가벼운 ......
■ 물질의 인식 전개
□ 물질에 대한 역사
. 고대 그리스 - 4원소설, Democritus의 원자설
. 라부아지에 - element라는 개념을 도입
. 돌턴 (John Dalton) - 원자설
. 아보가드로 - 분자설
. J.J.톰슨 (Joseph John Thomson) - 음극선의 발견(후에 전자로 명명)
. 밀리칸 - 전하와 질량의 비율 계산
. 러더퍼드 (Ernest Rutherford) - 핵의 발견
. 닐스 보어 (Niels Bohr) - 각운동량의 양자화(궤도함수)
. 드브로이 - 물질파
. 슈뢰딩거 - 현대적인 물질의 모형 제시
□ 핵이란?
인용자료 - 위키백과
. 일반적 의미
. Atom은 고대 그리스어 a-tomos에서 온 것으로서
더이상 나누어질 수 없는(a-: 부정, tomos: 쪼갬) 이라는 뜻
. 원자(原子)라는 한자어는 물체의 근본이 되는 것
. 현재는 쿼크와 렙톤이 가장 작은 물질의 기본 단위로 인식
. 물리학과 화학에서 핵(核)은 원자의 중심에 모여있는 중성자와 양성자의 집단
. 생물학에서 핵(核)은 세포의 소기관
. 지구과학에서 핵(核)은 액체 상태의 금속으로 되어 있는 지구형 행성의 중심부를 말함
. 식물학에서 핵(核)은 핵과의 내과피가 석세포로 발달하여 종자를 감싸고 있는 것
. 수학에서 핵(核)은 커널(kernel)의 번역어로, 사상에 의해 0으로 보내지는 원소들의 집합을 말함
. 원자의 구조와 모형
. 돌턴 - 현재 쓰이고 있는 원자의 의미는 돌턴이 확립했다.
화학 반응에 의해 더이상 나누어지지 않는 기본 단위를 상정하면 많은 화학의 화합물의
성질이 간단하게 설명, 그러나 돌턴이 원자라고 생각한 것들 중에는 지금의 의미로는
원소인 것들이 많음
. 톰슨 - 톰슨은 원자가 양전하를 띠고 있는 양성자 속에 전자가 빵속의 건포도처럼 박혀있는
모양이라고 주장, 전자의 발견으로 돌턴의 원자 모형에서 전기적으로 양성을 띤 부분과
전기적으로 음성을 띤 전자를 구별
. 러더포드 - 금속박막 산란 실험에서 박막의 특정영역에서만 알파선이 산란되는 것 확인
원자 질량의 대부분을 차지하는 양성자는 원자 내부에 작게 뭉쳐져 있고 그 바깥쪽으로
전자가 넓게 퍼져 공전
. 닐스 보어 - 러더포드의 원자모형은 전자가 원자핵주위를 공전하면서 전자기파를 방출하고
양성자로 떨어져야 한다는 모순, 닐스 보어는 이를 설명하기 위해 전자가 허용된 특정
궤도에만 존재할수 있다는 양자화 가설 주장, 양자역학이 탄생
. 현대 물리학의 원자구조
하이젠베르크의 불확정성 원리를 기반으로 하는 양자역학은 전자나 원자핵의 위치와 속도를
동시에 기술하는 것을 포기
원자는 원자핵 주위에 전자구름이 확률적으로 분포하는 것으로 봄
전자구름은 파동함수로 기술되며 슈뢰딩거 또는 디락의 방정식의 해가 됨
. 원자의 구성
현대 물리학에서 원자는 기본 단위가 아닌 원자핵과 전자가 결합한 형태
화학적 성질은 원자의 성질과 직접적인 관련
. 공식
주기율표상, 양성자, 전자는 atom number이고 중성자는 atom mass-atom number
. 원자핵
원자핵은 양성자와 중성자가 강한 상호작용으로 결합해 있음, 이들 양성자와 중성자의 개수에
따라 원자를 주기율표로 분류할 수 있으며 화학적인 성질이 결정됨
원자핵(原子核, atomic nucleus)은 원자 중심의 핵자(양성자와 중성자)로 이루어진
작고 밀도가 높은 부분을 말함
수소 양성자 핵 크기(지름) = 1.6 fm (펨토미터, 10^-15 m) = 원자 전체 크기의 약 1/145,000 우라늄 “ = 15 fm = 원자 전체 크기의 약 1/23,000
원자 질량의 대부분은 핵자를 이루는 양성자와 중성자의 질량이며,
원자핵 주위를 도는 전자의 질량은 아주 일부만을 차지함
양성자(陽性子, proton)
. 원자핵을 이루고 있는 기본 단위중 하나
. 수소 원자의 원자핵은 양성자
. 전하 (1.602 × 10^-19 C): 전자의 전하와 크기가 같고, 부호는 다름
. 질량 938.3 MeV/c2 (1.6726 × 10^-27 kg, 전자 질량의 1836배
. 반감기의 하한은 10^35년, 가장 간단한 대 통합 이론들은 양성자가 붕괴하는 것으로 예측
. 바리온 임
중성자(中性子, neutron)
. 전하가 없는 가장 가벼운 핵자
. 한개의 위 쿼크, 두개의 아래 쿼크로 이루어짐, 채드윅이 발견
전자 (電子, Electron)
. 음(-)의 전하를 띠고 있는 기본 입자
. 양성자와 중성자로 구성된 원자핵의 주위에 확률적으로 전자구름을 이루며 분포
□ 물리학의 기본입자
자료인용 : 위키백과
. 페르미온 : 쿼크 - 위(Up), 아래(Down), 맵시(Charm), 야릇한(Strange), 꼭대기(Top), 바닥(Bottom)
렙톤 - 전자, 뮤온, 타우온, 중성미자
. 게이지 보존 : 광자, W 보존, Z 보존, 글루온
. 미관측 입자 : 힉스 보존, 중력자, 기타 가설 입자
. 각 쿼크에는 해당하는 반쿼크라 불리는 반입자(antiparticle)가 존재하며, 전하량이 반대
. 양자색역학(QCD)에 따르면, 쿼크는 홀로 존재할 수 없고
. 언제나 쿼크와 반쿼크 쌍, 세 개의 쿼크, 혹은 세 개의 반쿼크의 바리온의 형태로 존재하여
언제나 기본 전하량의 정수배만이 검출됨
. 전하량 외에도 쿼크는 색전하(色電荷)란 물리량을 갖는데,
이 양은 '빨강', '초록', 혹은 '파랑'으로 나타냄
. 합쳐진 입자는 언제나 '무색'이어야 한다고 하며,
반쿼크는 '반빨강', '반초록', '반파랑'의 색전하를 가짐
. 쿼크는 홀로 관측될 수 없고, 다른 쿼크, 혹은 강한 상호작용 입자와 합쳐진 상태로만 관측
. 렙톤 (경입자, 輕粒子, lepton)
. 전자기력·약력·중력에만 관여하며 강력에는 관여하지 않는다.
. 경입자는 기본입자이기 때문에 더 작은 물질로 쪼개지지 않는다.
. 경입자는 전자중성미자(electro-neutrino)·뮤중성미자(mu-neutrino)·타우중성미자(tau-neutrino)
와 같이 전하도 띠지 않고 질량도 있는지 없는지 애매하며 2중상태(二重狀態 doublet)로 존재
하는 서로 연관된 중성미자를 가짐
.
소립자 물리학의 표준 모형(標準模型 ; Standard Model)
페르미온 기호 전하 돌스핀 색전하 질량
1세대
전자 e- -1 -1/2 0 0.511 MeV
전자 중성미자 νe 0 +1/2 0 < 50 eV
위(up) 쿼크 u +2/3 +1/2 빨강/초록/파랑 ~5 MeV
아래(down) 쿼크 d -1/3 -1/2 빨강/초록/파랑 ~10 MeV
2세대
뮤온 μ- -1 -1/2 0 105.6 MeV
뮤온 중성미자 νμ 0 +1/2 0 < 0.5 MeV
맵시(charm) 쿼크 c +2/3 +1/2 빨강/초록/파랑 ~1.5 GeV
야릇한(strange) 쿼크 s -1/3 -1/2 빨강/초록/파랑 ~100 MeV
3세대
타우온 τ- -1 -1/2 0 1.784 GeV
타우온 중성미자 ντ 0 +1/2 0 < 70 MeV
꼭대기(top) 쿼크 t +2/3 +1/2 빨강/초록/파랑 178 GeV
바닥(bottom) 쿼크 b -1/3 -1/2 빨강/초록/파랑 ~4.7 GeV
. 물리학 소립자 사이의 상호간에 작용하는
. 기본적인 상호작용(Fundamental interaction, 基本相互作用)
“자연계 4대 힘” 등으로도 부름
상대적인 힘 영향범위 (m) 힘을 전달하는 Gauge입자
강한 상호작용 10^40 10^-15 Gluon *
전자 상호작용 10^38 무한대(세기는1/r^2에 비례) 광자(Photon)
약한 상호작용 10^15 10^-18 Boson (W.Z.) *
중력 상호작용 10^0 무한대(세기는1/r^2에 비례) 중력자
* 게이지 이론 : 게이지(gauge)란 단어는 "기준"을 의미
「게이지 원리」란 시공의 각 점 마다 기준의 방향을 바꾸어 이론을 기술해도
운동 방정식이 변하지 않다고 하는 기준이며 그것을 충족하는 이론 전반을
게이지 이론이라고 부름.
* Gluon이란, 중성자 내부에서 강한 상호작용을 전파 하는
스핀 1의 보스(Bose-Einstein condensation)입자
질량은 0 이며, 전하는 중성. 또 "色전荷"라고 불리는 양자수를 가져,
3종의 色전荷가 조합된 전부 8 종류의 Gluon이 존재함
* Z. Boson은 소립자물리학에서 약한상호작용의 게이지입자 가운데
전하(電荷)를 갖지 않는 것
□ 원자 구조의 개념
미디어.오늘, 2008.09.13.
. 원자는 + 전하를 지닌 양성자, 전하를 띠지 않는 중성자, 그리고 - 전하를 지닌 전자. 양성자와 중성자를 핵자, 이 핵자는 쿼크와 크기를 거의 차지하지 않는 렙톤이라는 소립자. 원자의 크기는 10^-10m, 핵자는 10^-14m, 핵자로 뭉친 핵의 주변을 돌고 있는 전자는 10^-19m 정도, 쿼크의 크기도 전자와 비슷함. 만약 핵자의 크기가 10cm라고 가정하면 전자는 0.1mm보다 작게 되고, 이렇게 작은 전자가 핵을 중심으로 지름 10km의 원을 그리면서 도는 형상 그래서 원자의 99.99%는 빈 공간
. +2/3의 전하를 갖는 업 쿼크 두 개와 -1/3의 전하를 갖는 다운 쿼크 하나면 양성자가 되고 업 쿼크 하나와 다운 쿼크 두 개면 중성자가 되고, 여기에 렙톤인 전자가 결합하면 원자가 됨. 렙톤 가운데는 매우 짧은 시간 동안만 존재하는 뮤온이나 타우온, 질량이 거의 없는 중성미자 같은 입자도 있음. 물질은 이처럼 스핀이 1/2의 홀수 배인 쿼크와 렙톤, 그리고 이들을 매개하는 스핀이 1/2의 짝수 배인 보존이라는 입자의 결합으로 구성됨
□ 우주를 구성하는 네 가지 힘 ; 강력, 약력, 전자기력, 중력
. 가장 흔히 볼 수 있는 힘은 중력이다. 질량을 가진 물체를 서로 끌어당기는 힘이다. 중력을 매개하는 중력자라는 입자를 가정하고 있지만 실제로 발견된 바는 없다. 중력자는 질량도 전하도 없다. 중력 만큼이나 친숙한 전자기력은 +와 - 전하가 서로 끌어당기고 같은 전하끼리는 서로 밀어내는 힘이다. 전자기력을 매개하는 입자를 광자라고 한다. 역시 질량은 없고 흔히 빛의 속도로 움직이는 전자기파의 형태로 존재한다.
. 흥미로운 것은 원자의 핵 안에서 같은 + 전하를 지닌 양성자들이 어떻게 그렇게 가까이 붙어 있을 수 있느냐다. 전자기력을 감안하면 서로 밀어내야 맞겠지만 입자물리학에서는 쿼크 사이를 묶는 전자기력보다 훨씬 강력한 힘이 있다고 가정한다. 전자기력보다 100배 정도 강한 이 힘이 바로 강력이다. 이 힘은 10^-15m 정도 아주 가까운 거리에서만 작용한다. 강력을 매개하는 입자를 글루온이라고 한다.
. 마지막으로 약력은 중성자가 양성자로 바뀌면서 전자와 반중성미자를 방출하는 과정에서 발견된다. 약력의 사정거리는 10^-17m로 강력보다 더 가까워야 한다. 약력을 매개하는 입자를 W보존과 Z보존이라고 하는데 문제는 이 입자들 질량이 각각 양성자의 86배와 97배에 이른다는 사실. 갑자기 엄청나게 무거운 입자가 생겼다가 쿼크의 성질을 바꾸고 사라지는데 이를 설명하기 위해 힉스 보존이라는 입자를 가정하기도 한다.
. 네 가지 힘 가운데 가장 센 것은 역시 강력이다. 전자기력은 강력의 100분의 1 수준이고 약력은 10만분의 1 수준이다. 가장 약한 것은 중력이다. 중력은 강력의 10^39 분의 1 수준이다. 과학자들은 이 네 가지 힘을 하나의 이론으로 설명할 수 있어야 한다고 보고 대통일 이론 등을 발전시켜왔지만 아직까지는 전자기력과 약력을 합치는 데까지만 성공한 상태다. 초끈이론이 현재로서는 해답에 가장 가까이 와 있다는 평가를 받는다.
