빛의 물리학. EBS 
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작성자: 하나님아들(godson1009)
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빛의 물리학. EBS
양자역학이 이렇게 어려운 내용일 줄 몰랐습니다. <빅뱅이론>에서 쉘던 쿠퍼 박사 정도 되어야 이해가 되겠습니다. 초끈이론에서 11차원의 세계가 존재한다는 말이 정말일까요?
물리학과 천문학은 중세의 미신과도 같은 기분을 줍니다. 그만큼 현실세계의 눈으로는 이해가 안 되는 점이 많죠. 예를 들면 이렇습니다.
‘양자론에서는 상자 뚜껑을 열어 확인하기 전까지는 전자가 좌우 양쪽에 동시에 존재한다고 본다. 그러니 전자 한 개가 같은 시각에 여러 곳에 존재한다.’
아니 전자 한 개가 동시에 여러 곳에 존재하다니요. 이해가 되지 않습니다. 이해를 돕기 위해 ‘쉽게’ 설명해주는 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 알아봅시다.
이 사고실험에는 알파입자와 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어있고, 이 상자는 독가스가 들어있는 통과 연결되어 있다. 독가스는 밸브에 가로막혀 상자 속으로 들어갈 수 없으며, 독가스가 든 통 역시 외부 세계와 완전히 차단되어 밸브가 열리는지 볼 수 없다. 이 밸브는 방사능을 검출하는 기계 장치와 연결되어 있는데, 그 기계 장치는 라듐 등이 붕괴하며 방출한 알파입자를 검출하여 밸브를 연다. 밸브가 열린다면 고양이는 독가스를 마셔 죽게 된다. 그리고 처음에 라듐은 단위 시간 당 50%의 확률로 알파붕괴하도록 세팅되어 있다. 그렇다면 그 단위 시간이 흐른 후에 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다. 여기서 실험자는 외부에 있기 때문에 관찰이나 간섭을 절대 할 수 없는 상태에서 대답을 해야 한다.
간단히 요약하자면 "1시간 후에 절반의 확률로 상자 안의 고양이가 죽는다. 당신은 그 상황을 전혀 볼 수 없다. 1시간 후 상자 속의 고양이는 어떻게 되어있을까?" 라는 것이다.
위키피디아 발췌.
'상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 '중첩' 되어 있었으나 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다'라는 코펜하겐 해석은 그나마 이해가 갑니다. 관측하는 순간 우리도 판단이 되니까요. 그러나 다중세계 해석은 ‘고양이가 살아 있는 세계와 고양이가 죽은 세계가 분리되어 평행 우주가 되고 서로에게 영향을 주지 않는다고 해석한다.’라고 해석합니다. 이게 무슨 소리인가요? 이승과 저승이 분리되어 영향을 주지 않는다는 말처럼 들리기도 합니다. 당연히 이승과 저승은 서로 영향을 주지 않습니다만.
세계 최고의 과학자들이 말장난 같은 해석으로(물론 당연히 말장난이 아니죠) 세상의 진리를 밝히고 있습니다. 이황과 기대승도 말장난 같아 보이는 논쟁을 했죠. 이런 대화와 생각을 많이 하면 저도 진리를 깨치게 될까요.
- 뢰메르는 목성에서 오는 빛을 이용해서 빛의 속도를 쟀다. 우리가 알고 있는 값의 3분의 2 정도.
- 요하네스 케플러 : 물체에 반사된 빛은 한 가닥이 아니다. 수많은 가닥이다. 어떻게 이 가닥들이 사람 눈에서 한 점으로 인식되는가? 케플러에 의하면 동공을 통해 들어간 수많은 빛의 가닥들은 렌즈 역할을 하는 수정체에 의해 굴절되어 망막에 하나의 점으로 수렴.
- 빛은 관찰자의 속도와 무관하게 항상 30만km/s 로 일정하다. 여기서 특수상대성이론을 이끌었다. 에테르의 존재를 부정하면서 빛이 파동이 아니라 입장으로 주장했ㄷ사.
- 양자역학은 빛이 파동과 입자의 이중성을 가진다고 본다.
- 상대성 원리 : 상대가 있을 때에만 내 움직임이 정해진다.
- 마이컬슨, 몰리 : 미국 최초 노벨 물리학상. 가장 위대한 실패
- 과학은 우주를 움직이는 원리를 찾고 싶어하는 학문.
- 빛은 내가 어떤 속도로 움직이더라도 항상 같은 속도로 다가온다.
- 빛은 한결같다. 그러므로 시간이 변한다. 즉 시간은 모두에게 다르게 흘러간다.
- 아인슈타인에게 동시에 일어난 사건이란 처음부터 존재하지 않는다. 시간이 모든 사람에게 다르게 흐르기 때문이다. 절대적인 시간이란 원래 없다.
- 별빛이 중력에 의해 휘어질까?
