[인상깊은 문구]상대성 이론과 아인슈타인 이야기

<<상대성 이론과 아인슈타인 이야기>>

황원삼, 임정권 공저

펴낸곳: 도서출판 일진사

2008년 1월 10일 인쇄

2008년 1월 15일 발행

CH1 과 에너지 기술

-          광압  +  →  

Ø  광압: 레베데프(Lebedev, Sergei Vasilievich, 1874.07.25 ~ 1934.05.02, 러시아 화학자)

-       에너지 변화효율 ‘ε’

핵분역, 핵융합, 태양에너지, 양자 블랙홀 에너지, 소립자 소멸에너지

CH2 빛의 본성과 레이저 기술

일반 광: 통일된 규칙이 없어서 복사한 광자는 앞뒤가 다르며 파장도 부동하고 전파 방향이 일치하지 않아 사면팔방으로 비친다. 물리학에서는 자발 복사에 의해 생성한 빛을 비간섭 광이라 한다. (P43)

레이저: 충격 복사에서 생성된 광자는 주파수, 진동수, 방향과 전파 방향이 유발광자와 모두 같다.

레이저의 장점: 방향성, 밝음, 단색성, 간섭성

레이저 기계 = 레이저 작동 물질 + 광학공진강 + 충격원

CH3 상대성 이론과 과학혁명

고전 물리학 = 뉴턴역학 + 전자기 이론

‘마이컬슨-몰리,’ ‘흑체복사,’ ‘광전효과’를 고전 물리학으로 설명할 수 없었다.

현대적 의미에서 보았을 때 고전 물리학은 틀린 것 이 아니라 ‘어떤 한계 내에서’ 유용한 근사치(P64)

특수 상대성 이론

1.     광속불변 -> 광속이 새로운 절대적 개념 -> 에테르 필요성 제거

2.     상대성 원리 -> 물리법칙의 절대성

è  특수 상대성 이론은 모든 것이 상대적이라는 것을 말하기 보다 오히려 이 이론은 절대적인 것을 올바로 다루는 법을 이야기하고 있다. (P66)

è  고전 물리학의 기본이 되는 절대 시간과 절대 공간 무시

1905년에 발표한 아인슈타인의 ‘특수 상대성 이론’은 등속으로 움직이는 관성 좌표계에만 적용되기 때문에 ‘특수’라는 한정된 단어가 붙지만, 1916년 아인슈타인은 관성 좌표뿐만 아니라 가속 운동을 하는 비관성 좌표계에도 상대성 이론을 적용시켜 ‘일반 상대성 이론’을 제거 하였다.

일반 상대성 이론

1.     만유인력의 법칙 -> 중력질량 = 관성질량

2.     임의의 두 좌표계에서 물리학의 가장 기본적인 법칙은 동일한 수식형태로 기술된다.

아인슈타인의 증거

1.     수성 궤도가 태양에 가까울 때 생기는 진동 현상

2.     빛이 중력장에서 옆으로 휘어져 광선은 굴곡되고 직선은 아니라는 것

3.     빛의 스펙트럼 선이 인력에 의해 붉은 쪽으로 움직인다는 것

CH4 상대성 이론과 우주공학

제 1 우주속도 7.9km/s – 지구 인력에서 벗어나기 위한 최저 속도

제 2 우주속도 11.2km/s – 지구 중력장 범위를 벗어남

나중에 다시 읽어 보자:

“소립자 물리학에 속하는 ‘게이지 이론(gauge theory)’에 의하면 물질의 질량은 과거 우주에서 일어난 상전이 시기 힉스 입자가 각종 소립자에게 삼켜질 때 생긴 것이라 한다. 때문에 질량을 소멸하려면 우주 역사의 초기 힉스 기구 작동 전의 상태를 그 어떤 형태로 재현시켜야 한다. 그러나 또 다른 방법으로 현재의 우주에 자연적으로 존재해도 이상하지 않은 ‘마이너스 질량’ 이 존재한다면, 즉, 질량의 차원에서 부호가 ‘-‘인 물질로 생각하는 마이너스 질량에 의해 플러스 질량을 소멸하는 방안도 생각해 볼 수 있다.

  질량의 기원에 관해 현대적으로 접근한 연구는 실질적으로 1954년 중국계인 미국의 양전닝(Yang Zhenning, 1922~) 교수 등에 의해 ‘일반 게이지 이론’이 발표되면서 시작되었다. 게이지 이론이란 소립자들의 상호작용 중 반응 전.후 계통의 양자수(전하, 바리온(baryon)수, 스핀(Spin) 등)가 변하지 않는다는 ‘게이지 대칭성’을 보존하는 상황에서의 상호작용을 서술한 이론이다. 이 이론의 원형은 1920년 독일의 한 과학자에 의해 제기되었으나 양전닝 등에 의해 소립자 상호 작용의 일반에까지 확장된 이론이다.