■ 빛과 물질
글 김.해민 중에서 일부인용, 물질에 대한 역사적 과정 압축
. ......
. 뉴턴의 영향력 아래에 있었던 18세기 동안 빛이 작은 알갱이(미립자)로 구성되어있다고 믿었다.
. 하지만 1678년에 호이겐스(Christian Huygens)는 자신의 박사학위 논문인 "빛에 관한 논문"에서
뉴턴의 '미립자'이론에 맞서 빛이 마치 파도처럼 전파되는 파동이라는 주장을 내놓았다.
. 이 논문은 뉴턴의 그늘 아래서 빛을 보지 못하다가 100년이 지나 토마스 영(Young)의 빛의
회절/간섭실험을 거쳐 맥스웰에 의해 빛이 전자기파임을 증명되면서 다시 주목받았다.
. 1890년대에 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Plank)는 흑체에서 나오는 빛 (black body
radiation)의 독특한 물리적 특성을 설명하기 위해 노력하였다. 모든 물질은 자신이 온도가 높을
때는 빛을 내고 낮을 때는 흡수하는 성질이 있다. 그러므로 모든 파장의 빛을 흡수하는 물체
(검은 물체)는 반대로 모든 파장의 빛을 내놓기 때문에 흑체 보다 더 많은 에너지를 방사하는
물질은 없다.
. 이러한 생각으로 물리학자들은 빛을 모두 흡수하게 고안한 검은 상자를 흑체라고 불렀다.
아무튼 프랑크는 흑체의 온도에 따라 내보내는 빛의 스펙트럼을 관찰하였는데, 흑체의 온도가
증가함에 따라 그에 비례해서 빛의 색이 변하지 않았다. 고전이론으로 설명할 수 없었던 것이다.
. 1900년에 막스 플랑크는 이러한 현상을 설명하기 위해서 빛이 특정 크기를 갖는 다발(packet)로
가정했고 이것을 '양자(quanta)'라 불렀다.
. ......
. 1905년 당시 24세였던 젊은 과학자 아인슈타인은 빛(전자기파)은 입자와 같은 에너지 다발로 구성
되어 있다는 플랑크의 이론을 받아들여 금속판에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 광전자
현상을 정확하게 해석하여 발표하였다. 이후에 이 빛의 다발을 빛의 양자(quanta)화로 광자
(photon)라고 불렀다. 이로서 빛이 다시 입자적 성질을 가지고 있다는 것이 정설로 받아들여졌다.
. 빛에 대한 뉴턴의 입자 이론은 맥스웰의 파동이론에 의해 부정되었고 다시 이것은 막스 프랑크와
아인슈타인에 의해서 새로운 입자 이론으로 부정되었다. 처음 보기에는 모든 것이 다시 원점으로
돌아온듯 보이지만 다시 구식의 뉴턴 이론으로 돌아간 것은 아니다.
. ......
. 19세기까지만 해도 물질을 구성하는 가장 작은 단위가 원자라고 생각했다.
빛과 함께 당시 물리학자들 연구 대상은 물질의 구성과 관련된 원자의 구조였다.
. ......
. 그러나 1911년 러더퍼드(Rutherford Birchard Hayes)는 알파입자를 금 박막에 충돌시키는 실험을
통해서 원자 중심부에 양전하를 띈 원자핵이 모여 있다는 사실을 발견했다.
. 러더퍼드 원자 모델에서는 전자가 핵 주위를 원운동하고 있는데, 원운동을 하려면 전자가
지속적으로 운동의 방향을 바꾸어야 한다. 그런데 속도는 크기와 방향을 갖는 벡터(vector)양
이므로, 크기는 같더라도 방향을 바꾸면 속도는 변한 것이 된다. 여기서 문제가 발생한다.
속도가 변했다면 가속도 운동을 했다는 뜻이 되는데, 전자가 가속도 운동을 하면 전자기파가
발생해 운동 에너지를 잃어버리게 된다. 결국 운동에너지를 잃어버린 전자는 원자로 끌려
들어가 붕괴되어 버릴 것이다. 그러나 현실을 그렇지 않다.
. 원자 물리학의 아버지라 불리는 보어(Neils Bohr)는 우선 원자에서 전자는 특정한 불연속적인
궤도에만 존재할 수 있고 이 궤도에 있는 전자는 전자기파 방출과 같은 에너지 방출은 없다.
그리고 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 옮겨 갈 때는 궤도사이의 거리에 의존하는 에너지를
방출하거나 흡수한다.
전자가 원자핵과 충돌하지 않는 이유에 대해서는 해답을 주지는 못했다.
. 드브로이(Louis de Broglie)는 박사논문(1924년)에서 전자도 파동의 성질을 갖는다는 혁명적인
물질파 이론을 내놓았다.
. 미국의 실험 물리학자 데이비슨(Clinton Joseph Davisson)은 전자도 광파와 마찬가지로 회절
현상을 일으킨다는 사실을 발견해 드브로이의 이론을 뒷받침해 주었다. 물질파 개념은 보어의
원자모델에서 전자가 원자핵과 충돌하지 않는지를 설명해 주었다. 전자도 파동의 특성을 가지므로
원자핵 주의에서 '정상파'(standing wave)의 조건을 만족하고 있다면, 에너지를 잃어버리지 않고
존재할 수 있기 때문이다.
오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 드브로이의 전자에 대한 물질파
와 관련된 파동을 설명하기 위한 공식을 제안했는데, 이것이 양자역학의 본격적인 시작을 여는
유명한 슈뢰딩거의 파동방정식이다. 이 수식으로 원자 주의에 전자가 존재할 수 있는 에너지 준위
를 완벽하게 설명할 수 있게 되었다.
. 이와 거의 동시에 독일의 물리학자 하이젠베르크(Werner Heisenberg)도 원자에서 빛을 흡수하고
방출하는 여러 가지 패턴을 설명할 수 있는 양자 형식주의(formalism)에 대해 작업을 하고 있었고,
. 그 결과로 추상적인 수학적 형식주의를 통해 슈뢰딩거의 방정식에서와 같은 행렬역학을 발표했다.
이후에 하이젠베르크의 행렬역학과 슈뢰딩거의 파동방정식은 수학적으로 동일함이 증명되었다.
. ......
. 아인슈타인은 오랫동안 파동으로 알려져 있던 빛이 입자 처럼 운동한다는 것을 보여주었다.
그래서 빛도 중력의 법칙에 지배를 받는다고 제안했다.
이 제안은 실제 관찰에 의해 증명되는데, 개기일식 때 별빛이 태양 주위의 중력에 의해 휘는
현상이 관찰되었다(1919년). 빛은 물질의 또 다른 존재형태였던 것이다.
. 역으로 드브로이는 입자라고 생각했던 것이 본질적으로 파동성을 가지고 있음을 밝혀냈다.
입자성이란 일정한 공간에 국한되어 있고 서로 충돌하는 특성을 말하며, 파동성이란 전 공간에
퍼져있고 서로 충돌하는 것이 아니라 중첩하여 보강-간섭하는 성질을 말한다.
. 양-질의 전환양자역학에서 파동성과 입자성을 만족할 수 있는 물리적 해석을 처음으로 제안한
사람은 보른(Max Born)이었다. 일반적으로 파동성은 공간에 퍼져 있는 것이지만 입자성은 한
장소에 국한되어 발견할 수 있는 것이기 때문에 보른은 파동 방정식으로는 입자 자체를 기술할
수 없다고 생각했다. 그래서 고민 끝에 보른은 한 장소에서 파동함수의 세기는 (입자를 관찰 할 때)
그곳에서 입자를 발견할 확률을 나타낸다고 제안했다. 이 제안은 '파동함수가 특정 위치에서 입자
의 존재확률을 나타낸다'는 뜻이 아니다. 만약 그렇게 이해한다면 입자가 항상 명확한 경로를
지나간다는 것을 가정하는 것이 된다.
. 이중 슬릿 실험에서 전자가 두 슬릿(구멍)을 통과할 확률은 같다고 말하는 것은 스크린 상에 도달한
전자는 두 슬릿 중 적어도 하나를 통과한다는 가정에서 출발한다. 만약 그렇다면 간섭현상은 일어
나지 않는다. 그래서 보른의 해석은 파동함수가 특정위치(예를 들면 스크린)에서 입자를 관찰할
때 그 곳에 입자를 발견할 확률을 말하는 것이다.
. 현재까지 물리학자들은 양자역학 해석을 둘러싸고 크게 두 그룹으로 나뉘어져 있다. 한 그룹은 양자
역학의 확률적 특성은 아직까지 알려지지 않는 어떤 원인(숨은 변수)에 의해서 비롯된 것이라고
생각한다. 이 그룹에는 아인슈타인과 슈뢰딩거 그리고 드브로이가 있다. 또 한 그룹은 자연이
근본적으로 결정할 수 없는 요인, 즉 완전한 우연성에 의해 지배된다고 믿는다. 이 그룹에는 양자
역학의 주류를 형성하는 그룹으로 보어와 하이젠베르크가 있다.
□ 하이젠베르크와 불확정성 원리
자료인용 월간 뉴턴
. 속도나 운동량을 얻기 위해 작은 시간 간격 동안의 모든 위치를 관찰해야 한다.
보통 이것은 빛을 쬐어 관찰자의 눈이나 광학 장치로 반사된 빛을 관찰함으로써 수행할 수 있다.
이 과정의 정당성은 관찰되는 물체의 운동이 관찰을 위해 사용된 빛과의 충돌에 영향을 받지
않는다는 무언의 가정에 따른다.
. 고전 역학의 성공은 큰 물체에 적용할 때 빛의 산란에 의한 운동의 영향이 없다는 점이다.
그러나 이런 일반 과정을 원자나 분자 속에 있는 전자의 운동에 적용할 때 상황은 달라진다.
점광원에 의한 빛은 망원경이나 현미경에 점상으로 맺혀지지 않는다. 상은 언제나 회절에 의해
약간 흐려지며 이 흐려짐이 빛의 방향을 재는 데 불확정성을 야기시킨다.
. 회절이란 빛의 고유 성질이며 빛의 파동성에 기인한 불가피한 성질인 것이다.
흐려진 회절상은 파장에 비례하는 위치에 불확정성을 준다. 불확정성을 줄이기 위해 가능한
짧은 파장과 큰 렌즈를 쓰는 것이 좋다. 가장 짧은 가시광선의 경우 위치의 불확정량은
약 6×(10의 -10제곱)m이다. 이것은 대부분 원자 지름의 600배이다.
그러므로 가시광선은 원자 안에서 전자의 정확한 위치 변화를 아는 데 부적합하다.
. 빛은 파동 성질 이외에 다른 성질이 있다. 빛은 파동 운동과 광양자의 흐름이라는 이중성을 갖는다.
전자에 빛을 쬐었을 때 빛의 산란 과정에 기본적인 불확실성이 존재한다.
어떤 광자는 영향이 없고, 어떤 광자는 여러 각도로 산란된다.
광자의 방향 변화는 운동량의 변화를 의미한다.
. 운동량 보존 법칙에 따라 전자의 운동량도 변한다. 이것은 통계적이고 임의적으로 일어난다.
그러므로 산란 후 전자의 운동량에 불확정성이 있다.
전자 운동량의 불확정도는 빛의 파장이 길수록 적다. 그러므로 전자 운동량의 정확한 측정에
요구되는 조건은 위치의 정확한 측정에 요구되는 조건에 위배된다.
. 자세한 분석 결과 위치의 불확정성(Δx)과 운동량의 불확정성(Δp)의 곱은 언제나 h/4π보다
크다는 것을 알았다. 이런 기본 결과는 1927년 하이젠베르크에 의해 인식되었으며, 하이젠베르크
의 불확정성 원리로 알려져 있다.
. 그것은 어떤 나이의 사람의 사망에 대한 확률표가 어떤 특정인의 수명에 대한 단언과 관계없는
것과 같다.
□ 양자역학 특유의 고유 현상
양.형진
. 비연속성(discreteness),
. 파동과 입자의 이중성(duality),
. 양자상태의 중첩, 측정에서의 양자상태의 붕괴, 불확정성(uncertainty),
. 디랙의 진공, 양자상태의 얽힘(entanglement)에 따른 비국소성과 비분리성 등
■ 끈 이론
string theory (1)
. 1960년대에 강력을 설명하고, 아인슈타인의 상대성이론, 양자역학을 통합하기 위해 개발된 이론
. 세상을 이루고 있는 기본 단위를 1차원 공간을 점유하는 끈으로 보는 물리학의 이론
. 개요
. 물리학에서 기본단위 : 기존 이론 - 0차원의 점(point)인 입자(소립자)
끈 이론 - 1차원 공간을 점유하는 끈
. 점입자 이론이 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있음
. 무엇보다도 끈을 양자화하면 스핀이 2인 입자가 있어야 하는데, 이를 중력자로 해석할 수 있음
. 아직 끈 이론을 비롯한 물리학의 어떤 이론도 양자 중력 이론을 완성해내지 못한 상태
. 끈을 기술하는 변수가 보존(boson)인 끈 이론을 보존 끈 이론(bosonic string theory)이라고 하고,
. 이의 초대칭(페르미온)쌍을 도입한 초대칭 끈 이론을 초끈 이론(superstring theory)이라고 함
최근에는 통칭적으로 끈 이론이라 함
. 기본 성질
. 끈을 기술하는 방정식은 고전 역학에 이미 잘 알려져 있으며
. 끈을 양자화할 때, 양자 효과에 의해 고전적인 끈이 가지고 있는 대칭성(푸앙카레 대칭성)이
일반적으로 파괴되는데, 이 대칭성은 특정한 공간 안에서만 깨지지 않음
. 보존 끈 이론은 26차원, 초끈 이론은 10차원에서만 모순 없이 존재함
. 열린 끈과 닫힌 끈
. 끈은 열린 끈과 닫힌 끈을 생각할 수 있음
. 닫혀 있는 끈 만으로도 이론을 만들 수 있으나 열린 끈 이론은 닫힌 끈을 포함해야 함
. 왜냐하면 열린 끈 두개가 붙어서 닫힌 끈을 만들 수 있기 때문
. 닫힌 끈의 특징은 (편의상) 왼쪽으로 전파하는 진동과 오른쪽으로 전파하는 진동이 독립적
. 이 진동을 양자화 하게 되면, 진동을 하고 있는 상태가 입자의 특징을 결정함
. 바이올린 하나가 여러 음색의 소리를 내는 것과 같이,
줄 하나의 진동하는 모양이 입자의 성질(질량, 스핀 등)을 결정한다는 것
. 공간 말기와 숨겨진 6차원
. 앞서 말한 조건 때문에 끈 이론은
. 우리가 사는 4차원의 시공간 이외에 여섯 차원이 더 있다는 것을 예견함
. 그러나 시공간 10차원 중에서 6차원은 왜 미시적인 공간에 있어야 했는지는 확실치 않고,
. "거시적인 4개 차원은 차원수가 적어서 미시적인 차원에서 쉽게 빠져나올 수 있었다" 라는 추측만
있을 뿐이다.