일식은 태양과, 달 지구가 일직선일 때 일어난다. 태양이 달에 가려 하늘이 어두워지면, 이때 하늘에 별이 드러난다. 태양 뒤에 숨은 별은 지구에서는 안 보여야 하는데 말이다.
- 특수상대성이론에서 속도가 빨라지면 다른 관찰자가 보기에 그 길이가 짧아진다고 했다.
- 원이 가속도로 움직일 때 원주율이 변하는 이유는 바로 공간이 휘어지기 때문이다. 휜 공간에서 파이값은 달라진다.
- 무중력인 우주선 내부에서 보면 빛은 직진한다. 그러나 가속도로 움직이는 우주선에서 보면 무중력 우주선에서 쏜 빛은 휘어져 보인다.
- 가속도의 힘이 존재하는 공간, 즉 중력이 존재하는 공간은 모든 물체를 휘게 한다. 질량이 있는 곳에서 공간은 휘어진다.
- 특수상대성이론에 따르면 속도가 빨라질수록 상대적인 시간이 느려진다.
- 뉴턴은 프리즘을 놓고 빛을 바라보았다. 빛 속에 색깔이 들어 있었다. 백색광 속에는 모든 색깔들이 혼합되어 있다. 각 색깔들은 고유한 굴절률을 가진다.
- 마이클 패러데이 : 전기는 자기로 바뀐다.
코일 도선에 전기를 연결하면 이 코일은 전자석이 된다. 전류가 흐르고, 이때 자기장이 생긴다. 반대로 코일에 자석을 출입시키면, 전원을 꽂지 않아도 전류가 흐른다.
- 맥스웰이 계산한 전자기파 속도는 초속 31만 킬로미터. 빛의 속도와 같다.
빛과 전자기파가 같은 것이다. 우리 눈에 보이는 빛은 온전한 모습이 아니고 전자기파 일부다. 이것이 맥스웰의 결론이다.
- 음극선은 진공관에 특정 기체를 넣고 음극과 양극에 강한 전압을 걸어주었을 때 나오는 황록색 광선이다.
- 음극선관의 음극에서 나오는 광선에 맞자 바람개비가 돌아갔다. 입자에 맞아서 바람개비가 돌아간다는 뜻이다. ‘질량이 있는 입자’다. 자기장을 걸어주면 특정 방향으로 움직였다. 이 입자 이름은 ‘미립자’라고 불렀다.
- 흑체에 열을 가했을 때 나오는 모든 파장이 다 에너지를 갖지는 않는다. 어떤 파동은 에너지를 갖지 않는다.
- 연속하지 않고 어떤 단위량의 정수배로 나타나는 에너지 단위를 양자라고 한다.
- 흑체가 무한히 뜨거워지지 않는 이유는 에너지가 연속적으로 나오지 않기 때문이다. 불연속적으로 나오는 에너지는 E=nhv라는 공식을 만족한다.
- 에너지 흐름은 불연속적이다. 이것으로 물리학은 플랑크 이전과 이후로 나뉜다.
- 보어의 원자 모델 : 전자가 움직일 때도 궤도에서 궤도로만 간다. 그럴 때 전자는 에너지를 흡수하거나 방출한다.
- 궤도를 버린다는 뜻이 무엇일까? 궤도가 없다는 뜻은 전자 움직임을 볼 수 없다는 뜻이다. 짐작할 뿐이다. 하이젠베르크는 전자의 세계를 그림으로 그릴 수 없는 세계라고 판단했다.
- 전자는 어느 한 위치에 고정되어 있지 않고 파동의 형태로 다양한 위치에 존재한다. 전자는 파동의 성질과 입자의 성질을 지닌 물질파로서 존재한다.
- 양자론에서는 상자 뚜껑을 열어 확인하기 전까지는 전자가 좌우 양쪽에 동시에 존재한다고 본다. 그러니 전자 한 개가 같은 시각에 여러 곳에 존재.
- 파동인 전자가 갑자기 수축해 입자가 되는 경우는 볼 때, 관측할 때이다. 어떤 것을 본다는 행동만으로 상태가 변해버린다.
- 전자가 이중슬릿을 통과할 때 관측 장치가 있을 경우에는 더 이상 간섭무늬가 나타나지 않는다. 이때 전자는 입자의 특성을 보인다.
- 슈뢰딩거의 고양이 : 독가스가 나오는 상자. 고양이 생사를 확인 하지 않은 상태에서, 이 고양이는 죽었을까, 살았을까?
- 뉴턴은 왜 중력이 생기는지 설명하지 못했다.
- 뉴턴이 설명한 중력은 질량을 지닌 물체가 휘어진 공간을 따라 여행하는 것에 불과했다.
- 끈이론은 끈이 다양하게 진동해서 온 우주를 만든다고 주장한다.
- 초끈이론 : 물체들의 성질을 통하여 11차원 시공간에 미지의 M-이론이 존재한다. 초끈이론의 가장 중요한 결과물은 초대칭과 10차원 시공간이다.
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