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과학(Science)/물리학 (Physics) 64

원운동(Circular motion)

계속 움직이는 물체가 만유인력을 받으면, 만유인력에 의해 그 주위를 계속 돈다. 왜 이런 현상이 일어나는지 알아보고, 그 메커니즘에 대해 알아보자. 0. 목차 해머던지기 달의 원운동 인공위성의 원운동 ISS의 원운동 지구와 달의 중심 케플러의 법칙 1. 해머던지기 '해머던지기'는 올림픽 육상경기 중 던지기 부문의 종목 중 하나로, 순발력과 스피드를 이용하여 해머를 던진 거리를 겨루는 종목이다. 해머를 멀리 던지기 위해, 선수들은 양손으로 해머와 연결된 손잡이를 잡고 회전하여 해머를 가속시킨다. 선수는 회전하는 동안 해머를 몸의 방향, 즉 원의 중심 방향으로 해머를 끌어당겨야 한다. 왜냐하면 해머는 관성력에 의해 계속 날아가 버리려고 하기 때문이다. 만약 끌어당기고 있는 줄이 끊어지면, 해머는 금방 관성의..

슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)

'슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)'는 오스트리아의 물리학자 '에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger, 1887~1961)'가 고안한 역설로, '양자론(quantum theory)'과 관련되어 있다. 따라서 이를 이해하기 위해서는, 먼저 양자론에 대해서 알아야 한다. 양자론은 '미시 세계(micro world)'의 물질의 움직임을 설명하는 이론이다. 원자 같은 미시 입자는 우리의 상식과는 다른 움직임을 가진다. 0. 목차 양자론 슈뢰딩거의 고양이 해석 1. 양자론 1-1. 전자는 파동이자 입자 전자가 파동의 성질을 갖는다고 하면 의외라고 생각될 수도 있겠지만, 전자가 파동의 성질을 가지고 있다는 사실을 인정할 수밖에 없는 증거들이 많이 있다. 그중 가장 유명한 것이 '전자의 이..

쌍둥이 역설(Twin Paradox)

상대성 이론에 따르면, 움직이고 있는 사람의 시간은 정지해 있는 사람에 비해 천천히 흐른다. 그렇다면 우주선을 타고 지구를 떠나 고속으로 이동한 다음 돌아오면, 시간이 지구보다 느리게 흐른 만큼 미래의 지구로 갈 수 있을 것이다. 한편 우주선의 입장에서 보면 움직이는 것은 지구이며, 지구의 시간이 천천히 흐르는 것처럼 생각된다. 그렇다면 이 상황은 서로 모순이 아닐까? 이 모순은 1905년 아인슈타인이 발표한 '특수 상대성 이론'에 관한 최초의 논문에 이미 나와있다. 같은 장소에 머물러 있는 사람과 그곳에서 이동해 다시 그 장소로 돌아온 사람의 시간에 차이가 생긴다는 점을 언급하고 있다. 이후 프랑스의 물리학자 '폴 랑주뱅(Paul Langevin, 1872~1946)'이 쌍둥이와 우주선이 등장하는 설정..

'역법'과 '시간 측정'의 과학

1년의 길이는 365일, 하루의 길이는 24시간이라는 것은 누구나 다 알고 있다. 하지만 실제로는 1년의 길이가 매년 바뀌며, 하루의 길이도 매일 다르다. 우리가 평상시에 무심코 쓰고 있는 '달력(calendar)'이나 '시간(Time)'은 오랜 인류의 역사에서 시행착오를 되풀이하면서 오늘날까지 발전해 온 것이다. 그리고 거기에는 천문학이나 수학, 물리학이라는 다양한 과학이 숨어 있다. 구체적으로 '달력'과 '시간' 속에 어떤 과학이 숨어 있는지 알아보자. 0. 목차 달력에 존재하지 않는 날 '1년의 길이'는 해마다 짧아진다. 1일의 길이도 매일 변한다. 달력에 존재하지 않는 날 정확한 1초를 결정한다. 세계시 시간 측정의 정확도는 지금도 향상중 1. 달력에 존재하지 않는 날 1-1. '그레고리력'과 '..

'시간'이란 무엇인가?

