩한 부분 사이에 좁은 목이 생길 수 있다. 그러면 핵을 뭉치는 힘이 각각의 불룩한 부분 속에서 다시 작용해 목이 가늘어져 뚝 끊어지면서 새로운 두 개의 작은 핵이 생기는데, 이 핵은 어떤 원소가 되어도 상관없지만 대체로 바륨(56)과 크립톤(36)이 된다(36+56=92). 각각 플러스 전하를 띤 이 두 개의 핵은 엄청난 에너지로 서로를 밀치게 되는데, 나중에 프리쉬가 계산한 바에 따르면 원자 하나당 에너지가 모래알 하나를 튀어오르게 하는 데 충분할 정도의 양이었다. 프리쉬는 코펜하겐으로 돌아가 ― 그곳에서 그는 저명한 덴마크 과학자 닐스 보어와 함께 연구하고 있었다 ― 물리 실험을 통해 새로운 반응을 확인했고, 이 반응에 그것과 유사한 생물학에서의 세포분열 과정으로부터 빌어온 용어를 써서 ['핵분열'이라는] 이름을 붙였다.
세계는 아직 명목상 평화를 유지하고 있었고, 이 새로운 발견을 비밀에 붙이자고 주장한 사람은 아무도 없었다. 아이디어들은 마치 바이러스처럼 퍼져갔다. 한과 슈트라스만, 마이트너와 프리쉬는 독일과 영국 저널에 논문을 실었고, 보어는 미국에 뉴스를 전해주었으며, 한 프랑스 물리학자는 레닌그라드의 동료 물리학자에게 편지를 써서 알려주었고, 전기 엔지니어였던 일본의 한 군사 장교는 외국 저널에 실린 논문에서 이를 읽었다. 아직 규모가 작고 공동체적이었던 물리학계는 이내 이 발견이 지닌 의미를 알아챘다. 방사능의 비밀을 놓고 40년 넘게 기초 연구를 거듭한 결과, 여기 마침내 물질 내에 잠재된 엄청난 에너지 ― 알베르트 아인슈타인이 유명한 공식 E=mc2으로 정량화한 ― 를 방출시킬 수 있는 과정이 발견된 것이었다.
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#1.여기에 뚫고 들어온 중성자는 마치 달이 지구에 충돌한 것처럼 그와 같이 불안정한 배치를 격렬하게 교란시킬 것이다.
원자내부로 들어간 빛의 가속도는 곧 원자력이였던 것이다.
자료7.
http://cns.snu.ac.kr/stuff/lecture/1998/novel_phys.html
상온에서 시속 10,000 km 정도의 빠른 속력으로 움직이는 원자 들의 성질을 연구하는데는 한계가 따르기 마련이다. 이는 물체의 속도가 빠를수록 관측 시간이 짧아지고 결과적으로 얻을 수 있는 정보의 정확도가 제한되기 때문이다 (불확정성의 원리). 지난 수십년 동안 많은 학자들은 이러한 한계를 극복할 수 있는 다양한 연구를 수행하였는데 물론 가장 이상적인 방법은 날라 다니는 원자를 따라다닐 것이 아니라 원자를 한곳에 붙잡아 두고 오래 오래 관측하는 것이다. 문제는 전하가 있는 전자는 전기장이나 자기장을 사용하면 비교적 쉽게 붙잡을 수 있지만 전기적으로 중성인 원자는 어떻게 정지시킬 수 있느냐하는 것이었다. 이에 대해 1975년 스탠포드 대학 물리학과의 Schawlow 교수(1981년 레이저 분광학 연구로 노벨 물리학상 수상)와 Haensch 교수(현재 독일 막스플랑크 양자광학 연구소 소장)에 의해 레이저 빛에 의한 광압(光壓, light pressure)을 이용하면 가능할 것이라는 생각이 처음으로 제시되었다.
