<익숙한 일상의 낯선 양자 물리> 첫번째 후기

곰곰
2019-12-20 12:00
207

 

과학세미나는 2주 만에, 새 책이자 이번 시즌의 마지막 책이 될 <익숙한 일상의 낯선 양자 물리>를 읽고 만났다. 그동안 세미나 멤버도 조촐해졌다. (연말 바쁜 일정들 때문에 못 나오시는 잎사귀샘과 3단샘, 멀리 장거리 여행가신 아나샘까지... 샘들... 보고 싶어요 ㅠㅠ) 이번 책은 제목이나 표지에서 살짝 말랑말랑함?이 느껴져서 재미있게 읽을 줄 알았는데, 나름의 바쁜 시간 속에서 허덕이며 읽어서인지... 이전 공부들이 정리가 안되서인지... 여전히 쉽지 않다.  

 

1장.

표준모형이라는 것이 있다. 요즘은 고등학교 교과서에도 나오는 모양인데,,, 나에게는 너무 생소한 이름. 이 표준모형에 의하면, 우주를 구성하는 기본입자가 12개 있고, 이 기본입자들을 매개하는 4가지 상호작용이 있다. 

더 쪼개지지 않는 12개의 기본입자는 크게 쿼크와 렙톤으로 나뉜다. 쿼크(6개)에는 업, 다운, 스트레인지, 참, 톱, 보텀 쿼크가 있고, 렙톤(6개)에는 전자, 뮤온, 타우, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자가 있다. 

그리고 4가지 상호작용(힘)이 있다. 힘의 세기로 본다면 강한 상호작용 > 전자기 상호작용 > 약한 상호작용 > 중력 순이다. 

강한 상호작용은 양성자와 중성자를 이루는 쿼크들을 묶는 힘이다. 원자핵 안에서, 가까운 거리에서만 작용한다. 

전자기 상호작용은 알다시피 전하나 극이 같으면 서로 밀어내고 다르면 서로 끌어당기는 힘이다. 원자핵은 양성자(+)와 중성자(0)로 구성되고 핵이 지닌 전자기력의 끌어당기는 힘은 주변에 전자(-)로 이루어진 구름을 형성하기 때문에, 일상의 물체들은 우리가 익숙하게 봐왔던 형태로 유지된다. 우리 주변에 가장 많이 작용하고 있는 힘이지만, 인력/척력은 거의 상쇄되어 나타난다. 

약한 상호작용은 입자를 변화시킨다. 쿼크를 렙톤입자로 바꾸는데, 이로 인해 중성자는 양성자로(베타붕괴), 양성자는 중성자로(역 베타붕괴) 바뀐다. 원자핵이 붕괴하면서 방출되는 전자의 에너지가 다양하다는 것이 난제였는데, 볼프강 파울리가 중성미자 개념을 도입하여 설명했고 나중에 수학이론으로 증명, 실제로도 관측되었다. 이렇게 핵종이 바뀌는 현상은 우리가 숨쉬는 공기, 마시는 물에 포함된 산소, 음식에 들어있는 탄소, 땅에 있는 규소처럼 일상에서 접하는 다양한 원소가 존재하게끔 했다. 

그리고 중력은 일상에서 가장 익숙하고 벗어나기 어려운 기본 상호작용이다. 우리는 아침마다 침대에서 몸을 일으킬 때마다 중력과 싸워야 하고, 늘 중력에 매여있기 때문에 낙하하는 놀이기구를 탈 때면 잠시나마 중력에서 벗어나 놀라움, 짜릿함을 느낀다. 

 

2장과 3장. 