. 그러나 "칼라비-야우 다양체"가 6개 차원이 함축된 공간이라 추측되고 있는데,
. 이들은 기하학적으로는 달라도 물리학적 성질이 완전히 같은 대칭짝을 갖고 있음
. 상대성이론과 양자역학의 통합
. 상대성이론에 의해서는 질량이 없을 때는 공간이 완전히 편평한 반면,
. 양자역학은 질량이 없어도 플랑크 길이 이하에서는 양자적 요동으로 시공간이 비틀린다고 주장
. 초끈이론은 1차원적 공간을 가지고 있었기 때문에 스핀 대칭(초대칭)으로
. 보존(스핀수가 정수인 입자)과 페르미온(보존의 스핀대칭짝으로 스핀수가 분수형태)을 통해
양자적 요동이 상쇄되면서 상대성이론과 양자역학은 통합됨
. "무한대" 밀도 오류의 해결
. 현재 점입자에 기초한 우주론에서 빅뱅 - 인플레이션 직전에 있었다고 생각되는 시점은,
부피는 0에 질량은 어떠한 거대한 수(무한대가 될 수는 없다)라고 보기 때문에
밀도가 무한대라는 결과가 나옴(참고로 화학에서 절대 0도에서 부피는 0이 된다고 추측)
. 그러나 밀도가 높은 것은 가능하지만 밀도가 무한대라는 것은 현실적으로 불가능
그것은 점입자의 차원이 0차원이었기 때문
. 그러나 초끈 이론에 의하면 초끈은 1차원이기 때문에
부피가 0인 것은 불가능하기 때문에 밀도가 무한대인 것 자체가 오류라는 결론
. 약전자기력과 강력의 통일
. T.O.E (Theory of everything, 통일장 이론)
. 비록 초고온에서지만 물리학은 약력 - 전자기력 - 강력이 같은 힘임을 알아낼 수 있었음
그러나 중력은 "중력자" 등도 발견되지 않는 등 약전자기력과 강력과 같이 같은 힘인지 모르고 있음
. 중력이론(통일장 이론)의 경우 초끈이론, LOQ, 초중력이론 등이 제안되고는 있으나
아직 어떠한 것도 완전히 해결해 주지는 못함 (단, 초끈이론이 가장 강력한 후보)
. 초끈 이론의 종류와 M이론
10차원에서 모순 없는 초끈 이론은 5가지가 존재
. Type I , Type IIA , Type IIB , E8xE8 헤테로 , SO(32) 헤테로
. 초끈이론의 미래
. T.O.E. 의 후보 중 하나라고 여겨지는 초끈 이론의 경우에도 문제는 있음
. 실험적으로 증명된 것이 없음
. 칼라비-야우 다양체, 초대칭짝, 플럽변환과 오비폴딩, 기타 초끈이론의 이론 모두 틀릴 가능도 있음
. 섭동이론을 사용하고 있기 때문에 근사값만이 확인됨
. 초대칭이론
. 입자의 특성을 스핀과 연관시킨 이론으로서 여러 개의 동일 입자가 있을 때 2개의 입자를 바꾸더라도
같은 상태를 유지한다는 변환대칭성을 이용하여 초끈이론을 설명함
. 초대칭은 양자역학적으로 다른 성질을 갖는 페르미온 (양성자, 중성자, 전자 등 원자의 구성물질)과
보존 (당기거나 미는 힘의 특성을 갖는, 광자, 중력자, 전자기력 등) 사이를 이어주는 대칭임
□ 끈이론의 배경
Fm 남.순건 교수 기고문 중
......
20세기가 과학의 세기로 자리 잡는 데 가장 결정적인 역할을 한 것은 물리학이 이룩한 두 가지 발전, 즉 양자론과 상대론이다. 양자론은 미시의 세계에 적용되는 물리법칙이다. 이를 떠나서는 원자력, 반도체, 레이저 등을 설명할 수 없다. 뉴턴의 역학이론이 원자의 세계에서는 전혀 손을 쓸 수 없게 된다. 수천 년 동안 누적된 인간의 상식과 수백 년 동안 쌓인 물리학의 모든 지식을 무너뜨린 것이 양자역학이다. 이런 양자론은 중력이 있는 물리계에서는 심각한 모순에 빠지게 된다. 물리법칙 두 가지가 서로 모순이라는 것은 이 두 가지를 아우르는 더 큰 이론적 체계가 반드시 있어야 한다는 것을 강력하게 시사한다.
이러한 무모순의 양자 중력 이론체계로서 끈이론이 등장한다.
끈이론은 매우 간단한 가정에서 시작한다. 자연의 근본 물질이 1차원적인 끈으로 이루어져 있다는 것이다. 단 한 가지 구성요소인 끈들의 진동으로 자연계의 모든 것을 설명하는 끈이론에서는 10억분의 1센티미터 정도의 매우 작은 끈들로 만물이 이루어져 있다고 한다. 1m를 156억 광년의 우주 크기 정도로 확대하면 끈의 크기는 대략 1cm 정도가 되는 것이다. 원자 하나를 우리의 은하계만큼 크게 만들었을 때 끈은 1cm 정도밖에 되지 않는다. 그러나 유한한 크기를 가지고 있다는 것은 자연의 기본단위가 무한히 작은 크기의 점으로 이루어져 있다는 것과는 엄청나게 다른 물리학을 제공한다. 끈이론 속에 중력이론이 들어 있다는 것이 1975년경 처음 알려졌다. 그리고 1984년 양자론과 중력을 아우르는 양자중력이론의 가능성이 있는 끈이론 하나가 발견되었다. 결국 5개의 끈이론이 알려지게 되었다. 끈이론에서는 여분의 차원, 즉 우리의 시공간에 4차원 외에도 작게 말려 있는 6개의 차원이 더 있으며, 특별한 여분의 차원을 잘 찾으면 입자물리의 모든 현상을 잘 설명하는 이론을 만들어 낼 수 있을 거라 기대했다. 사람들은 유일무이한 해답이 끈이론 속에 들어 있을 것이라 생각했으며 끈이론은 '모든 것의 이론'이라고 불렸다.
......
■ 끈이론 설명2 인용자료 : Fm 다음카페 연우공방
□ 끈 이론의 대두 배경
현대 물리학은 두개의 커다란 주축돌 위에 건축되어 있다. 그 중 하나는 천문학적 스케일에 적용되는 아인슈타인의 일반 상대성이론이며, 다른 하나는 원자 이하의 초미세 영역에 적용되는 양자역학이다.
중력이 작용하는 우리 우주의 시공간을 설명하는 상대성이론과, 초미세 영역의 양자역학은 현실을 설명하는데 틀리거나 오류를 범한 적이 없는 이론이라고 믿어지고 있다. 그러나 이 두 이론을 동일한 하나의 대상에 적용시키면 엉망이 되어버린다는 것을 과학자들은 알게 되었다.
상대성 이론에 의하면 우리가 살고 있는 시공간은 부드러운 곡선을 그리며 휘어져 있는 중력장으로 표현되는데, 이것이 극미세 영역(원자 이하의 세계)으로 가면 양자역학의 불확정성 원리에 의해 그야말로 마구잡이로 왜곡된 공간이 되어버리는 것이다.
우주가 탄생한 과거로 거슬러 올라가 초창기 우주의 성질을 이해하기 위해 두 이론을 극미세 영역에 동시 적용하여 보면 물리학은 휘청거리기 시작한다.
어떻게 하면, 오류가 없는 두 개의 이론을 하나로 통합시킬 수 있을 것인가?
상대성 이론도 다치게 하지 않고, 양자역학도 다치지 않게 하면서, 이 우주의 미시세계와 거시세계를 하나로 설명한 방법은 없는가? 이 문제를 해결하기 위해 탄생한 것이 바로 끈이론이다.
□ 끈이론은 무엇인가
빛(광자)이나 전자 등의 입자는, 점이 아니라, 고무줄 같은 끈(string)의 형태로 이루어져 있다는 것이 끈이론의 출발점이다. 끈(고무줄)의 길이는 약 10^-33 ㎝일 것으로 추정되고 있으며, 이 고무줄 모양의 입자는 끊임없이 진동하고 있다.
바이올린의 줄을 퉁기면, 진동수에 따라 다양한 소리가 난다. 줄에서 나오는 높은 소리는 높은 진동수에서 나오고, 낮은 소리는 낮은 진동수에서 나오며, 소리의 맵시도 진동의 형태에 따라 달라진다.
이렇게 끈의 진동방식에 따라 각각의 입자가 분류된다고 끈이론은 말한다.
원자핵 내부에 양성자와 중성자만 있는 줄 알았는데, 양성자와 중성자를 이루는 더 작은 입자인 쿼크가 발견되고, 스핀이 다른 쿼크의 종류도 늘어갔으며, 물질의 반입자들이 발견되었다.
끈이론은 이것에 대한 설명을 고유의 진동 패턴을 갖는 끈(string)이 서로 다른 진동수로 파동을 그리기 때문에 다양한 입자들로 우리에게 인식되어진다는 것이다.
마치 바이올린의 현(絃) 하나가 다른 진동수로 진동하면서 다양한 음을 만들어 내는 것과 같은 이치라는 것이다.
□ 차원의 분리(Dimensional Split) - 10차원
우리가 살고 있는 친숙한 우주는 3차원의 공간에 1차원의 시간이 합쳐진 4차원의 시공간이다.
그런데, 끈 이론은 우리에게 친숙한 4차원의 시공간에서는 성립하지 않으며, 끈 이론이 성립하려면 더 많은 공간이 필요하다고 한다. 하지만, 끈이 살고 있는 세계에 필요한 여분의 공간은 우주탄생 이후 아주 짧은 순간 동안만 필요하고, 그 이후에는 우주가 진화하는데 그 여분의 공간은 없어도 된다고 한다.
이러한 현상을 설명하는 끈이론의 가설들 중 하나는, 우주의 창조 사건 후 10의 -43 제곱 초가 될 때 차원이 갈라졌고, 이 순간에, 10차원의 팽창하는 우주가 둘로 갈라졌다는 것이다.
그 하나는 팽창을 멈추어서 아무런 물질도 생성하지 않는 6차원 공간이 되고, 나머지는 우리에게 친숙한 4차원 시공간(시간과 길이*너비*높이의 차원)으로서 계속 팽창해서 결국 물질, 은하, 별 등을 형성하는 우리 우주라는 것이다.
우주가 차원이 갈라지는 것에 대한 또 다른 가설들 중 하나는, 우리의 인식 너머에 있는 6차원이 초공(superball) 속에 말려져 있다는 가설이다. 즉 우주가 탄생할 때, 이들 공간 차원이 풀리기 시작하다가, 10의 -43 제곱 초 후에 이들 중 6개의 차원에서는 풀리는 것이 멈추었고, 현재 우리가 보는 4차원의 시공간이 남았다는 것이다. 풀리는 것이 멈춘 6차원은 10의 -35 제곱 미터 이하의 지름을 갖는 공(ball) 안에 말려 있는 상태로 남아 있지만, 우리 인간의 지적능력으로는 그게 어디 있는 지 정확히 모른다. 우리 인간의 측정 능력은 길이, 너비, 높이, 시간의 4차원에 제한되어 있기 때문이다.
□ 끈이론의 전망
양자역학과 아인슈타인의 일반상대성 이론이 어떻게 통합될 수 있는지, 그리고 어떻게 자연계의 네가지 힘(강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력, 중력)이 통일될 수 있는지를 해결한 유력한 후보로서, 끈이론은 전혀 손색이 없다.
그러므로 과학자들은 끈이론 이야말로 모든 것을 하나로 통일하는 만물의 법칙(Theory of Everything)이 될 것이라고 말하고 있다.
■ 끈이론 (3), 그 과거와 미래인용 : Fm 한국물리학회, 박.동수· 박.정혁· 이.수종 (관련상식을 위한 일부만을 발췌) 끈이론의 개요와 발전 과정을 가능한 비전문가를 위한 평이한 용어로서 소개한다. 중점을 두는 것은 이론의 개념적인 측면, 현상론적인 측면, 그리고 앞으로의 전망이다.