'시간'이 무엇인지에 대한 인류의 의문은 2500년 이상 계속되었다. 최신 물리학에서도 '시간'이라는 개념을 파악하는 것은 쉬운 일이 아니다. 도대체 '시간(Time)'이란 무엇일까? 0. 목차 아리스토텔레스의 의문 뉴턴의 절대 시간 시간의 신축을 밝힌 '상대성 이론' 시간이 흐르는 방향 시간의 화살 볼츠만의 '엔트로피' 시간은 언제 어떻게 시작되었는가? 시공의 최소 단위 그래서 '시간'이란 무엇인가? 1. 아리스토텔레스의 의문 기원전 4세기의 고대 그리스 철학자 '아리스토텔레스(기원전 384~기원전 322)'는 시간이 무엇인지에 대해 의문을 가졌다. 아리스토텔레스는 그의 저서 '자연학(Physica)'에서 시간에 대해 다음과 같이 말했다. "시간은 운동의 전후에서의 수(number)'이다." 아리스토텔..

'타임머신'은 가능한가?

50년 후 미래의 세계를 보고 싶다든지, 10년 전으로 돌아가서 자신에 대해 충고하고 싶다든지, 이러한 공상은 누구나 한 번쯤은 해본 적이 있을 것이다. '시간 여행'은 SF의 소재로도 친숙하지만, 물리학의 진지한 연구 주제이기도 하다. 그러면 원리적으로 '시간 여행'은 가능할까?0. 목차'시간 여행' 연구의 역사미래로 가는 시간 여행'상대성 원리'와 '광속도 불변의 원리'광속을 넘을 수 있는가?블랙홀을 이용한 타임머신웜홀을 이용한 타임머신공 껍데기 모양의 타임머신우주끈을 이용한 타임머신과거로 가서 역사를 바꿀 수 있는가?1. '시간 여행' 연구의 역사1905년 - 아인슈타인의 '특수 상대성 이론' 발표: 광속에 가까운 속도로 운동하는 물체에서는 시간의 흐름이 느려진다는 사실이 밝혀졌다.1915~1916..

일반 상대성 이론

0. 목차 중력에 대한 도전 등가 원리 일반 상대성 이론의 핵심 빛을 휘게 한다. 휘어진 공간과 낙하 휘어진 공간과 빛 중력에 의해 공간이 휘어진다. 휘어진 공간이란 무엇인가? 중력에 의해 느려지는 시간 1. 중력에 대한 도전 '특수 상대성 이론(General Theory of Relativity)'을 완성한 '알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'은 아직 만족할 수가 없었다. 왜냐하면 특수 상대성 이론이 중력을 다루고 있지 않기 때문이었다. 천체의 운동은 중력이 결정하고, '우주는 중력이 지배한다'고 말해도 지나치지 않을 정도로 중력은 매우 중요하다. 그래서 아인슈타인은 이 문제에 도전하였고, 그 결과 중력을 포함한 '일반 상대성 이론(General Theory of R..

특수 상대성 이론

0. 목차 동시성의 불일치 시간의 흐름이 느려진다. 시간이 느려지는 것은 '피장파장' 속도의 덧셈 공간이 줄어든다. 공간이 줄어드는 것도 '피장파장' 상대성 이론을 체험하는 입자 질량이 커진다. 질량이란 무엇인가? 1. 동시성의 불일치 '상대성 원리(Relativity Principle)'와 '광속도 불변의 원리(Principle of Constancy of Light Velocity)'를 생각함으로써 '특수 상대성 이론(Special Theory of Relativity)'이 유도된다. 이 두 가지를 토대로 '특수 상대성 이론'의 세계로 들어가 보자. 상대성 이론에서는 '관측자'가 매우 중요하므로, 이 점에 주의하면서 읽어나가면 이해하기 수월할 것이다. 1-1. '나의 동시'와 '당신의 동시'는 다르다..

상대성 이론은 어떻게 탄생했을까?

0. 목차 우주는 에테르로 가득 차 있다? 에테르의 검출 실험 아인슈타인의 의문 '절대 시간'과 '절대 공간' 시간과 공간에 대한 상식이 뒤집어졌다. 1. 우주는 에테르로 가득 차 있다? '파동(Wave)'이란 충격이나 진동이 주위에 전해지는 현상이다. 소리의 파동인 '음파(Sound Wave)'는 공기를 통해 전해지고, 바다의 파동인 '파도(Sea Wave)'는 물을 통해 전해진다. 이처럼 공기나 물처럼 파동에는 그것을 전하는 역할을 하는 물질인 '매질(Medium)'이 필요하다. 그래서 19세기의 과학자들은 '빛(Light)'이 파동이라면, 빛의 파동을 전달하는 물질이 있어야 한다고 생각했다. 그리고 그러한 가상의 물질을 '에테르(Ether)'라고 불렀다. 그래서 당시 과학자들은, 우주 먼 곳에서 오..