19세기 말까지 열역학에서는 가상적인 ‘흑체’ - 모든 복사파를 흡수하고 방출할 수 있다는 가상의 물체 - 의 행동을 이해하려는 시도가 난관에 부딪혔다. ‘흑체’에 가까운 물체로 실시한 실험결과가 이론적 예측값과 완전히 어긋난 것. 실험결과에 만족할 만한 설명은 고주파 복사에만 적용되거나 또는 저주파 복사에만 적용되었을 뿐 두 경우 모두에 적용되지는 않았다. 1900년 막스 플랑크가 에너지는 언제나 당연시되었던 것과 달리 연속적으로 방출되지 않고 특정한 불연속적인 묶음, 즉 양자 단위로 방출된다고 가정함으로써 이 난제를 해결했다. 물리학적으로 정당화할 수는 없지만 - 플랑크도 그 가정을 단지 수학적 트릭으로 여겼고 매끄러움(연속성)을 회복할 것이라 믿었다 - 어쨌든 이로써 해답을 제시했다는 점이 중요했다. 고주파일 때 흑체는 큰 묶음의 에너지만 방출했으나, 저주파일 때는 작은 묶음의 에너지만 방출했다. 이를 수학적으로 해석하여 플랑크는 어떤 상수(지금의 플랑크 상수) 하나를 내놓았다. 이 상수 h에다 진동수(주파수)를 곱하면 양자의 에너지를 얻을 수 있었다. 고전역학과 양립할 수 없는 이 결과의 의미는 빛과 같은 전자기파가 오직 특정 에너지 준위에서만 물질과 상호작용한다는 것이다. 이러한 플랑크 공식은 우리에게 빛과 열을 어떻게 표현할지를 알려준다. 어떠한 빛을 일컬을 때, 그 빛과 가시광선 스펙트럼이 가장 비슷한 흑체의 절대온도(색온도)로 지칭한다. 항성들이 내보내는 빛의 스펙트럼을 통해 표면 온도를 유추하고, 전기레인지 화구의 빨간 빛을 보고 가열상태를 확인하며, 각양각색의 전구들, 적외선 온도계 등등 우리 일상에서의 적용사례도 다양하다.  

 

하지만 막스 플랑크 마저도 자신의 양자론이 영 내키지 않았고, 이 개념을 대하는 태도는 아인슈타인이 이를 이용하여 광전효과를 설명(1905)하면서 달라지기 시작했다. 이전부터 알려진 바에 따르면, 빛 그리고 전자기 스펙트럼의 다른 부분들, 특히 자외선이 금속 등의 표면에서 전자를 방출시킬 수 있었다. 이상하게도 이 효과는 빛의 세기가 아니라 진동수에 의존했다. 아인슈타인은 알맞은 에너지 준위의 빛을 쬐어야만 금속 표면에서 전자가 방출될 수 있다고 제안했다. 전자를 떼어내려면 이른바 ‘광양자’가 필요했다. 빛의 세기를 증가시킨다는 것은 더 많은 광양자를 표면을 향해 발사한다는 뜻인데, 그렇더라도 발사체가 금속 표면에서 전자를 떼어낼만큼 충분한 힘을 지니고 있지 않으면 아무런 효과도 일어나지 않는다. 그렇게 할 수 있을 만큼 충분한 힘을 가진 발사체라야만 가능한 일이다. 이 발사체인 광양자는 입자처럼 보였기에 나중에 광자라고 불리게 되었다. 이인슈타인은 빛의 파동 이론을 거부하고서 빛이 입자라는 뉴턴의 사상으로 돌아간 듯했다. 이러한 빛의 입자성에 관한 양자역학의 원리가 바탕이 된 것이 디지털 카메라이다. 반도체 물질 덩어리인 화소에 빛이 입사하면 전자가 들뜨고 그 들뜬 전자가 결집하여 전압을 형성한다. 화소에 닿은 빛의 밝기는 전압으로 측정되고 이미지로 판독되는 것이다. 

 

다음시간에는 4장(지금), 5장(도도), 6장(곰곰), 7장(무담)을 읽고 만납니다. 

댓글 1
  • 2019-12-22 11:35

    역쉬~~ 정리를 잘 해주셨군요 ^^
    제목 그대로 익숙한 일상이지만 여전히 낯선 양자물리입니다. ㅎ
    빛의 입자성이 밝혀지면서 또다른 세상, 양자 뭃리학적 현상을 이해하게 된거죠. 현재 사회를 이루는 많은 문명의 이기들은 양자 물리학적 토대가 없었다면 상상하기 조차 어려웠겠죠. .
    잘 이해하면 좋을텐데 쉽지는 않네요 ㅠ ㅎ

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