□ 개 요
역사를 통해 우리는 물질의 궁극적인 구성입자와 그 입자들간의 상호작용이라는 것이 실은 당시 실험실에서 다룰 수 있는 길이의 짧은 정도에 따라 계속 변해왔다는 것을 알 수 있다. LEP이나 CERN에서 행해진 놀라울 정도로 정밀한 가속기 실험 결과에 따르면 이른바 페르미 스케일 즉 10^-17 미터까지의 정밀도로는 쿼크, 렙톤, 게이지 보존들이 강한 핵력과 전자기 약력을 형성하는 기본 입자들이며 이들은 부피가 없는 점처럼 보인다. 하지만 이보다 훨씬 작은 플랑크 스케일 즉 10^-34 미터의 정확도로 보면 물질을 구성하는 궁극적인 단위는 점이 아닌 굵기가 없는 끈이라는 것이 끈이론의 핵심 사항이다. 그 이유는 중력과 관련이 있다. 중력은 고에너지로 가면 점점 강해지면서 양자적인 기술을 요하는데 여태까지 알려진 중력을 양자화하는 유일한 이론은 끈이론이며 이 이론의 기본 구성요소는 바로 고무줄과도 같은 끈이기 때문이다. 고무줄과 다른 점이 있다면 끈(string)은 플랑크 스케일에 해당하는 질량과 장력이 있으며 상대론적으로 움직인다는 것이다. 이 결과 끈은 오직 10차원 시공간에서만 존재할 수 있다. 물질의 궁극 단위를 점이 아닌 끈으로 보고 끈들 사이의 상호작용을 섭동적으로, 따라서 약하게 상호작용하는 끈들에 대해 주로 연구했다는 것이 80년대 끈이론 학계의 주요 동향이었다고 할 수 있겠다.
90년대에 들어 우리는 강하게 상호작용하는 끈들에 대한 비섭동적인 놀라운 결과들을 얻기 시작하였다. 이 중 한 가지는 끈이 물질의 궁극 단위라는 것이 실은 또 변할 수 있다는 점이었다. 상호작용이 강해지면 끈들은 다시 중력자라 불리는 점과 같은 입자들로 이루어져 있는 것으로 보인다. 무엇보다도 이 중력자들은 끈들이 사는 10차원이 아닌 이보다 한 차원 높은 11차원에 살게 되며 이 늘어난 차원은 바로 플랑크 상수 h를 기하학적으로 구현해 준다. 이러한 이론을 현재 우리는 M-이론이라 부르고 있다.
요약해 말하면 페르미 스케일까지는 물질의 궁극단위는 점으로 볼 수 있으며 그 이하의 플랑크 스케일에서는 끈이 된다. 하지만 끈들 사이의 상호작용이 강해지면 플랑크 상수는 여분의 일 차원으로 변환하며 모든 끈들은 11차원에 사는 두께가 없는 막(membrane)이 된다. 이 막들이 바로 M-theory의 미소 기본 단위이며 이들에 대한 바른 기술방식이 밝혀지는 날 우리는 역사상 처음으로 양자역학과 중력 그리고 시공간 기하를 통일하는 꿈의 이론을 실현하게 된다.
□ 시공간, 양자역학 그리고 끈이론
물질세계에 대한 깊은 이해는 언제나 서로 다른 물리 이론들이 충돌할 때 이를 해결하는 과정에서 얻어졌다. 무엇보다도 이러한 진보는 서로 전혀 달라 보이는 현상들에 대해서 동일한 근본 이유를 밝힘으로서 이루어져 왔으며, 기존 물리 개념들에 대한 혁신적인 변화를 수반해왔다. 이런 예들을 자연의 기본 상수들인 빛의 속도 c, 플랑크 상수 h, 중력상수 G와 연결시켜 살펴보자.
전기장과 자기장에 관한 모순되었던 당시 이론은 맥스웰(Maxwell)로 하여금 전기와 자기를 통합하는 전자기이론을 내놓게 하였으며 이 이론이 갖는 전자기 방정식의 해에는 빛의 속도로 전파하는 전자기파가 있음을 알게 되었다. 하지만 맥스웰의 전자기 이론은 갈릴레이의 상대성 원리와 모순되는 것이었다. 즉 (t, x) ->(t, x-vt)의 갈릴레이 변환에 대해 맥스웰의 전자기 법칙들이 변한다는 것이다. 말하자면 법칙이 법칙이 아닌 셈인데 이는 심각한 문제였다. 곧 로렌츠(Lorentz)는 갈릴레이 변환대신 비선형적인 시간과 공간 좌표를 서로 섞는 이른바 로렌츠 변환을 취하면 맥스웰의 전자기 법칙이 불변임을 알게 되었으나 그 물리적인 의미는 여전히 미궁 속에 있었다.
이러한 문제들에 대한 해결책으로 아인슈타인(Einstein)은 특수상대성 이론을 제창하게 된다. 특수상대성이론에서는 광속불변을 기본 가정으로 시공간을 재해석하는 과정을 통해 로렌츠 변환을 유도하게 된다. 갈릴레이 상대론에서는 전혀 다른 개념이었던 일차원 시간과 삼차원 공간이 아인슈타인 상대론에서는 합쳐져 사차원의 시공간을 이루며 광속은 이 둘을 연결해주는 불변의 상수로서 이해된다. 즉 Δx=c×Δt. 광속의 크기는 인간의 일상생활의 단위로 보아서는 매우 크기 때문에 실질적으로는 아인슈타인 상대론을 갈릴레이 상대론으로 근사적으로 대체할 수 있다.
고전 역학에서 입자와 파는 근본적으로 다른 개념이다. 예를 들면 입자는 에너지(E)와 운동량(P)을 가짐에 반해 파는 진동수(ω)와 파속(k)을 지닌다. 이러한 차이는 우리의 일상적 관찰 스케일로는 자연스러워 보인다. 하지만 원자나 그 이하의 스케일에서는 그 구분이 모호해진다. 즉 입자의 성질과 파의 성질이 서로 섞여 함께 나타나게 된다. 이러한 "입자와 파의 이중성(particle-wave duality)"이라 칭해지는 이 혼성현상은 입자와 파를 하나의 단위인 양자(quantum)로 통합하여 보게끔 하며 플랑크 상수가 이 둘을 연결해준다.
(E,P,e)=h ×(ω,k,1/g). (1)
여기서 플랑크 상수의 값은 h= 6.67&×10^-34 J sec로 주어지며 뉴턴의 고전 역학은 양자의 운동법칙을 기술하는 양자역학(quantum mechanics)으로 대체된다. 위의 입자-파의 이중성 공식 (1)이 함의 하는 바는 바로 에너지, 운동량, 각운동량 그리고 심지어 전하량(e)마저 양자화 된다는 것이다. 하지만 플랑크 상수는 일상적인 기준으로 볼 때 매우 작기 때문에 이런 입자-파의 이중성을 직접 관측하기란 그리 쉬운 일이 아니다. 이러한 이중성 관계들 중에서 전하량의 양자화는 최근의 게이지 이론에 관한 비섭동적 특징들을 밝혀내는 연구들에 있어 중추적 역할을 하고 있다. 전하량 e는 전자와 전자기장의 상호작용의 크기를 나타내며, 입자와 파의 이중성은 g=h/e라는 크기로 자기단극자(magnetic charge)와 이에 상응하는 대칭 전자기장 (dual electromagnetism)이 상호작용을 함을 말해준다. 자기단극자는 아직까지는 실험을 통해 검출된 바 없는 이론적으로만 존재하는 입자이며, 대칭 전자기장에서는 원래의 전기장과 자기장의 역할이 서로 뒤바뀌게 된다. 입자-파 이중성 공식이 말해주는 또 다른 사실은 강하게 상호작용하는 전자기장 e >>1을 약하게 작용하는 대칭 전자기장 g <<1을 통해 탐구할 수 있다는 점이다. 물론 이의 역도 가능하다. 이러한 아이디어들을 확장하면 우리는 S-양면성이라 불리는 강한 상호작용-약한 상호작용의 이중성을 얻게 되는데 이를 통하면 다른 방법으로는 연구하는 것이 불가능하던 게이지 이론의 비섭동적 성질들을 규명할 수 있게 되어 새로운 연구 지평을 연 것으로 평가 받는다.
맥스웰의 전자기 이론에서는 자기단극자가 존재하지 않으며 따라서 전자-자기단극자 이중성을 가지고 있지 않다. 이를 극복하기 위해 디락(Dirac)은 자기단극자를 도입함으로써 맥스웰의 전자기 이론을 확장하게 된다. 하지만 이 이론의 문제점은 자기단극자가 무한대의 에너지를 가지게 된다는 점이다. 우리는 70년대에 와서야 토프트('t Hooft)와 폴리야코프(Polyakov)로부터 비가환 게이지이론(non-Abelian gauge theory)에서는 유한한 양의 에너지를 갖는 자기단극자가 있을 수 있다는 것을 알게 된다. 이 발견은 게이지이론에서의 강한 상호작용-약한 상호작용의 이중성을 연구하는 시발점이 되었으며 마침내 끈이론 발전사에 있어 2차 혁명이라고까지 하는 S-양면성 가설을 태동하게 된다.
아인슈타인은 시공간의 등가원리를 발견함으로써 뉴턴의 중력이론을 시공간의 기하학적인 문제로 다시 적을 수 있었다. 따라서 아인슈타인의 상대론은 중력과 시공간 기하를 통합했다 할 수 있는데, 구체적으로 중력은 물질이 지닌 에너지와 운동량에 의해 시공간이 휘는 현상으로 해석된다. 단위 에너지당 시공간이 휘는 정도를 나타내는 비례상수는 다름 아닌 중력상수 G로 주어지는데 그 값은 플랑크 질량 Mp와 제곱의 관계에 있으며, 즉 G=(1/8π^2)Mp^2, 플랑크 질량의 값은 Mp=2.23×10^-7 kg으로 매우 작다.
지금까지 살펴본 바와 같이 자연의 세 상수, c, h, Mp는 세 가지 통합 이론, 즉 특수 상대성 이론, 양자 역학, 일반 상대성 이론들이 만들어질 때마다 도입되어 왔음을 알 수 있다. 더 나아가 우리는 이들 모두를 통합하는 이론을 생각해 볼 수 있는데 이중 특수 상대성 이론과 양자 역학이 합쳐져 상대론적 양자장 이론이 탄생하였다. 이 이론의 특성 중 하나는 가상의 입자와 반입자간의 끝없는 생성 소멸로 인해 항상 이론의 계산 결과가 무한대가 된다는 것이다. 따라서 물리적으로 의미 있는 양들을 계산하기 위해서는 소위 재규격화라는 과정을 거쳐야 하는데 이 재규격화의 가능 여부가 20세기 입자 물리 발전의 핵심적 요소 중 하나였다.
양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합 시도는 양자 중력론이라 불리는 연구 분야를 낳았으나 그리 흡족할 만한 결과를 못 내고 있다. 이러한 실패의 근본적 이유는 양자 중력론이 재규격화가 가능하지 않은 이론이라는 점에 있다. 즉 어떠한 규격화된 따라서 유한한 양의 계산결과만을 가지는 모델로도 양자 중력론을 얻을 수 없었던 것이다. 일반 상대성이론은 고전적으로는 매우 아름다운 이론이나 양자화 하려는 시도는 항상 처참한 실패로 관철되어 왔던 것이다.
끈이론은 이러한 양자 중력론이 가지는 문제들을 모두 해결해주며, 사실 끈이론은 여태까지의 이론들 중 유일하게 자기 모순이 없는 중력을 양자화 시키는 이론이다. 물질의 궁극적인 구성 단위를 끈으로 보고 현상학적으로 달라 보이는 여러 입자들을 끈의 각기 다른 진동으로 해석함으로써 기존의 양자장 이론이 가졌던 무한대의 발산 값들은 끈이론 계산에서는 모두 서로 상쇄하게 되어 나타나지 않게 된다.
□ 오래된 측면: 섭동적 끈이론
80년대는 누군가 말했듯이 끈이론의 첫 번째 혁명적 시기였다. 이 기간 동안 우리는 끈들이 약하게 상호작용을 할 때는 다섯 가지 형태의 끈이론들이 존재하며 이 다섯 이론들 모두 양자역학과 부합하기 위해서는 끈은 10차원에 살아야 한다는 것을 알아냈다. 그러나 한편으로는 하나가 아닌 다섯 가지의 끈이론이 존재한다는 사실은 끈이론이 모든 자연현상을 기술하는 궁극의 최종이론이 아닐 수도 있다는 의구심을 불러일으킨 것 또한 사실이다. 두 번째 혁명적 시기인 90년대에 이르면 우리는 끈이론의 여러 비섭동적인 측면들에 대한 이해를 얻게 된다. 그리고 이제는 끈들이 강하게 상호작용을 할 경우 다섯 가지의 끈이론 모두 M-이론이라 불리는 하나의 통합된 이론으로 귀결한다고 말할 수 있게 되었다. 여기서는 후의 비섭동 끈이론 또는 M-이론에 대한 고찰에 앞서 다섯 가지 섭동 끈이론들에 대한 대략적 소개를 하기로 한다.
두 끝이 연결된 마치 고무줄 고리와도 같은 닫힌 끈(closed string)을 우선 고려해보자. 끈의 운동은 끈의 공간 좌표 σ와 시간 좌표 τ의 두 변수를 좌표로 갖는 세계면이라 불리는 이차원공간에서 시공간상의 끈의 좌표 X(σ,τ)로 가는 함수와 끈의 장력 T=1/ls2t로서 기술할 수 있다. 여기서 lst은 끈이론의 기본 길이 단위이다. 끈의 좌표는 파동방정식을 만족하는데 이를 닫힌 끈에 대해 풀면 닫힌 끈은 오른쪽 진행모드와 왼쪽 진행 모드가 각기 존재함을 알 수 있다.