빛의 속도는 어떻게 측정했을까?

0. 목차 빛의 속력은 초속 약 30만 km 갈릴레이가 생각한 광속 측정법 '올라우스 뢰메르'의 광속 측정법 '아르망 피조'의 광속 측정법 이론적으로 광속이 유도되다. '레온 푸코'의 회전 거울을 사용한 광속 측정법 광속 측정의 정밀도가 점점 더 정확해졌다. 광속의 값은 측정값에서 정의값으로 바뀌었다. 1. 빛의 속력은 초속 약 30만 km 어두운 방 안에서 전등 스위치를 켜면, 순식간에 방 안이 밝아진다. 하지만 전구가 밝아진 것과 동시에 방이 밝아진 것은 아니다. 전구에서 나온 빛은 어느 정도의 시간이 지난 후에야 방의 구석까지 도달한다. 다만, 빛의 속력은 우리의 일상적인 감각과 비교하면 상상을 초월할 정도로 빠르기 때문에, 전등 스위치를 켠 순간에 방이 밝아진 것처럼 보이는 것이다. 그러면 빛이 ..

아인슈타인과 양자론 이야기

0. 목차 양자론의 탄생 아인슈타인과 보어의 대논쟁 EPR 역설 양자론은 옳았다. 1. 양자론의 탄생 '특수 상대성 이론'으로 유명한 '알베르트 아인슈타인(1879~1955)'이 1905년에 발표한 5개의 논문 중에는 '광양자 가설'이란 논문이 있다. '광양자 가설' 논문은 '양자론'의 선구가 되는 중요한 논문이다. '광양자 가설(light quantum hypothesis)' 논문은 1900년 독일의 물리학자인 '막스 플랑크(Max Planck, 1858~1947)'의 '양자 가설'의 생각을 발전시킨 것이라고 할 수 있다. 1-1. 양자론과 제철업 양자론의 탄생은 '제철업'과 밀접한 관계가 있다. 고품질의 쇠를 만들려면 '용광로(Blast Furnace)' 속의 온도를 정확히 알아내 제어해야 한다. 하..

다세계 해석(Many-World Interpretation)

0. 목차 양자론이란? 상태의 공존이란? 코펜하겐 해석 다세계 해석 미래는 결정되어 있는가? '우주의 탄생'과 '다세계 해석' 1. 양자론이란? 원자와 같은 미시 수준의 세계에서 입자의 움직임은, 인간이 직관적으로 생각하는 세계와는 완전히 다르다. 물리학자들은 미시 세계를 연구하다가, '뉴턴 역학'이 적용되지 않는다는 사실을 깨닫게 되었다. 이에 따라 전혀 새로운 학문이 필요하게 되었는데, 그것이 바로 '양자론(Quantum Theory)'이다. '뉴턴 역학'에서는 1개의 입자가 특정 시각에 특정 위치에 존재한다고 말하지만, '양자론'에서는 입자가 특정 시각에 다양한 위치에 공존한다고 말한다. 예컨대, 양자론에서 말하는 입자는 구름이 부옇게 퍼져 있는 이미지라고 할 수 있다. 물론 여기에서 구름은 다수의..

양자론(Quantum Theory)

0. 목차 '양자론'이란 무엇인가? '양자론' 요약 '양자론'의 탄생 (빛에 대한) '양자론'의 탄생 (물질 입자에 대한) 상태의 공존 불확정성 원리 터널 효과 양자론의 응용 1. '양자론'이란 무엇인가? 모든 물질을 잘게 나누면 '원자(Atom)'로 이루어져 있다. 그런데 19세기 말에 이르러 원자가 관계된 현상을 자세히 살펴보다가, 미시 세계는 우리가 일상생활에서 눈으로 보는 세계와 매우 다르다는 점을 알게 되었다. 미시의 물질은 '뉴턴 역학(Newtonian Mechanics)'으로 설명할 수 없는 불가사의한 움직임을 보였다. 그래서 '뉴턴 역학'을 대신할 새로운 이론이 필요해졌고, 그것이 바로 '양자론(Quantum Theory)'이다. 즉, '양자론'이란 아주 작은 미시 세계에서 물질을 구성하는..