사실 이 원리는 그렇게 생소한 것은 아니다. 우리가 일상생활에서 경험하듯이 뜨거운 태양 아래 있으면 빛의 에너지가 전달되면서 따뜻함을 느끼게 된다. 한편 물리학 법칙에 따르면 빛은 우리 몸에 에너지 뿐 아니라 동시에 운동량 (또는 힘)을 전달해 주게 된다. 즉 빛이라는 작은 알갱이 입자가 우리 몸에 수없이 많이 충돌하며 충격을 주는 것이다. 단지 이들 빛 알갱이 하나하나가 우리에게 전달해주는 힘이 매우 작고 또 우리 몸의 질량이 워낙 크기 때문에 전혀 느끼지 못하고 지낼 뿐이다. 그러나 원자와 같은 미세한 세계에서는 이야기가 달라지게 된다. 예를 들어 질량이 매우 작은 하나의 원자가 빛 알갱이 하나를 흡수할 때 느끼는 가속도는 사람이 올라가는 엘리베이터 안에서 느끼는 가속도의 천 만배 이상이 된다 (사람이 이 정도의 가속도를 받으면 바로 죽게된다). 이러한 엄청난 가속도를 이용하면 상온에서 매우 빠르게 그리고 이리저리 멋대로 떠도는 기체 상태의 원자들을 완전히 멈출 수 있고 나아가 포획할 수 있게 된다. 특히 Schawlow 교수와 Haensch 교수는 원자의 속도가 줄어들기 위해서 원자의 운동방향이 빛의 진행방향과 정반대가 되어야하고(빛의 진행방향이 곧 원자가 받는 힘의 방향이 되기 때문임), 이 때 원자가 빛 알갱이 들을 흡수하기 위해서 (빛을 흡수해야 힘이 전달되기 때문임) 도플러 효과를 이용할 것을 제안하였다.
여기서 도플러 효과를 간단히 설명하기위해 1차원 운동을 하는 원자를 생각해 보기로 하자. 그리고 원자의 공명 주파수 (원자의 바닥 상태와 빛 알갱이를 흡수할 수 있는 들뜬 상태 사이의 주파수 차이)보다 약간 낮은 주파수의 빛 알갱이를 가정하자. 이 때 원자가 빛의 진행 방향과 반대 방향으로 움직이면서 느끼는 빛 알갱이의 주파수는 원자가 정지했을 때 느끼는 주파수보다 약간 크게 되는데 이를 도플러 효과라 한다 (정지해 있는 관찰자를 향하여 달려오는 구급차의 사이렌 소리가 좀더 빠르게 들리는 이유도 이 효과 때문임). 이 경우 원자는 주파수가 약간 커진 빛 알갱이 들을 흡수할 수 있게 되고 결과적으로 힘을 받게 되어 원자의 속도는 줄어들게 되는 것이다. 다시 말하면 빛의 주파수를 원자의 공명 주파수보다 약간 작게함으로써, 원자는 자신과 반대 방향으로 진행하는 빛 알갱이 들만을 선택적으로 흡수하게 되는 것이다.
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#2.빛 알갱이 하나하나가 우리에게 전달해주는 힘이 매우 작고 또 우리 몸의 질량이 워낙 크기 때문에 전혀 느끼지 못하고 지낼 뿐이다. 그러나 원자와 같은 미세한 세계에서는 이야기가 달라지게 된다. 예를 들어 질량이 매우 작은 하나의 원자가 빛 알갱이 하나를 흡수할 때 느끼는 가속도는 사람이 올라가는 엘리베이터 안에서 느끼는 가속도의 천 만배 이상이 된다 (사람이 이 정도의 가속도를 받으면 바로 죽게된다). 이러한 엄청난 가속도를 이용하면 상온에서 매우 빠르게 그리고 이리저리 멋대로 떠도는 기체 상태의 원자들을 완전히 멈출 수 있고 나아가 포획할 수 있게 된다.
물질이 전자운동에 의해 존재하는한, 불안정한 상태이며 붕괴는 자연스럽고 반감기를 가지는 것이다. 이때 붕괴를 늦추는 게 하는 것이 빛의 속도이라 한다면 핵력은 그만큼 r선.α선.β선.x선의 붕괴 속도 균형을 이루는 상태를 만들 것이다.
그런데 여기서 색다른 의문이 하나 생긴다. 물질의 붕괴가 늦는 것은 반감기가 늦다는 것인가. 반감기가 늦으면 빠르게 운동하는 입자(원소)인가. 상대성 원리의 적용에 대해 면밀히 조사할 필요가 있다.