X(σ,τ)=XL(τ +σ)+XR(τ-σ) (2)
끈의 양쪽 끝이 연결되어 있다는 경계조건을 고려하면 각각의 진행 모드는 다시 무한히 많은 진동모드들로 나뉜다는 것을 알 수 있다. 장력과 더불어 질량밀도가 무한대가 되는 l
st
->0인 극한을 살펴보면 끈들이 마치 딱딱한 강체처럼 움직인다는 것을 알 수 있다. 이때 남는 운동 형태는 이 강체화 된 끈들의 직선 운동뿐이다. 일반적인 lst의 값에 대해서는 여러 진동모드들이 함께 할 수 있게 되는데 이 진동모드들은 끈에 각운동량과 1/l
st
단위의 에너지를 더해주게 된다. 따라서 각각의 진동모드를 갖는 끈들은 일정한 질량과 스핀을 갖는 입자들로의 해석이 가능하다.
□ 약하게 상호작용하는 끈들
80년대의 일차 끈이론 혁명기간 동안 우리는 다음과 같이 다섯 가지의 끈이론들을 알아냈다.
(1) 보즈 끈(Bosonic String)
첫 번째로 소개하는 보즈 끈이론은 가장 간단한 이론이며 양쪽 끝이 닫힌 끈과 열린 끈으로 구성되어 있다. 닫힌 끈에는 시계방향 진동 모드들과 반시계 방향 진동 모드가 각기 있으며 열린 끈에는 정상파 형태의 진동 모드가 존재한다. 보즈 끈이론이 양자역학적으로 정합적이기 위해서는 끈들이 26차원에 있을 것을 요구해야 한다. 진동 모드들 중에는 영점 모드에 따라 영의 질량을 갖는 것들이 있는데 닫힌 끈에는 우선 스핀 값이 2인 중력자들이 그리고 열린 끈에는 스핀 값이 1인 게이지 보존이 자리하게 된다. 이 외에 닫힌 끈에는 스핀 0의 딜라톤이라 불리는 입자와 반대칭적 스핀 2의 입자가 중력자와 질량 영인 입자 군에 속해 있다. 다른 모든 높은 진동 모드들은 질량이 1씩 증가하게 된다.
이 끈이론은 두 가지 측면에서 불완전한 이론이다. 하나는 허수의 질량의 타키온을 가진다는 것이고 둘째는 자연의 근본 상호작용을 기술하는데 필수 불가결한 이른바 카이랄 페르미온(chiral fermion)이 없다는 점이다. 이러한 문제들은 시공간 초대칭성을 도입함으로써 해결될 수 있는데 이를 통하면 우리는 다음의 초끈 이론들을 얻게 된다.
(2) IIA형 초끈 (Type IIA Superstring)
(3,4) E8×E8, SO(32)/Z2 이형 끈(heterotic string)
(5) Type I 초끈
□ 점입자 극한
일반적으로 끈의 진동자들 각각은 스핀 J, 질량 M인 입자에 대응한다. 따라서 끈이론은 이러한 무한히 많은 입자와 그 상호작용을 기술하는 장 이론과 동등하다고 할 수 있다. 혹자는 그러므로 끈이론이 무한히 복잡할 수도 있다는 인상을 받을지도 모른다. 하지만 끈이론의 매개 변수들의 적절한 극한을 취함으로써 우리는 이러한 문제를 피할 수 있다. 가령 끈의 장력이 무한히 커질 때 끈은 요동을 멈추게 되고 따라서 단순히 점입자로 취급이 가능하다.
……
□ 초끈 현상론과 초끈의 강한 결합
끈이론이 중력을 포함한 자연의 모든 상호작용을 통합하는가? 한 가지 확실한 점은 끈이론은 이 모든 요소를 다 갖추고 있다는 것이다. 다시 말해서 중력, 충분히 큰 게이지 군, 그리고 이들과 결합하는 카이랄 페르미온 등을 고루 갖추고 있다는 것이다. 그러면 우리가 낮은 에너지 영역의 현상인 전자기약력 현상을 기술함에 있어 끈이론을 고려할 필요가 있는가? 위튼이 지적한 바에 따르면 그럴 필요가 있다는 것이다. 뿐만 아니라 표준 모형을 주는 끈이론은 강한 결합 영역이어야만 한다는 것이다. 그간 E8×E8군의 이형 끈이론은 낮은 에너지와 낮은 결합에서 현상론에 잘 적용되어 왔다. 구체적으로 4차원 외의 나머지 공간이 6차원 칼라비-야우 다양체 X6 모양인 E8×E8군 이형 끈이론을 고려해 보자. 그러면 그에 따라서 얻어지는 현상론은 다음의 특성을 가진다.
……
□ 끈이론의 솔리톤 및 비섭동적 양면성
어떻게 강하게 결합된 끈이론의 성질을 알 수 있는가? 이 문제는 끈이론 뿐만 아니라 장론의 경우에도 쉽지 않은 문제이다. 왜냐하면 우리는 이러한 문제를 다루는 체계적인 방법이 전혀 없기 때문이다. 통계역학이나 장론의 경우 솔리톤이나 또는 위상 계수 값이 영이 아닌 장의 국소적 분포 등의 양자역학적 조사를 통하여 이러한 강한 결합 영역을 탐구할 수 있는 예가 있기도 하다. 대표적인 예로 입자와 파동의 이중성을 더욱 발전시킨 2차원 아이징 모형 크뢰머-와니에 양면성이 잘 알려져 있다. 제2차 끈이론 혁명은 이러한 방법론을 끈이론에 확대 적용함에서 촉발되었다고 할 수 있다.
이러한 양면성의 요점은 장 이론의 경우 기본 양자와 솔리톤 사이에 서로 교환 대응을 시켜주는 관계가 존재한다는 데 있다. 이러한 대응 관계는 마치 낮은 온도와 높은 온도를 교환하는 아이징 모형의 경우처럼 결합이 약한 영역과 강한 결합 영역의 교환 작용을 동반한다. 그러므로 우리는 초끈 이론의 솔리톤과 그에 수반되는 양면성을 자세히 이해할 필요가 있다. 과연 끈이론의 솔리톤은 무엇인가? 초끈 이론의 낮은 에너지 유효 라그랑지언 (5)에 기초하여 우리는 고전 솔리톤과 양자 솔리톤으로 대별되는 두 종류의 솔리톤이 있음을 보일 수 있다.
……
솔리톤들이 모든 물리를 결정하게 된다. 이러한 이중성은 모든 끈이론에 나타난다.
특히 놀랍게도 어떤 이론의 끈이 다른 이론의 D-브래인에 정확히 대응한다는 것이다. 이러한 양면성은 또한 다섯 가지의 서로 달리 보이는 끈이론들이 비섭동적으로는 다르지 않으며 단지 어떠한 단일 이론이 낮은 에너지에서 다른 형태로 표현된 것에 지나지 않는다는 것을 의미한다. 그렇다면 이 근원적 이론은 무엇인가?
□ 10차원에서 11차원으로……(중략)
□ 끈이론과 M-이론의 파톤(parton) 구조에 대하여
M-이론으로부터 우리가 얻을 수 있는 하나의 교훈은 더 이상 끈이 유일무이한 근본적인 구성요소가 아니라는 점이다. M-이론을 통하여 다섯 가지의 끈이론이 나타나며 또한 끈, NS5-브래인 그리고 D-브래인이 서로 교환되기도 하면서 모두가 동등한 중요한 역할을 담당한다. 그러면 무엇이 M-이론이나 끈이론의 가장 근본적인 구성요소인가?
우선 D0-브래인은 M-이론과 두 가지 특성으로 연결되어 있다. 첫째 11차원 중력자가 말린 차원 방향으로의 운동량은 정확히 D0-브래인의 질량에 해당한다.
……
이러한 D0-파톤은 결합하기도 하고 서로 분리되기도 하고 군을 이루기도 하면서 새로운 방식의 D0-브래인의 제2차 양자화 (second quantization)가 자연스럽게 얻어진다. 이 물리 계는 11차원의 로렌츠 공변성은 분명하지 않지만 M-이론의 비섭동적 정의로도 받아들여지고 있다. 그 중 가장 중요한 특징은 시공간이 행렬로 더 이상 교환 가능하지 않으며 양밀즈 이론과도 아주 직접적으로 연결된다는 점이다. 더구나 시공간이나 시공간 기하는 더 이상 근본적인 개념이 아니며 비가환 행렬 게이지이론의 기저 상태라는 특별한 경우만 유효한 개념이라는 점이 특기 할만 하다.
□ 끈이론과 M-이론의 제 문제
끈이론의 가장 중요한 특성은 중력과 양자역학, 중력과 게이지장 이론과의 자연스러운 통합이다. 물론 이러한 통합이 가능한 이론이 끈이론 이외에 어떠한 이론들이 있는지 현재로서는 명확하지 않다. 그렇다면, 끈이론이 앞으로 풀어야 할 중요한 기본 문제들은 무엇인가?
. 중력의 양자 동역학
초끈이론은 현존하는 유일한 양자중력 이론이다. 즉, 양자역학과 아인슈타인의 일반상대론을 내부 모순 없이 결합시키는 유일한 방법이다. 이는 초끈이 점입자가 아니라, 고유 크기를 가지는 확장자라는 사실에서부터 기인한다. 그러나, 보다 근원적인 성질은 초끈의 무한한 진동 스펙트럼이 제멋대로 구성된 것이 아니라, 엄밀한 내부 대칭성에 따라 분포하고 있다는 사실이다. M-이론이 끈이론의 강한 결합영역을 간결히 표현함은, 양자현상을 새로운 각도에서 이해할 것을 요구하고 있다. M-이론의 가장 중요한 특성은 상기한 바와 같이 10차원 고전시공간과 양자결합상수를 통합하여 새로운 11차원의 시공간으로 재구성하고 있음이다. 이러한 관점이 흥미로운 기하학적 심미성을 제공할 뿐 아니라 동시에 전통적인 섭동전개 이론이 M-이론에서는 성립하지 않아, 근사적인 접근 방법이 불가능하다는 어려움을 동시에 내포하고 있다. 따라서, 우리는 파인만이 오래 전에 던졌던 질문 "정말 중력에 양자현상이 존재하는가? 존재한다면 왜 결합상수가 없는가?"라는 근원적인 문제로 되돌아가야 할지 모를 일이다.
. 중력과 게이지 상호작용
초끈이론은 다양한 방법으로 게이지 상호작용을 생성할 수 있다. 가장 전통적인 것은 찬-패톤 방법에 따라, 열린끈 사이의 연결과 분리를 통한 방법이다. 이러한, 열린끈은 앞서 설명한 D-브래인들의 여기상태를 약한상호작용 영역에서 효율적으로 기술할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 강한상호작용 영역에서는 초끈의 양면성에 기인하여, 새로운 방법으로 기술할 수 있는데, D-브래인들과 열린끈은 모두 비대칭 닫힌끈으로 재구성되는 놀랄만한 특성을 발휘한다. 이 양면성이 다른 초끈 사이의 양면성에 비하여 심도 있게 규명되어야 함은 바로 끈의 닫힘과 열림, 그리고 끈 진동의 방향성 사이에 밀접한 관련이 있음을 시사하기 때문이다. 즉, 이러한 개념들은 절대성을 가지지 않고, 양자결합상수의 크기에 따라 달리 구현될 뿐이다. 도대체, 초끈의 어떤 근본적 특성이 이러한 결과를 도출 시키는가?
이의 규명에 한가지 암시를 제공하는 초끈의 상이한 특이성은 소위 '충돌방향 양면성'이다. 점입자의 경우, 전통적인 파인만 도형에 따른 섭동전개는, 쿨롱 충돌과 같은 비낌충돌과 입자의 생성, 소멸에 기인하는 정면충돌은 전혀 다른 물리적 과정으로 기술된다. 그러나, 초끈이론에서는, 초끈의 확장자 성질에 기인하여, 이들을 동일한 과정으로 간주한다. 이 '충돌방향 양면성'의 특수한 경우가 바로 열린끈의 양자섭동 전개를 닫힌끈의 배경장 전개와 동일시 간주하는 것이다. 이에 따르면, 닫힌끈의 존재와 동역학은 모두 열린끈으로부터 이해할 수 있으며, 따라서 열린끈을 초끈의 기본단위로 다루어야 함을 암시하고 있다. 정확히 어떤 동역학에 의거하여 이러한 관계가 성립하는지 이해함은 중력에 대한 전혀 새로운 관점과 이해를 제공할 것으로 기대된다.
. 끈의 미시구조
초끈의 구조에 절대성이 없음은 전술한 '열린끈-닫힌끈 양면성'과 M-이론의 기원으로부터 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 초끈의 기본구조를 규명하려는 노력은, 어떠한 동역학 영역에서 초끈의 운동이 가장 간결히 기술되는지를 조사하는 중요한 과정을 거쳐야 할 것이다. 가장 중요한 현안은 양자역학과 중력 중 어떤 것을 보다 근원적인 물리법칙으로 다루겠는가라는 질문이다. 중력을 근원적으로 다루려는 관점은 M-이론이며, 이에 따르면, 양자현상이란 11차원의 고전시공간을 인위적으로 10차원 시공간과 1차원 결합상수로 재해석하는 과정에서 나타난다는 것이다. 또, 초끈이론에 따르면, 중력은 게이지이론의 동역학에서 나오는 부수적인 상호작용이다. 과연 어떠한 관점이 결국 맞는 해석인지 이론적 접근에 의하여 조사해야 할 시점에 있다.