'빛(Light)'이란 무엇인가?

0. 목차 빛은 전자기파 빛의 속도 '빛'과 '전기와 자기'의 관계 전자기파의 발생 투명과 불투명 광자 1. 빛은 전자기파 '빛(Light)'은 '전자기파(Electromagnetic Radiation)'이다. 전자기파에는 여러 종류가 있다. 휴대폰 등의 통신에 쓰이는 '라디오파(Radio Wave)', 전자레인지 등에 쓰이는 '마이크로파(Mmicrowave), 물건을 데우는 '적외선(Infrared)', 눈에 보이는 '가시광선(Visible Rays)', 햇볕에 타는 원인이 되는 '자외선(UV, Ultraviolet Rays)', X선 촬영에 쓰이는 'X선(x-ray)', 방사성 물질에서 나오는 '감마선(Gamma Ray)' 등이 모두 전자기파이다. 이들은 파장이 서로 다른 같은 무리이다. 각 전자기파..

'에너지 보존 법칙'과 '운동량 보존 법칙'

역학적으로 '에너지(energy)'란 힘을 만들어서 물체의 운동을 일으킬 수 있는 능력이다. 에너지에는 열에너지, 빛에너지, 소리 에너지, 화학 에너지, 핵에너지, 전기 에너지, 운동 에너지, 위치 에너지 등 여러 가지 형태가 있다. 이 에너지는 서로 변환될 수 있다. 예컨대, '태양광 발전'은 빛에너지를 전기 에너지로 바꾸고, 스피커는 전기 에너지로 소리 에너지를 만들어 내며, 우리의 몸은 화학 에너지를 이용하여 운동에너지를 만든다.0. 목차에너지 보존 법칙운동량 보존 법칙1. 에너지 보존 법칙 '에너지 보존 법칙(Law of Energy Conservation)'은 에너지가 다른 에너지로 전환될 때, 전환 전후의 에너지 총합은 항상 일정하게 보존된다는 법칙이다. '에너지 보존 법칙'은 역학에 한하지 ..

만유인력의 법칙

0. 목차만유인력의 법칙은 어떻게 탄생했을까?역제곱의 법칙지구로부터의 만유인력1. 만유인력의 법칙은 어떻게 탄생했을까?1-1. 아리스토텔레스의 '낙하의 법칙' 물체는 왜 아래로 떨어질까? 우리를 지구에서 떨어져 나가지 않게 하는 힘은 무엇일까? 이 의문에 대해 고대 그리스의 철학자 '아리스토텔레스(기원전 384~기원전322)'는 이렇게 설명했다. "모든 물체는 본래 있어야 할 곳으로 돌아가려고 한다. 무거운 물체가 본래 있어야 할 곳은 우주의 중심이며, 그것은 곧 지구의 중심이다. 무거운 것일수록 그곳으로 향하는 성질이 강하므로 더욱 빨리 아래로 떨어진다." 예컨대, 무거운 쇠공은 가병운 깃털보다 분명히 빨리 떨어지므로, 고대인에게 이 생각은 옳다고 받아들여졌을 것이다. 실제로 아리스토텔레스의 '낙하의 ..

운동의 3법칙 - 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙

0. 목차 '뉴턴 역학'이란? 뉴턴의 제1법칙 - 관성의 법칙 뉴턴의 제2법칙 - 가속도의 법칙 뉴턴의 제3법칙 - 작용 반작용의 법칙 1. '뉴턴 역학'이란? '뉴턴 역학(Newtonian Mechanics)'은 우리 주변에 보이는 물체의 운동을 설명하는 과학이다. 그래서 단순히 '역학(Mechanics)'이라고도 하며, 자연계에 있는 거의 모든 물체의 운동이 '뉴턴 역학'으로 설명된다고 해도 과언이 아니다. 또 '뉴턴 역학'은 물리학 전체의 출발점이라고 해도 지나친 말이 아니다. '뉴턴 역학'의 이해의 핵심은 '운동의 3법칙'과 '만유인력의 법칙(Law of Universal Gravitation)'이다. '뉴턴 역학'을 최초로 확립한 사람은 17세기 영국의 과학자인 '아이작 뉴턴(Isaac Newt..