물질이라면 소립자일찌라도 예외없이 질량값이 zero 일찌라고 무조건 지녀야 한다. 그 이유는 놀랍게도 magic sum을 이루기 위함이다. 고로 물질이 질량을 가지는 한 마방진이다. 물질의 기본요소들이 질량의 고유값을가진다면 ms의 존재값이다. 고로 물질이란 ms적이라 볼 수 있다. 전체적으로 자연계에서 안정적인 값을 지니려면 다른 물질과의 고유값을 활당 받게 된다.
마방진은 질량의 분포도와 관련이 있다. 고로 새로운 물질은 마방진의 표준 도표에 의해 발견될 것이다.
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2. 휜 시공간은 존재하는가.
아인쉬타인의 상대성원리에 의한 물리학적 정의가 아닌 굽은 시공간이 아니더라도 중력.강력.약력.전자자력에 의한 시공간은 존재할 것이다. 패르미온과 보존에 의해 초밀도를 이룬 극미의 응축은 중력에 의해 갇혀지지는 않았으리라.
아인쉬타인의 상대성원리를 이해하는 결정적인 예로써 지구의 대기권을 비행하는 비행체에 대하여 생각해보면 이해가 아주 쉽다. 비행기는 마치 지구의 중력 끈에 매달려 공전하는 모습이다. 고로 중력에 구속을 받는 조건하에서는 상대 속도와 관측에 관련없이 뉴톤의 운동법칙이나 빛의 속도는 같다. 초속 30킬로로 지구가 공전하고 초속 466 미터로 자전하는 지구는 지상에 있는 물질이나 대기권에 있는 날짐승이나 비행기의 운동도 지구의 시공간은 공전과 자전의 시공간 영역에 속할 뿐이다. 고로 지구의 시공간은 중력에 의해 갇혀있고 휘여진 것일 수 있다. 비행기도 지구의 공전과 자전에 갇힌 시공간에서 자연법칙이 작용된다.
아인쉬타인의 상대성 원리에 의한 빛의 속도는 중력에 갇혀진 그 빛이 그 별의 시공간에 갇혀 보이는 까닭에 그별의 운동 속도에 의해 관측 되어질수 있다. 그러나 또다른 우주중력에 의해 상대적으로 움직이는 그 별은 휜 공간을 빛의 속도로 유영할 수도 있다. 우리는 별빛을 보면서 그별의 중력을 벗어난 일부의 빛을 관측하게 된다. 물론 진공 속을 질주하는 빛은 우주의 온도와 에너지와의 관련된 휜 시공간의 중력의 틈새을 지나가게 되는지도 모른다.
우리가 보는 별빛은 별들의 중력에서 벗어난 것일 수 있다면 그 별들은 이미 오래전에 모든 중력을 빛으로 변환시켜 우주를 유영하는 E=mc^2 원리에 따라 물체(별의 질량)가 이미 사라진 것일 수 있고 우주공간을 지나가며 다른 별들의 중력에 끌리어 왜곡(굽은 공간을 돌아서 진행)되어질 수도 있다.
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3.자연계의 자연의 성질은 어디서 나오는가.
자연을 신의 마음이라 생각하는 사람들이 있다. 종교적으로나 철학.예술의 경지에는 그런 이상을 보는 수 있다. 그러나 자연은 과학적인 사고방식의 접근이 허용되는한, 논리적인 인간의 이성적 판단의 대상이 되고 있다. 인간은 바로 이성의 도구로 수학적인 논리를 지니게 되었다.
자연계의 페르미온은 분자상태이라 한다. 분자들의 최적화는 조건들의 선택에서 고차방정식의 다중근에서 선별된 것일 수 있다. 분자의 세계는 힘의 전달 소립자인 광자에 의해 생성된 전자기력에 의해 정의 되어진다. 인류는 바로 전자문명에 대해 노하우를 지녔던 게 아니였던가. 고로 분자상태가 어떤 조건으로 최적화를 이뤘는가를 규명 되어야 한다. 분자는 원자의 화학적 결합이고 그 결합은 전자기력으로 마련된 것이다.
진화이론의 알고리즘이 있다고 했던가. 컴퓨팅에서도 적용되는지의 여부는 이제 실험적인 샘플이 되고 있다. 조건의 변수를 다양하게 주고 우주의 현상을 시뮬레이션으로 실험하는 학문도 등장하고 있다. 그 이론의 모든 근거가 바로 자연계의 성질의 최적화 안정상태에 있었던 것이다. 물론 그 전체적인 양자역학적 균형은 마방진으로 설명되어질 것이다.
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