. 우주의 기원과 진화
우주의 기원과 진화는 고전중력의 대표적인 강한 배경 장 비섭동 현상이다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 프리드만-로버터슨-워커의 균일 우주론은 3가지의 상이한 종류로 나타난다 -- 닫힌 우주, 평평한 우주, 열린 우주. 왜 아인슈타인의 일반상대론과 같이 완벽한 듯한 이론이 유일한 해답을 제공하지 못하고 3가지 다른 가능성을 제시하는지, 현재까지 전혀 이해되지 못하였던 부분이다. 또한, 우주의 대폭발은 왜 일어났으며, 이 당시의 물리현상을 기술하는 가장 적합한 방법론은 무엇인지 역시 미해결 문제이다. 현재, 유일한 양자중력이론으로서의 초끈이론은 이들 질문에 대한 보다 훌륭한 대답을 제공할 것으로 기대된다. 특히, 우주론에 적용되어 홀로그램 원리가 일반상대론에 덧붙여 새로운 법칙으로 자리잡을 것인지는 아주 흥미로운 내용이다. 그리고, 인플레이션 우주론, 대폭발 우주론을 대치시킬 새로운 우주론이 있는지, 있다면 초끈이론과 어떤 관련이 있는지 알아보는 것 역시 앞으로 해결해야 할 문제들이다.
이렇게 다양하고 흥미로운 주제들이 아직 미해결 과제로 남아있음은 초끈이론이 아직도 계속 눈부시게 발전하고 있는 중요한 이론물리학의 한 부분임을 뜻한다고 보겠다. 앞으로도 지속적으로 새로운 발상의 혁명들이 10년 간격으로 반복되어 제창되고 발전되어 나갈 분야임을 시사하고 있다고 여겨진다.
■ 온도와 극저온
□ 절대영도 (온도) (絶對零度, absolute zero)
. 열역학적인 계가 최저의 에너지 상태에 있는 온도.. 섭씨온도(Celsius scale)는 －273.15°, 화씨(Fahrenheit scale)는 －459.67°에 해당됨
. 궁극적인 최저온도가 존재한다는 생각은 저온에서 기체의 작용에 의해 암시되었음, 즉 온도가 내려감에 따라 기체가 한없이 수축하는 것을 볼 수 있고, 이것은 마치 일정한 압력하에서 이상기체는 현재 절대영도라고 하는 온도에서 부피가 0이 될 것으로 생각되었는데, 실제의 모든 기체는 절대영도 이상의 온도에서 액체나 고체로 응축하게 되므로 이상기체 법칙은 단지 실제적인 기체의 성질에 대한 근사값일 뿐임
. 온도 하향의 한계는 절대영도다. 그러나 인간은 절대영도를 달성할 수 없다. 양자역학의 불확정성 원리에 따르면 절대영도에서 물체를 이루는 입자(전자, 양성자, 중성자 등)들의 에너지는 확정된다. 그러나 이는 절대로 실현될 수 없는 일이다.
입자의 에너지 e와 그 에너지가 측정되는 상태의 계속 시간이 δt일 때, 불확정성 원리(δtδe≥h/2π)에 따르면, 상태의 에너지(δe)를 정확히 측정할수록 긴 시간 동안(δt) 그 상태가 유지돼야 한다. 즉 에너지가 확정되는(δe=0) 절대영도에 도달하려면 무한대의 시간(δt=∞)이 필요하다는 말이다. 따라서 실험실에서 절대영도 가까이 온도를 내릴 수는 있지만 진정한 절대영도에는 이를 수 없다. 현재 기술로는 원자핵의 온도만을 내릴 경우 0.28nk(10^-9k)까지 기록을 세웠다.
과학자들은 어떻게 이 같은 극저온을 얻는 것 일까? 가장 간단한 방법은 물체를 냉동액체에 담그는 것이다. 그러나 이 방법으로 얻을 수 있는 최저온도는 4k. 가장 낮은 냉동액체인 액체헬륨의 끊는 점이 4k이기 때문이다.
그러면 4k보다 낮은 온도를 얻기 위해서는 어떤 방법을 동원해야 할까. 먼저 생각해볼 수 있는 간단한 방법은 액체헬륨을 강제로 증발시키는 것이다. 이는 액체가 증발해 기체가 될 때 주위로부터 열을 빼앗는 원리를 이용한 것이다. 더운 여름철 부채로 부치면 피부에 있는 땀이 증발하면서 시원함을 느끼는 것도 증발에 의한 온도 감소효과 때문이다.
그러나 온도가 계속 내려가면 액체 위에 떠있는 기체의 양들이 적어지기 때문에 강제 증발도 불가능하게 된다. 따라서 보통의 헬륨을 이용할 경우 증발에 의해 대략 1k 정도까지 내릴 수 있다. 그런데 헬륨의 동위원소 중 헬륨4(원자량이 4인 헬륨)보다 가벼워 휘발성이 좋은 헬륨3(원자량이 3인 헬륨)을 이용할 경우 1k보다 낮은 0.3k까지 낮출 수 있다.
헬륨은 공기 중에 0.00013% 정도 존재한다. 그런데 이 중에서 헬륨3은 고작 10^-5% 밖에 차지하지 않는다. 따라서 헬륨3은 가격도 매우 비싸, 공기 중으로 달아나지 않도록 주의해야 한다. 이처럼 액체헬륨을 강제로 증발시켜 극저온을 얻는 방법을 증발냉동이라고 한다. 한편 헬륨3과 헬륨4를 혼합해 강제 증발시킬 경우 더욱 낮은 온도인 mk(10^-3k)까지 온도를 낮출 수 있다. 이 방법을 이용한 냉동기를 희석냉동기라 부른다.
증발냉동의 한계인 mk보다 낮은 온도를 얻기 위해서는 자기냉동이 이용된다. 증발냉동으로 낮출 수 있는 온도까지 내린 후 외부에서 강한 자기장을 걸어준다. 이를 통해 물질을 구성하는 원자들의 자기적 성질을 한 방향으로 정렬된다. 그런 후 단열상태에서 외부 자기장을 없애주면 mk 이하로 온도가 내려간다. 이와 같은 자기 냉동방법으로 μk(10^-6k) 이하의 온도도 얻을 수 있다.
한편 레이저를 이용해서 온도를 낮추는 방법도 있다. 이는 고체나 액체처럼 거시적인 물체의 온도를 내리는 냉동법과는 구별된다. 즉 레이저 냉동은 냉동시키는 대상이 기체이고 또한 수천-수 만개의 원자들이다. 따라서 냉동 대상의 크기도 일반적인 냉동법과는 비교할 수 없을 정도로 작다.
□ 극저온
KAIST 기계공학과 저온공학 연구실 과학동아 2003.8. 에서 일부발췌. 인간이 도달할 수 있는 가장 낮은 온도는 . 이론적으로 존재할 수 있는 가장 낮은 온도는 ‘절대영도’인 0K(-273.15℃)
. 인류의 기록은 기원전 10 세기 경 . 고대 중국인들은 얼음창고를 이용 . 로마나 그리스에서도 겨울철의 눈을 모아 벽 사이에 넣어 빙고로 사용. 신라 지증왕 때인 505년에 음식물을 저장했던 석빙실 유적이 현재 경주에 있음
. 19세기 중반 페르디나드 까렝은 인류 최초로 기계식 흡수 냉동기를 개발. 1873년 린데는 실용적이고 이동 가능한 압축식 냉동기 개발
. 물질은 일정한 압력에서 온도가 낮아질수록 . 기체에서 액체, 액체에서 고체로 상태가 바뀜
. 1840년대 미국의 의사 고리는 말라리아에 걸린 환자를 위해 . 방의 온도를 낮추고자 소량의 공기를 액체화시켰음 . 이때 그는 높은 압력에 갇혀있는 기체를 갑자기 팽창시켜주면 온도가 낮아지면서 액화된다는 사실을 발견했음 . 고리가 개발한 방법은 오늘날 에어컨의 작동원리와 같음 . 1853년 줄-톰슨은 많은 양의 공기를 한꺼번에 액화시킬 수 있는 기술을 개발
. 기체의 액화 기술의 발전 . 1877년 프랑스의 광산 기술자인 까이이떼는 압력 용기에 들어있는 3백 기압의 산소를 갑자기 팽창시킴으로써 액체의 산소 방울을 얻었고 . 이후 폴란드의 로블레프스키와 올체프스키는 질소와 수소의 액체화에 성공 . 질소기체는 77K(-196℃), 수소기체는 20K(-253℃)에서 액체로 바뀜
. 1908년 네덜란드 온네스는 끓는점이 가장 낮은 헬륨을 액화하는데 성공함 . 저온액체 중 끓는점이 가장 낮은 온도인 4.2K(-268.8℃)까지 극저온 . 4K에서 수은의 전기저항이 사라지는 초전도 현상을 발견
. ‘저온학’(cryogenics) . 저온학은 주로 120K(-153℃) 이하의 온도에서 발생하는 현상을 다룸 . 일반 냉동분야보다 훨씬 낮은 온도를 다룸 . 극저온에서는 생명체의 생화학적인 현상이 거의 정지 . 전기저항이 사라지는 초전도 현상과 . 액체의 특성이 확연히 달라지는, 즉 점성이 없어지는 초유동 현상이 관찰됨
. 극저온을 얻는 방법 . 헬륨의 끓는점인 4.2K를 얻기 위한 연구에서 시작됨 . 우리 주변에서 온도를 낮추는데 가장 흔히 쓰이는 냉각법은 . ‘줄-톰슨 효과’(Joule-Thomson effect)를 이용하는 것 . 에어컨과 냉장고 등에서 온도를 낮추는 원리 . 압축기를 통해 만들어진 고압의 냉매가스가 작은 모세관 또는 팽창 밸브를 지나면 팽창하면서 저압으로 떨어지는데, 이때 기체의 온도가 내려감 . 기체마다 온도가 내려갈 수 있는 한계점이 존재하는데, 이를 ‘최대 역전온도’라 하며, 이 온도 이하에서만 줄-톰슨 효과가 발생함
. 1895년 린데가 줄-톰슨 효과만을 이용해 발명한 린데-햄슨 공기액화시스템이며 . 이 시스템은 현재까지도 고압의 공기나 질소, 산소 등을 저압으로 팽창시켜 액화시키는데 이용되고 있음 . 대부분의 기체는 최대 역전온도가 상온보다 높으므로 줄-톰슨 효과를 이용해 온도를 낮출 수 있음
. 헬륨이나 수소, 네온의 경우는 최대 역전온도가 각각 . 45K(-228℃), 25K(-68℃), 250K(-23℃)로 상온보다 훨씬 낮기 때문에, . 압축과 팽창만으로는 상온에서는 냉각 효과를 얻을 수 없음 . 이들은 팽창엔진을 이용해 최대 역전온도 이하로 온도를 낮춘 뒤, 줄-톰슨 효과를 이용해 액화시킴
. 팽창엔진은 효율적인 극저온 냉동기에 광범위하게 이용되고 있음 . 팽창엔진의 원리는 고압의 기체를 기계적 팽창장치를 통해 외부에 일을 하게 하여, 기체의 에너지를 강제로 감소시켜 기체온도를 계속해서 낮추는 방법임 . 이 냉각 방식은 줄-톰슨 효과와는 달리 강제적인 일을 통해 외부로 에너지를 방출하기 때문에 언제나 온도가 감소함
. 극저온 냉동기의 핵심 원리는 ‘스털링 냉동사이클’이라는 방법임 . 이론적으로는 매우 복잡하나 극저온을 얻는 기본 원리는 팽창엔진과 동일함 . 기체 액화사이클은 대용량의 냉동 시스템에 주로 이용되지만, 스털링 사이클은 소용량 시스템에 사용된다는 차이점이 있음
. 증발냉각의 한계 0.3K
. 극저온의 대표적 방법은 ‘증발냉각’임. 일반적으로 액체가 기체로 변할 때 주변의 열(이를 잠열이라 함)을 흡수해 온도가 낮아지는데 이런 현상을 증발냉각이라 함. 저온학에 이용되는 증발냉각법은 펌프를 이용해 액체질소나 액체헬륨 등의 표면 에서 이들 액체의 기화를 유도함으로써 온도를 더욱 낮추는 것. 77K의 액체질소의 경우, 증발냉각을 이용하면 63K까지 온도를 낮출 수 있으며, 4.2K의 액체헬륨의 경우 약 2K까지 냉각시킬 수 있음. 그러나 온도가 계속 내려가면 액체분자의 운동이 줄어들어 증발시킬 기체의 양도 적어지기 때문에 강제 증발도 불가능하게 됨. 이럴 경우 헬륨의 동위원소 중 원자량이 3인 헬륨3을 이용하면 온도를 더 낮출 수 있는데 헬륨3은 보통의 헬륨(원자량이 4인 헬륨)보다 가벼워 휘발성이 좋기 때문에 2K보다 낮은 0.3K까지 낮출 수 있음
. 헬륨4가 공기 중에 0.00013% 정도 존재 . 헬륨3은 이 중에서 겨우 10^-5 %에 불과하여 가격이 매우 비쌈 . 일반적인 극저온을 얻기 위한 방법으로는 한계가 있음 . 여기까지가 현재의 기술로 얻을 수 있는 K단위의 극저온의 한계임
. 더 낮은 온도를 얻는 특수한 방법들
. 극저온 냉동기에 서로 다른 두 가지 냉동 사이클을 조합한 하이브리드 사이클 . 대표적인 예가 증발냉각과 희석 냉동기를 조합하는 방법 . 희석 냉동기는 헬륨4와 헬륨3의 혼합 기체를 냉매로 사용하며 . 이 경우 K보다 훨씬 낮은 온도인 mK(10^-3 K)단위까지 냉각시킬 수 있음 . 이렇게 유체를 증발해 얻을 수 있는 극저온의 한계는 mK 수준임