방사성 물질(Radionuclide)

0. 목차 '방사성 물질'이란 무엇인가? '방사성 물질'과 '방사선'은 어떻게 발견되었는가? 방사선의 종류 '방사선 동위 원소'가 방사선을 방출하는 메커니즘 연대 측정(Age Dating) 1. '방사성 물질'이란 무엇인가? '방사선(Radioactive Ray)'이란 높은 에너지를 가진 입자의 흐름 또는 전자기파이다. 그리고 '방사선을 방출하는 능력'을 '방사능(Radioactivity)'이라고 한다. 또 방사능을 가진 물질을 '방사성 물질(Radionuclide)'이라고 한다. 그러면 '방사성 물질(Radionuclide)'은 왜 방사선을 방출할까? 그 비밀은 '원자핵(Nucleus)'에 있다. '방사성 물질'에 포함된 '원자핵'은 불안정해 순식간에 파괴되거나 변한다. 그때 부산물로 방출하는 것이 방..

인공 광합성(Artificial Photosynthesis)

식물이 광합성으로 에너지를 얻는 것처럼, 태양광을 에너지원으로 삼아, 물이나 이산화탄소로부터 연료나 공업용 소재가 되는 '화학 물질'을 합성하는 것이 '인공 광합성(Artificial Photosynthesis)'이다. 인공 광합성으로 만들어지는 물질은 '태양광 연료(Solar Fuel)'라고 부른다. 인공 광합성은 화석 연료에 의존하지 않고, 이산화탄소를 줄이는 효과도 있어, 에너지 문제를 해결하는 '꿈의 기술'로 오랫동안 크게 주목받아 왔다. 세계 각국은 '인공 광합성' 기술의 실용화를 위해 연구 개발에 본격적으로 나서고 있다. 0. 목차 인공 광합성 프로젝트 태양 에너지를 활용한다. 인공 광합성으로 생기는 물질 청정 연료로 기대 다른 에너지와의 비교 광촉매(Photocatalyst) 인공 광합성 연..

우주 태양광 발전(SBSP: Space-based solar power)

0. 목차 우주 태양광 발전(SBSP) 우주 태양광 발전의 역사 우주에서 만든 전기는 어떻게 송전하는가? '우주 태양광 발전' 연구 개발 계획 해결해야 할 문제 1. 우주 태양광 발전(SBSP) 태양광 발전을 지상에서 할 때 가장 문제가 되는 것은 날씨이다. '태양 전지'에 도달하는 태양광이 구름에 가려지면 발전량은 당연히 낮아진다. 또, 구름이 없더라도 먼지와 대기가 태양광의 일부를 반사해버린다. 그래서 이러한 문제를 해결하기 위해, 구름의 영향이 없는 우주에 태양 전지를 쏘아 올려 거기서 발전하는 '우주 태양광 발전(SBSP: Space-Based Solar Power)' 계획이 이루어지고 있다. '우주 태양광 발전'은 적도 36000km의 '정지 궤도(Geostationary Orbit)'에 태양 ..

전기와 전력

0. 목차'전기'와 실생활'전기'의 기초송전(power transmission)'전기'란 무엇인가?흐르는 전류는 저장할 수 없다.'전력'의 조건전력 공급원1. '전기'와 실생활 전기가 대중에게 보급된 것은 미국의 발명가인 '토머스 에디슨(Thomas Alva Edison, 1947~1931)'이 1882년에 세계 최초의 발전소를 뉴욕에 건설하면서부터이다. 한국에서는 1887년에 최초의 전등이 경복궁에 설치되었다. 1900년에는 지금의 서울 종로에 전등 3개가 설치되었는데, 이것이 최초의 전기 가로등이었다.빛(Light): 전기가 등장하면서 '빛(light)'을 얻는 방식은 완전히 변했다. 과거, 열이나 빛을 얻는 유일한 방법은 장작이나 횃불, 양초, 램프, 가스 등과 같은 무언가를 태워서 그 물질이 가진..

