현대과학의 열쇠 퀀텀::유니버스

마커스 초운 지음, 정병성 옮김  마티 출판사

 

현대과학은 양자역학과 상대성원리로 압축된다.

 

작은 것들의 나라인 양자의 세계는 우리의 직관과 맞지 않는 이상한 나라의 앨리스와 같다.

원자의 대부분은 빈공간이다.

빛은 입자이면서 동시에 파동이다.

예측불가능한 미시세계, 하지만 확률적으로만 예측할 수 있을뿐

동시에 두군데 이상 존재하는 입자? 다중우주의 존재의 근거?

아인쉬타인의 상대성원리에 의하면 동시성이라는 것도 상대적인 것인데, 어떻게 양자의 세계에서는 동시성을 확신있게 이야기할 수 있는가?

중첩이 파괴되는 현상...결흐트러짐

하이젠베르크의 불확정성원리의 의미는? 미립자의 위치와 속도를 둘 다 정확하게 알 수는 없다. 단지 측정상의 문제가 아니라 존재 자체가 그런 의미가 있다고 하는데, 이해하기가 좀 어렵다. 양으로 대전된 핵에 음으로 대전된 전자가 왜 빨려들지 않는 것일까? 원자의 대부분이 빈 공간인 이유는 무엇일까? (원자는 원자핵보다 10만배가 크다) 이 모두가 불확정성원리때문이라고...

 

연료를 다 소비하고 빠르게 수축하는 별들이 무한대로 무너지는 것을 막아내는 것은 전자의 힘이다. 원자가 압축되면서 전자가 핵에 접근함에 따라 전자의 속도는 무서운 속도로 증가하고(불확정성원리) 이 전자의 움직임이 내향중력과 균형을 유지하면서 형성되는 것이 백색왜성이다. 찬드라세카 한계를 넘어서는 별들의 경우에 전자는 핵속의 양자와 반응하여 중성자로 변한다. 중성자 축퇴압이 중력과 평형을 이룰 때 중성자 별이 탄생하는 것이다. 중성자별은 빈공간이 전혀 없는 원자핵덩어리다.

 

비국소성...한 쌍의 입자가 서로 얽혀 있어 순식간에 정보를 전달하는 현상. 빛의 속도를 능가하는 정보 전달속도...ㅋㅋ 아인쉬타인이 미칠듯한 이유도 이해할 만, 이 비국소성을 이용한 공간이동도 가능할 것이라고,

 

구별 불가능성..파우리의 배타원리...보존과 페르미온...쩝! 많이는 들어보았으나, 아직 머리 속에 확 들어오지는 않는다.

 

큰 것들의 세계

특수 상대성 원리...빛의 속도는 상대적으로 등속운동을 하는 모든 좌표계에 대하여 일정하다. 고전 물리학에서는 변하지 않는 공간과 시간을 무대로 성립한다. 하지만 특수 사대성 원리에 의하면, 시간과 공간은 고정 불변의 것이 아니라, 상대적 속도에 의하여 달라지는  변수가 된다.

유일하게 변하지 않는 것은 빛의 속도일 뿐. 공간과 시간이 늘어나거나 줄어든다. (왜 광속은 불변인가?)동시성 개념도 광속이라는 불변의 상수에 의해 허물어져 버린다. 동시에 사건이 일어나는 것이란 무슨 의미일까? 아인쉬타인 보다 먼저 시공간의 개념을 꿰뚫어 본 사람은 헤르만 민코프스키, 공간과 시간은 별개의 것이 아닌 하나인 것을. 물체가 광속에 가까워질 수록 질량이 증가한다. 광속에 도달하는 순간 그 질량은 무한대...결코 광속과 같아질 수가 없다. 물체를 광속에 접근하도록 가속시키려면 에너지가 필요하다. 에너지가 투입되어 물체가 광속에 가까워질 수록 질량이 증가한다. 이 관계에서 나온 것이 그 유명한 아인쉬타인 공식  E=mc^2

 

일반 상대성 원리...가속하는 좌표계는 중력의 효과와 유사한 결과를 보여준다. 중력은 별도로 존재하는 것이 아니다. 중력과 가속도는 같은 것이다. 이렇듯 중력과 가속도의 구별 불가능성을 등가원리라고 부른다. 중력은 휘어진 공간이다.(공간이 휘어진 방향은...우주의 중심이겠지, 그러나 이 우주의 중심은 우리 우주 속에 있지 않다. 대폭발장소도 현재 우리의 우주속에 있지 않겠지. 그것은 우리가 감지할 수 없는 차원속에 있겠지. 풍선의 중심은 풍선의 표면에 있지 않고, 풍선의 내부 깊숙한 곳에 있다. 그러면 우리가 관찰하는 아주 먼 곳의 은하나 별들은 우리의 우주의 차원이 아닌 다른 방향으로 뻗어 있은 또다른 차원으로 뻗은 곳에 있는 것이리라. 블랙홀이 빠져든 곳도 다른 차원, 이전 우리의 우주가 있던 초기 우주 속으로 뻗어 있는 것일까?)

일반 상대성 원리가 예측하는 것 중 한가지는 빛이 중력때문에 휜다는 것 그리고 수성의 근일점 이동, 블랙홀의 존재

블랙홀 사건의 지평선가까이에서는 시간이 느리게 흐른다. 블랙홀에서부터 멀리 떨어진 곳에서 블랙홀 가까이 접근할 수 있는 길이 있다면

과거로의 여행이 가능한 것을...웜홀이 있다고라? 일반 상대성 이론의 또 다른 예측을 대폭발이다. 정적인 우주를 구현하기 위해 도입한 아인쉬타인의 우주척력(우주상수)는 아인쉬타인 스스로 페기해버렸지만, 현대우주물리학에선 다시 그것이 새로운 암흑에너지의 형태로 되살아 난다. 끈이론, 초끈이론, M이론...아직 가야 할 길은 요원하다.

 

다루는 내용은 깊이가 있지만, 설명하는 방식은 크게 깊어보이지 않는다. 필자 스스로 쉬운 예를 들어가면 쉽게 설명하려 했다고 한다. 특히 상대성원리와 관련된 것들을 많이 생각해 볼 수 있는 기회가 되었던 것 같다. 상대성원리와 양자역학의 연결고리는

퀀텀=유니버스 이어야 하는데, 아직은 그 고리가 끊겨져 있다. 이렇게 퀀텀 :: 유니버스