. ‘자기(磁氣) 냉각’ 방법
. 물질을 구성하는 원자에는 독특한 자기적 성질이 있는데,
이들은 외부에 자기장에 없을 때 불규칙적인 방향으로 분포돼 있지만 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 원자의 자기 성질은 외부에서 걸어준 자기장 방향으로 일정하게 정렬됨
. 이럴 때 외부의 자기장을 갑자기 없애주면,
원자의 자기 성질은 다시 원래의 불규칙한 상태로 되돌아가려고 하며, 이 과정에서 원자 내부의 불규칙성은 커지고 따라서 엔트로피도 증가함, 따라서 물질의 운동에너지 일부가 엔트로피 증가로 변화되므로 온도가 떨어지게 되며, 일반적으로 물질의 운동에너지는 온도와 관련됨
. 자기 냉동방식을 이용하면 mK보다 낮은 μK(10^-6 K) 이하를 얻을 수 있음
. ‘레이저 냉각법’. 1997년 벨 연구소의 스티븐 추, 미국 표준연구소 윌리엄 필립스, 프랑스 파리대 클로드 코엔 극저온의 한계를 μK에서 nK(10^-9 K)로 낮추는 방법 개발
. 기존 냉동법은 고체나 액체처럼 거시적인 물체의 온도를 내리는 방법이지만 레이저 냉동은 냉동시키는 대상이 기체 원자들임
. 2개의 레이저를 기체 원자를 향해 양방향에서 쏘면 원자들이 두 레이저 빛과의 계속되는 충돌로 인해 속도가 줄어 듦, 그 결과 원자들의 온도가 내려가는 것. 이를 x, y, z축의 3차원 공간에서 반대방향으로 진행하는 세 쌍의 레이저를 이용하면 공간적으로 완벽히 한 지점에 원자를 멈추게 할 수 있음 이 같은 레이저 냉각법을 이용하면 원자의 온도를 nK(nano K)까지 낮출 수 있음
. 현재 인간이 도달할 수 있는 가장 낮은 온도는 레이저 냉각법으로 특정 원자의 속도를 느리게 해서 얻을 수 있는 거의 절대온도에 가까운 0.28nK(10^-9 K)임
. 아직까지도 액체헬륨은 값비싼 저온유체(1L당 약 2만원)지만 극저온 냉동기의 개발과 발달로 인해, 지금은 소규모의 실험실에서도 액체질소나 액체헬륨의 온도를 생성할 수 있게 됐음
□ 초저온 이용 산업분야
. 탄산가스 (-78.9℃) . 농수산물 및 식품의 동결, 건조, 플라스틱의 저온분쇄, 드라이아이스 제조. 에틸렌가스 (-100℃) . 에틸렌 제조공정에서 에틸렌 심냉 분리, 차량용 고무타이어의 저온분쇄. LNG (-162℃) . 폐 자동차 저온 파쇄, 냉열발전, 원자력 폐기물 처리. 액화산소 (-183℃) . 혈액, 정자, 생체보존, 항공우주 연료. 액화질소 (-196℃) . 농수산물 급속동결, 저온분쇄, 저온 케이블, 액체산소, 질소, 알곤 제조. 수소가스 (-253℃) . 수소 액화 및 저장, 수송, 초전도 이용, 자기부상 열차, 유전자 공학. 액화헬륨 (-269℃) . 헬륨가스의 액화, 저장, 수송, 생체냉동, 초전도 및 자기부상열차, 유전공학
□ 초전도 현상
. 임계온도 이하의 저온에서 금속. 합금. 반도체. 유기화합물의 전기저항이 0이 되는 현상. 대부분의 경우 20K(－253℃) 이하에서 일어남1911년 네덜란드 라이덴대학 H.K. 오네스가 수은의 초전도를 처음 발견
현재는 금속원소 25종류의 초전도가 알려져 있음
. 원소별 임계온도 . 테크네튬 Tc 11.1K . 니오브 Nb 9.1K . 텅스텐 W 10mK(1/100K). 현재 핵단열소자법(核斷熱消磁法)으로 0.1mK 이하 초저온의 실현이 가능함
. 고자기장(高磁氣場)의 발생
. 임계온도가 20K에 가깝고, . 15만G(가우스)의 고자기장을 . 코일로써 발생시킬 수 있는 초전도 재료가 개발됨 . 이들은 합금인 니오브-티탄 NbTi과 니오브-티탄-지르코늄 NbTiZr, 금속간 화합물인 바나듐3-갈륨 VGa, 바나듐3-주석 VSn, 갈륨-비소 GaAs 등
. 종전의 철심을 사용한 전자석으로 발생시킬 수 있는 자기장은 겨우 2만G인데, 재료과학의 진보에 의해서 이들 초전도 재료를 선재(線材)로 하여 감아 올린 코일을 듀어병(Dewar vessel)에 넣어 액체 헬륨 온도로 냉각시킴으로써 15만G까지의 강한 자기장을 쉽게 발생시킬 수 있게 되었음
. 이들 초전도 코일이 발생시킨 고자기장은 물리학의 기초연구뿐만 아니라 자기부상열차, 초전도 발전기. 전동기. 초전도 송전. MHD발전(magneto hydro dynamic power generation), 핵융합 발전 등에 이용되고 있음
. 오네스의 영구전류 발견
. 초전도상태가 된 납 고리에 한번 전류를 흘리면, 전기저항이 0이기 때문에 전류가 영구히 흐른다는 사실을 발견하였음
. 코일에 외부에서 전류를 흘리면 자기장이 발생하는데, 이 코일에 납 고리를 되도록 가까이 가져다 놓고, 이 상태로 코일에 연결되어 있는 외부 전원의 스위치를 끊으면 자기장은 일정한 세기에서 0까지 변화하고, 납 고리에는 코일에 생긴 자기장의 변화를 제거하는 방향으로 유도자기장이 발생하고, 그 결과 납 고리에는 유도전류가 화살표 방향으로 흐른다. 이렇게 해서 발생한 유도전류는 초전도 상태에 있는 납 고리의 전기저항이 0이기 때문에 줄열(Joule's heat)이 되어 없어지지 않고 영구히 흐르는데, 오네스는 이 전류를 영구전류라고 이름 붙였음
□ 냉동 수술 (전립선. 폐암)
조선일보, 이.지혜
고려대 안암병원은 10일 냉동수술센터(센터장 김광택 흉부외과 교수)를 개설하고 전립선, 신장, 폐 등에 생긴 국소적 암 치료에 이 치료법을 적극 활용키로 했다.
냉동 수술이란 영하 40∼60도 초저온으로 급속 냉동시켰다가 다시 해동시켜 암 세포를 파괴하는 방법. 암 조직을 영하 40도 이하로 급속 냉동시키면 우선 암 세포 주위의 수분이 얼면서 삼투압 현상을 일으켜 세포 내부에 심한 탈수 현상이 일어나 세포 내 단백질과 구조물이 파괴되며, 나중에는 세포 내부까지 얼어붙어 생긴 얼음 결정이 세포막을 파괴시켜 암 세포가 죽게 된다. 이후 해동을 하면 암 세포에 영양과 산소를 공급하는 모세혈관이 얼었다 녹으면서 혈소판이 뭉쳐 혈관이 막히고 암 세포는 회복 불능 상태로 완전히 파괴된다.
비뇨기과 천준 교수는 전립선 암 환자 31명에게 냉동수술을 실시한 결과 직장 손상이나 요실금 같은 부작용 없이 암이 제거됐다고 밝혔다. 천 교수는 “직경 1.5㎜의 가느다란 침을 전립선에 찔러 넣으면 주변이 영하 40∼60도로 급랭된다”며 “컴퓨터로 냉동 범위와 온도를 정확하게 모니터 할 수 있는 최신 장비가 도입돼 주변의 정상 조직은 다치지 않게 암을 제거할 수 있었다”고 말했다. 천 교수는 “특히 고령 환자나 체력이 약해 수술, 방사선 치료를 받을 수 없는 환자에게 좋은 치료법”이라고 말했다.
□ 원자구조의 규명에 이용
“노벨 수상자 들” 중에서
양자역학에서 원자구성입자가 일련의 에너지 상태로 분포할 수 있는 방식에는 2가지가 있다. 이 2가지 방식은 각각 1924~25년 인도 물리학자 S. N. 보스와 알베르트 아인슈타인이 제시한 '보스-아인슈타인 통계'(Bose-Einstein statistics)와 1926~27년 엔리코 페르미와 P. A. M 디랙이 제시한 '페르미-디랙 통계'(Fermi-Dirac statistics)라는 연구 결과에 따른 것이다. 전자의 방식으로 분포하는 입자군은 보스의 이름을 따 '보손'(boson)이라 불리고, 후자의 방식으로 분포하는 입자군은 페르미의 이름을 따 '페르미온'(fermion)이라 불린다.
페르미온은 입자가 제각기 서로 피하면서 각각 분산된 에너지 상태를 유지하려는 배타성을 가지고 있는 반면, 보손 입자는 수적 제한 없이 동일한 에너지 상태에 한데 모이려는 친화성을 가지고 있다. 아인슈타인은 보스-아인슈타인 통계라는 입자 분포방식에 관해 보스가 거둔 연구 성과를 더욱 진전시켜, 기체상태의 보손 입자를 초저온에서 냉각시키면 모든 원자가 최저의 에너지 상태에서 일제히 한데 모일 것이라는 가설을 제기했는데, 이를 '보스-아인슈타인 응축'(Bose-Einstein Condensation/BEC) 이론이라 한다.
1920년대 이후, 페르미온 입자군에 대한 이론적•실증적 연구가 꾸준히 진척되어 가시적인 성과를 거둔 것과 달리, 보손 입자군과 새로운 물질상태인 BEC에 관한 가설을 실험으로 입증하려는 시도는 수많은 실패를 거듭하는 바람에 세계 원자물리학계의 수수께끼이자 숙원으로 남아 있었다.
BEC 이론이 발표된 지 꼬박 71년이 지난 1995년 6월 5일, 위먼과 코넬은 알칼리족 원소인 루비듐 원자 약 2,000개를 냉각온도 20nK(절대영도(0K, -273.16°C)보다 20/1,000,000,000°C 더 높은 온도)에서 한데 묶어 보손 상태의 순수 응축물을 만들어내는 데 성공했다. 고체•액체•기체•플라즈마에 이어 인류가 발견한 이 제5의 물질상태는 15~20초 동안 지속되었다. 일정한 공간에 가둬 놓은 기체 상태의 원자들은 멋대로 움직이지만 절대온도 0도에 가깝게 냉각시키면 수천 수만 개의 원자들이 마치 제식훈련하는 군인처럼 똑같이 움직이며, 이들 원자는 급격히 응축돼 물질의 밀도가 거의 무한대로 올라간다. 이 기술을 이용해 원자를 제어하거나 조작해 새로운 물질을 만들어낼 수 있다. 바로 이런 점에서 위먼과 코넬의 발견은 나노 기술의 발전에 획기적인 전기를 마련할 것으로 보인다.
위먼이 입자의 냉각•포획을 위한 레이저•자기광학 병합장치를 직접 고안해 BEC의 연구•실험에 착수한 것은 1990년 무렵이었으며, 코넬은 그로부터 1년 뒤 당시 박사후 연구원 신분으로 위먼에게 발탁되어 연구팀에 합류했다. 특히 코넬은 적정 저온에서 원자를 고밀도로 포획하는 가장 까다로운 과정을 해결하기 위해 새로운 장치와 고난도 기술을 개발함으로써 BEC 생성의 마지막 돌파구를 열었다. 실험에 성공한 당시 연구팀이 사용했던 장치는 현재 미국 스미스소니언 박물관에 보관되어 있다. 레이저빔을 써서 기체상태의 입자의 운동속도를 늦추어 냉각시키는 기술은 1985년 미국의 스티븐 추와 윌리엄 D. 필립스가 최초로 개발했으며, 프랑스의 클로드 코앙 타누지는 이 성과를 더욱 진전시켜 절대온도 1μK(절대영도에서 1/1,000,000°C 더 높은 온도)를 얻는 데 성공했다. 이 업적으로 이들은 앞서 1997년 노벨 물리학상을 받았다. 실온에서 기체 상태의 원자와 분자들은 약 4,000km에 이르는 빠른 속도로 움직이므로 원자를 자세히 관찰하는 것이 어렵다. 그러나 온도를 낮추면 입자의 운동속도가 감소하기 때문에 원자를 냉각시키는 기술이 필요했다. 추와 동료 과학자들은 당시 기체를 얼리지 않고 절대영도에 아주 가까운 온도까지 냉각시키는 장치를 만들었다.
오늘날, 전세계 약 40개 연구소에서 위먼과 코넬의 최초 성과를 자체 실험으로 재입증했으며, 많은 물리학자들이 이에 힘입어 다양한 기체에서 BEC를 조작해 그 성질을 규명하는 연구에 매진하고 있다. 이러한 노력의 결과, 현재는 첫 성공 당시에 비해 훨씬 더 많은 원자의 응축현상을 최고 3분까지 지속시킬 수 있게 되었다.