핵융합 발전(Nuclear Fusion Power Generation)

0. 목차 '핵융합 반응'이란 무엇인가? 핵융합과 관련하여 우여곡절이 많았다. ITER 핵융합로의 연료 핵융합로 레이저 핵융합 탁상용 핵융합기 1. '핵융합 반응'이란 무엇인가? 20세기의 위대한 물리학자 '리처드 파인만(Richard Phillips Feynman, 1918~1988)'은 '모든 것은 원자로 되어 있다(Everything is made of atoms)'라는 유명한 말을 남겼다. 그 원자의 중심에는 '양전기(Positive Electricity)'를 띤 '원자핵(atomic nuclei)'이 있으며, 그 주위에는 '음전기(Negative Electricity)'를 띤 '전자(electron)'가 있다. '핵융합 반응(Nuclear fusion reaction)'이란 고속으로 날아가는 원..

홀로그래피 원리(Holographic Principle)

이 세계는 정말 3차원일까? TV에 비친 자신의 모습은 3차원처럼 보이지만, 사실은 결국 수많은 화소로 채워져 있는 평면인 '2차원'이다. 즉, TV는 2차원 평면에 색을 칠해 3차원처럼 보이게 하는 것이다. 이와 마찬가지로, 우리의 세상은 3차원으로 느껴지지만, 사실 실제 차원의 수는 다를지도 모른다. 0. 목차 홀로그래피 원리 홀로그램과 홀로그래피 중력은 허상인가? 홀로그래피 원리의 탄생 홀로그래피 원리 세계관 1. 홀로그래피 원리 시공은 모든 현상이 일어나는 무대이다. 예컨대, 공간이 3차원이라면 중력은 거리의 제곱에 비례하여 약해질 테지만, 공간이 2차원이라면 중력은 거리에 반비례할 것이고, 공간이 4차원이라면 중력은 거리의 세제곱에 비례할 것이다. 이처럼 시공의 차원이 달라지면, 일반적으로는 물..

고차원

0. 목차고차원 이론의 등장고차원을 생각하는 이유고차원은 어디에 있는가?'초끈 이론'의 여분 차원여분 차원과 중력차원의 수와 중력가속기 실험고차원의 증거 찾기1. 고차원 이론의 등장1-1. 이 세상은 4차원 시공? 물리학자 '알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'은 1905년에 '특수 상대성 이론(Special Theory of Relativity)'을 발표해, 이 세계가 '3차원 공간'과 '1차원 시간'으로 이루어진 '4차원 시공'임을 밝혔다. '시공(Space-Time)'이란 시간과 공간을 하나로 표현한 말로, 아인슈타인은 공간과 시간이 하나로 되어 있으며, 절대로 끊을 수 없는 관계에 있다고 주장했다. 이후에도 특수 상대성 이론은 여러 차례 실험으로 확인되었고, 물리..

'차원'과 '상대성 이론'

0. 목차 제4의 차원은 무엇인가? 특수 상대성 이론 일반 상대성 이론 '비유클리드 기하학'의 발전 과정 중력과 시공 블랙홀과 시공 1. 제4의 차원은 무엇인가? 우리가 사는 공간에서 한 점의 위치를 특정하기에 필요한 수치는 3개로 충분하다. 하지만 '이 세계는 3차원'이라고 결론 내리기는 성급한 일이다. 예를 하나 들어보자. 철수와 영희가 내일 만나서 데이트하기로 약속했지만, 정작 둘은 만나지 못했다. 왜 그랬을까? 둘은 만날 장소만 정했지, '시각(time)'을 정하지 않았기 때문이다. 이처럼 사물을 특정하기 위해서는 장소뿐만 아니라 '시각(time)'이 필요하다. 그래서 시각을 눈금으로 하는 '시간'의 축은 3차원 공간에서 '제4의 차원'으로 간주되곤 한다. 1-1. 시간의 화살 하지만 시간의 성질..

입자 가속기 (particle accelerator)

소립자 물리학은 소립자에 대한 내용을 이론적으로 예언하고, 그 예언을 가속기를 통해 증명하는 과정을 통해 발전해 왔다. '입자 가속기 (particle accelerator)'란 전자나 양성자 등을 입자를 가속하는 장치이다. 가속한 입자를 다른 입자에 충돌시켜, 더욱 작은 입자로 분해하거나 입자의 성질을 조사할 수 있다. 0. 목차 가속기의 역사와 미래 B팩토리 LHC 차세대 선형 가속기 ILC 1. 가속기의 역사와 미래 1-1. 가속기의 필요성이 대두됨 1911년, 물리학자 '어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)'는 우라늄으로부터 자연히 방출되는 '알파 입자(양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨-4 핵)'를 발견하였다. 그리고 이를 이용해 원자핵의 존재를 발견하였..