  이 게이지 이론에서는 소립자 사이에 교한되는 게이지 입자(게이지 장을 양자화한 것)가 질량을 가져서는 안 된다고 했다. 그것은 전자 상호 작용에 있어서 전자기 마당을 매체로 하는 광자인 것이다. 그러나 원자핵 내부의 극히 짧은 거리에서만 작용하는 ‘약 상호작용’을 매체로 힉스 입자는 양자(프로톤)의 100배에 비슷한 질량을 가진다.

  이 문제에 대해 일부 학자들은 ‘힉스 장(Higgs field)’이라 부르는 진공의 새로운 마당을 도입해 ‘고 에너지의 진공 대칭성이 자발적으로 파괴되어 새로운 구조(상호작용의 형태와 새로운 입자)가 생겨날 때 양자화 된 힉스 입자가 게이지 입자에 삼켜져 질량을 가진다.’ 라는 아이디어를 제창했다. 이 메커니즘을 현재 ‘힉스 기구(Higgs mechanism)’라 부른다.

  실제 우주의 과거 역사에 관해 때때로 상전이가 생겨서 새로운 구조가 생겨나는 때에 힉스 시구가 작동해 새로운 소립자에 질량 에너지를 준다고 보는 것이 지금의 기본 인식이다.” (P96~97)

CH5 현대 우주론 (설)

뉴턴 우주관 → 올버스의 패러독스, 인력현상 설명 필요

스펙트럼 선의 적색편이 -> 우주 팽창 -> 빅뱅

CH6 양자론과 아인슈타인

흑체는 원소에서 나오는 선 스펙트럼과는 전혀 다른 연속 스펙트럼을 방사한다. (P125)라는 사실사부터 입자설이 시작되었고 플랑크에 의해 문제가 해결되었다.

1900년 12월 14일 양자론 탄생

양자역학 창립과정

1.     보어 – 하이젠베르크

2.     아인슈타인 – 드브로이 – 슈뢰딩거

1965년 미국의 벨이 제출한 벨의 부등식은 양자역학의 정역성이 파괴됨을 증명하였고 이런 양자역학의 정역성 파괴는 양자역학과 상대성이론 사이의 충돌을 나타내고 있다.

CH7 통일장 이론과 미래과학

1922년 아인슈타인은 처음으로 통일장 이론에 관한 논문을 쓴 후 33년이란 긴 시간 줄 곧 이 연구를 진행하였다. (P135) 그리고 현재 알려진 초끈이론은 현재 존재하는 4가지의 힘을 합칠 수 있는 대안이다.

인상 깊은 문구:

1.     아인슈타인은 일반상대성 이론을 발표한 20년 후 어느 날 다음과 같은 이야기를 하였다. “내가 특수 상대성이론을 발견하지 않았어도 그 어느 땐가 반드시 다른 사람이 발견할 것이다. 그러나 일반상대성 이론은 그렇지 않다.”

2.     아인슈타인 좌우명: ‘진리에 대한 추구는 진리를 점유하는 것보다 더 고귀하다.’

3.     물리학자들은 오직 속도가 빛보다 매우 작은 현상을 분석할 때 양자역학이 유효하다는 것을 발견하였고 특수 상대성이론을 결합할 때 양자역학은 벽에 부딪혔다.

CH8 긴 역경속의 아인슈타인

호기심이 많은 아인슈타인 / 유치하더라도 과학 논문을 쓴 용기 /

아인슈타인은 대학 4년의 생활을 자기의 자서전에서 아래와 같이 썼다. "1896 ~ 1900년간 취리히 연방공과대학교의 사범학과에서 공부하였다. 나는 내가 중간 정도 성적의 학생이 되면 만족하다는 것을 발견하였다. 우수 학생이 되려면 반드시 학습내용을 쉽게 이해하는 능력을 가져야 하고, 아무런 불평도 없이 선생님이 가르쳐 준 내용을 외워야 하며, 질서를 지키고 강의를 제때에 필기하며 제때에 숙제를 해야 한다. 나는 이런 규칙적인 생활에 잘 적응이 안되는 것을 발견하였다. 나는 교수들에게는 미안했지만 자유로운 생확을 하며 나 스스로 나의 학구열과 흥미에 맞는 공부를 하였다."

CH9 위대한 평화전사

미국의 핵 개발: 페르미 -> 미국 해군부 (독일 핵) -> 이해 못함 -> 질라트(Szilard)가 아인슈타인에게 말함 -> 아인슈타인이 루즈벨트 대통령에게 말함 -> 맨하탄 계획

명예, 돈을 추구하지 않고 오로지 학구적 연구만을 자유로운 연구환경만을 찾았던 아인슈타인

CH10 뉴턴과 아인슈타인

공통점

1.     연구분야는 물리학, 이론연구

2.     연구는 맥을 이었고 광학으로 명성을 얻음 (뉴턴 = 반사 망원경)

3.     수학을 응용한 이론상의 연구

4.     우주관 확립에 획기적인 공헌

5.     과학연구에서의 연구태도는 꾸준한 노력과 끝없는 집착

6.     실사구시한 학풍과 겸손한 태도

오직 진리 탐구를 자기의 일생 목표

차이점

1.     뉴턴 존재 현실, 아인슈타인 생각지도 못한 현실 (미래 지향적)

2.     뉴턴과 아인슈타인의 후반 인생