□ 온도의 단위
. 도C (°C )는 스웨덴의 천문학자 Anders Celsius가 1742년 내놓은 온도 측정 단위. 1750년대에는 Centigrade로 알려졌는데 1948년 이후 Celsius로 통일하기로 함. 최초에 Centigrade라고 불린 것은 0~100도까지 100등분 되었기 때문
. 도F (°F) 는 독일의 물리학자 Gabriel Fahrenheit가 1724년에 제안한 것. 여기서는 물의 어는 점이 32도, 끓는점이 212도가 되어 180단계로 구분됨
. (1설) 1708년과 1709년 중 가장 낮은 온도(-17.8도C)를 0도로 하고 체온을 100도(인체의 체온은 98.6도F 지만 당시 온도계 자체가 부정확) 이를 12등분하고 각각을 다시 8등분하여 총 96등분 함
. (2설) 물과 소금을 섞어서 만들어지는 온도가 0도 그리고, 96등분은 말의 피를 사용한 계산임 처음에 12등분을 했고 나중에 각 8등분씩을 했기 때문에 96등분이 되었음
. (설3) 물의 어는점, 끓는점, 체온만을 생각했고 거기서, 어는점과 끓는점을 180 단계로 나누고 체온을 100도로 놓으니 32도와 212도가 나왔음
. 섭씨(攝氏), 화씨(華氏)라고 부르는 것은 중국어에서 온 것
섭이사(攝爾思, 셀시어스), 화륜해(華倫海, 패런하이트)에서 온 것
. ℉ = 9/5 ℃+32
. 절대온도는 켈빈 온도라고도 불리며 단위는 K 이론적으로 만들어낸 온도로 열에너지가 아예 없는 온도를 O K라고 지정함. 1848년 William Thomson(작위명 1st Baron Kelvin) 그의 논문에서 절대 영도(Absolute Zero) 개념인 -273 도C를 거론 함 이 값은 실제 측정한 것이 아니고 계산에 의한 값임
. 부피(V)와 기체의 몰수(n)가 일정할 때 압력(P)과 절대온도(T) 기체상수(R) 관계 이상기체 상태 방정식 : PV=nRT
□ 인공태양
극저온, 초전도 기술의 응용 사례 연합뉴스 2008.07.15.
. 한국형 인공태양 'KSTAR' 첫 불꽃 밝혔다. 초전도 핵융합 연구장치, 첫 플라스마 발생 성공
. 우리나라의 차세대 초전도 핵융합 연구장치인 'KSTAR'가 최초 플라스마 발생에 성공, 미래의 무한 청정에너지로 기대를 모으고 있는 핵융합 에너지 개발을 향한 큰 발걸음을 내디뎠다.
15일 교육과학기술부와 국가핵융합연구소는 KSTAR가 6월 첫 플라스마 발생실험을 성공적으로 마쳤다고 밝히고……
이는 한국과 미국, 일본, 유럽연합(EU) 등 7개국이 추진중인 국제핵융합실험로(ITER)의 설계와 동일한 초전도 재료인 니오븀주석합금(Nb₃Sn)을 사용한 핵융합 연구장치로는 세계 최초로 운전에 성공한 것이어서 국제적으로 큰 관심을 모으고 있다.
세계 최고 수준의 토카막 핵융합장치인 KSTAR는 1995년 12월부터 모두 3천90억원이 투입돼 지난해 9월 완공됐으며 앞으로 핵융합에너지 상용화에 필수적인 초고온 고밀도 플라스마의 장시간 운전기술(3억℃, 300초)을 확보하는 실험을 수행하게 된다.
핵융합장치는 태양이 빛을 내는 원리인 핵융합반응을 지상에서 인공적으로 일으켜 핵융합 에너지를 얻는 장치로 '인공태양'으로도 불린다.
핵융합 에너지는 수소 같은 가벼운 원자들이 태양에서처럼 원자핵과 전자가 분리돼 있는 초고온 플라스마상태에서 서로 결합해 무거운 원자핵이 되는 핵융합 반응에서 질량이 약간 감소하면서 발생하는 막대한 에너지를 이용하는 것이다.
특히 핵융합은 원료로 바닷물에 풍부한 중수소와 흙에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬(삼중수소)을 사용하고 온실가스나 고준위 방사성 폐기물 등의 배출이 없어 미래 청정에너지로 기대를 모으고 있다.
연구진은 6월부터 KSTAR의 플라스마 발생 시운전을 시작해 최고 플라스마 전류 133킬로암페어(kA)와 100kA 이상 플라즈마 지속시간 249밀리초(ms = 0.3초), 온도 200만℃를 달성하는 데 성공했다.
이는 핵융합연구소가 KSTAR 최초 플라스마 목표치로 정했던 플라스마 전류 100kA, 지속시간 100ms를 크게 뛰어넘는 것으로 KSTAR의 각 세부장치가 안정적으로 작동된다는 것을 확인해주는 것이다.
KSTAR는 장치 완공 직후부터 첫 플라스마 발생 실험을 위해 토카막 내부를 진공으로 만드는 진공 시운전과 초전도현상 유도를 위해 온도를 영하 268도까지 내리는 극저온냉각 시운전, 초전도자석 시운전 등을 성공적으로 마쳤다. ……
이로써 우리나라가 핵융합 연구를 본격 수행할 수 있는 기반이 마련됐고 초전도 자석을 사용함으로써 고성능 플라스마를 장시간 발생시킬 수 있는 토대도 갖추게 됐다
(사진) KSTAR의 첫 플라스마 발생 실험. 전류 공급 후 0.3초 정도 플라스마가 발생했다가 사라지는 장면
| □ 결정(結晶)의 특성 | |||||||
| 종 류 (물질 예시) |
결합에너지 | 결합 | 결합에너지 | 주기율표 | 일반성질 | ||
| (*106 cal/mol) | (eV/atom) | ||||||
| 이온결정 | 정기전력 | 3.28 | 1-4족 | . 전자파에 투명 | |||
| NaCl | 180 | 2-7족 | . 전기 및 열전도율이 낮음 | ||||
| KCl | . 융점이 높음 | ||||||
| LiF | 240 | . 무색이며 잘 깨짐 | |||||
| . 반도체 물질 | |||||||
| 공유결합 | 공유전자 | 7.4 | 4족 | . 반도체물질 | |||
| 다이어몬드 | 170 | 3-5족 | . 강도가 큼 | ||||
| SiC | 283 | 2-6족 | . 자외선에 투명 | ||||
| Ge | 78 | . 높은 진동수의 빛에는 불투명 | |||||
| . 강한 결합력 | |||||||
| 금속결정 | 전자기체 | 1.1 | 1-2족 | . 전기 및 열전도율이 높음 | |||
| Na | 26 | 희토류 | . 전자파에 불투명 | ||||
| Fe | 94 | . 융점이 낮음 | |||||
| Au | . 연성이라 가공이 용이 | ||||||
| . 빛을 반사함 | |||||||
| 분자결정 | 분자력 | 0.1 | 7족 | . 열 및 전기전도율이 낮음 | |||
| A (산소.수소.질소) | 1.8 | . 투명함 | |||||
| CH4 | 2.4 | . 융점이 아주 낮음 | |||||
| CO2 | . 아주 약하게 결합됨 | ||||||
| . 부드럽고 잘 부서짐 | |||||||
| 수소결합결정 | . 유전율이 큼 | ||||||
| H20(얼음) | 12 | . 전기 전도도가 큼 | |||||
| HF | 7 | ||||||
■ 물리학의 이해
(대학 교과목 중심으로 본)
. 물리학사
. 기술적 전통과 정신적 전통
. 물리학의 새로운 전통과 방향
. 역학
. 힘에 의해 일어나는 물리적 현상을 이해와 수학적 용어로 표현
. 미적분학 지식을 기초
. Newton의 운동 법칙, 질점계의 역학, Vector해석, 중력이론, 진동이론 등
. tensor 대수학, 강체의 운동 Lagrange equation equation, 양자역학, 통계역학
. 양자역학
. Schrodinger 파동 방정식을 도입하여 파동함수의 물리적 의미
. Potential에 대한 Schrodinger 방정식 해법, Operator, Scattering 등
. 수소원자 문제, 전자와 전자파의 상호작용, 스핀의 개념 및 상호작용,
. 시간독립의 섭동론을 적용한 수소원자의 스핀궤도 결합문제, Zeeman effect, 수소원자의 초미세
구조와 stark효과, 시간 종속 섭동론을 적용한 원자의 복사 및 일반 충돌론 등
. 전자기학
. Faraday의 전자유도 법칙, 자기유도와 상호유도, Maxwell Equation, 전기장에서 전하의 운동,
전자기파 이론 등
. 통계물리학
. 다수 입자계의 물리학적 현상을 통계적으로 처리하는 방법
. 기체분자 운동론, 분자간 인력, 운반현상, 통계물리의 기본원리, 분자속도분포,
Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, Boltzmann Einstein 통계의 분배함수와 분포함수 등
. 물리수학
. 벡터해석, Fourier급수, 미분방정식, 텐서해석, GAMMA, BETA, ERROR FUNCTION 등
. 파동과 광학
. 파동의 중첩, 간섭, 회절, 빛의 전자기적 특성, 흡수, 산란, 분산, 편광, 현대파동과학, 양자광학 등
. 전자회로
. 전자 회로 소자의 특성 및 회로 System의 동작 원리.
. 다이오드와 트랜지스터의 원리, Junction circuit 동작원리 및 각종 Bridge 등
. 입자물리학
. 물질의 궁극적 구성요소를 설명하는 Quark-Lepton 모델, 소립자들의 상호작용, 대칭성
. 반도체물리학
. 반도체의 기본특성과 제작기술, P-N접합, 금속 반도체 접합, 태양전지, LED, TR, MOS MOSFET,
BJT, D-MOS, V-MOS, M-MOS, FAMOS 등
. 고체물리학Ⅱ
. 물질의 광학적 성질과 엑사이론, 물질의 초전도성, 압전현상, 유전체와 강전체, 반자성체,
강자성체 등과 결정내에서의 Vacancy, 층밀림 등과 같은 격자결함
. 원자물리학
. 원자력에 관한 문제, 화학에서 나타난 물질의 구조로부터 시작하여 원자의 전자적 구조,
원소의 주기율표, 동위원소, 자연변화 및 인공변환과 방사능, 분열과 융합, 원자로 등
. 생물물리학
. 생명과정에 직접 관련되는 물리
. 원자력 응용
. 원자력·핵공학 일반, 원자로 공학, 방사선 측정, 동위원소와 방사화학, 보건물리
. 초전도 물리학
. 고온 및 유기 초전도체가 가지는 현상학적 특성, 새로운 초전도체의 개발
. 핵물리와 천체핵반응
. 핵들의 질량, 반경, 결합에너지 등의 물리적 특성, 핵자-핵자 사이의 상호작용
. 항성내의 주요 진화 경로인 C-N-O 순환과정과 P-P Chain 등의 메커니즘
. 빛과 레이저
. 유도 방출, rate 방정식 등의 레이저 이론
. 비선형 동작과 고에너지 및 대출 레이저
. 신소재 물리학
. 반도체, 강유전제, 자성체, 고온초전도체, 세라믹스, 유기 및 고분자 재료, 유리재료,
금속 신소재 등 각종 재료에 대한 물성 제조방법
. 고에너지와 우주론
. 고에너지 상태에서 물질의 생성, 상전이 현상 등과 거대 항성 내에서의 연속 핵반응,
중성미자 발생 등의 현상의 고찰
. 물질과 상호작용의 가변성, 궁극적 요소와 그 들간의 결합
. 광전자 물리학
. 광전도체의 고온 동작과 고출력의 마이크로파 발진 현상 및 물리적 메커니즘
. 전자기 디스플레이로 쓰이는 광 방출 다이오드, 광통신의 발광원 및 수광체로 쓰이는 레이저
다이오드, 광통신에 쓰이는 마이크로파 발진 소자 등과 고속 computer에 쓰이는
연산 반도체 소자 및 레이다, 미사일 등
. 해석역학
. 라그랑지안-해밀토니안 역학, 강체운동, 비관성계 역학, 특수상대성 이론 등
. 전자기학
. Newton의 운동 법칙. 질점 및 질점계의 역학, Vector해석, 중력이론, 진동이론 등
. 현대물리학
. 상대성 이론, 파동학, 양자역학 등에 관한 기본개념 들
. 물리수학
. 급수, 복소소, 선형방정식, Vectors, Matrices, Determints, 편미분 등
. 열물리학
. 열에 관계되는 물리학의 기본개념으로 열 역학적 계와 온도, 기체의 상태방정식,
열역학 제1, 제2 및 제3법칙, 열과 일, 엔트로피 등
. 현대물리실험
. 광전효과, Milikan 유적실험, e/m측정, Frank-Herz 실험, 원자 스펙트럼, Stern-Gerlach 실험,
Micfelson 간섭 실험, 흡수계수 측정 등
. 전자기실험
. 회로 테스터, Osciloscope 사용법, 전위차계, 전압계와 전류계 제작, 휘스톤 브리지,
자기유도 측정, 자기이력 곡선, R-L-C회로 전류기 제작 및 특성 발진기 제작 등
. 역학실험
. 중력가속도 측정, 2차원 충돌, 역학적 에너지 보존법칙의 강체의 공간운동,
최대정지 마찰 계수 측정, 진자, 선운동량 보존, 구심력 측정, 물체의 평형 등
. 고체물리실험
. Laser를 이용한 회절 및 간서브 G-M Counter 실험, Holography, 고급사진기술, 진공증착법,
저온장치 취급 실험, Photon Counter System 및 전자현미경 작동기술 등
. 고급물리실험
. 진공 및 저온 장치 등의 원리 및 응용
. 반도체 및 소재 산업에서의 응용과 핵융합 가속기, 우주선 등
■ 상식 같은 의문
□ 물질을 구성하는 소립자 들의시작과 끝
. 기본 소립자 질량과 전하
. 페르미온, 쿼크, 렙톤, 색전하
. 파동, 진동
. 크고 작은 상호간의 힘
. 힘의 전파와 상쇄
. 파동, 물질, 공간, 시간의 상관 관계