소립자 물리학

ㅎ0. 목차물질을 구성하는 가장 기본적인 요소소립자를 찾아서쿼크와 렙톤쿼크와 힘소립자의 질량CP 대칭성의 파괴미지의 소립자들1. 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소 우리가 사는 이 세상을 구성하는 물질을 점점 잘게 잘게 나누어가면 어떻게 될까? 인류는 아주 오래전부터 이런 의문을 품어왔다. 고대 그리스 시대에는 물질이 '물', '불', '흙', '공기'로 되어 있다는 설과, 더 이상 분해할 수 없는 '원자(atom)'으로 되어있다는 설이 있었다. 물질이 무엇으로 되어있는지에 대해 과학적으로 검토하기 시작한 것을 19세기에 들어와서다. 화학자들은 고대 그리스의 사고방식을 되살려, 모든 물질은 많은 원소의 조합으로 생긴다는 사실을 알게 되었고, 마침내 분자와 원자의 화학 반응을 이해하게 되었다. 19세기 말..

진공(Vacuum)

미시 세계에서는, 아무것도 없어야 할 진공에서도 '소립자(elementary particle)'가 튀어나온다고 한다. 게다가 이런 소립자는 무수히 존재하며, 분주하게 생성과 소멸을 되풀이하고 있다고 한다. 진공에 대한 물음을 끝까지 파고들면 '물질은 무엇인가?', '우주는 어떻게 진화해 왔는가?'와 같은 어려운 문제에 직면하게 된다. 도대체 '진공(Vacuum)'이란 무엇일까?0. 목차'진공'은 정말 비어있을까?'진공'에 관한 실험들인공적인 진공의 한계원자 주위에는 아무것도 없는가?진공에서 소립자 만들기쌍생성과 쌍소멸빅뱅을 일으킨 에너지의 근원진공의 여러가지 응용1. '진공'은 정말 비어있을까? 우주 공간은 공기가 없는 진공이라는 말을 들어본 적이 있을 것이다. '진공(眞空)'이라는 말을 문자 그대로 해..

초끈 이론(Super String Theory)

0. 목차 소립자(Elementary Particle) 4종의 힘 통일장 이론 게이지 이론(Gauge Theory) '초끈 이론'에서 'M이론'으로 여분의 차원은 어디에 있는가? 1. 소립자(Elementary Particle) 물질은 원자로 되어 있고, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 원자핵은 또 '양성자(Proton)'와 '중성자(Neutron)'로 되어 있다. 또 양성자와 중성자는 '3개의 쿼크'로 이루어진다. 현재로서는 '전자(electron)'나 '쿼크(quark)'가 물질을 만드는 최소 단위인 '소립자(Elementary Particle)'라고 생각된다. 물질을 만드는 소립자로는 6종의 '쿼크(quark)'와 6종의 '렙톤(lepton)'이 알려져 있다. '쿼크'와 '렙톤'은 각각 2개..

원자력 발전

0. 목차핵분열의 발견원자력 발전 상황원자력 발전소원자력 발전의 전체 모습원자력 발전의 메커니즘사용이 끝난 연료 처리하기1. 핵분열의 발견 1938년, 독일의 화학자 '오토 한(Otto Hahn, 1897~1968)'은 실험 결과의 해석에 어려움을 겪고 있었다. '오토 한'과 그의 연구 파트너 '리제 마이트너(Lise Meitner, 1878~1968)'의 목표는 자연계 최대의 원자핵인 우라늄 원자핵에 중성자를 발사해 더욱 큰 원자핵을 합성하는 일이었다. 그러나 아무리 원자핵을 발사해도 큰 원자핵이 합성되기는커녕 반대로 작은 원자핵들이 나타났다. '오토 한'은 물리학자인 '리제 마이트너'에게 편지를 보내 의견을 구했다. 당시 유대인이었던 마이트너는 이 해에 독일에서 쫓겨나 스웨덴에 머물고 있었다. 마이트..

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