물질의 물리학 4~6 메모

미르
2022-06-27 00:56
104

119p 파동 함수의 공존을 어떻게 이미지화 할수 있을까?

그림이 있지만 머리에 잘 와닿지 않는다. 

온도가 올라가면서 물질은 점점 다양한 종류의 파동함수 작은 구역들이 집합이 되면서 파동으로 규정 하기가 힘들어지고 낮아질수록 하나의 파동으로 수렴된다. 

 

142p ‘모든 물질은 양자 물질이다’ 하지만 이 책은 그중에서도 양자역학적 특성이 독특하게 발현되는 물질을 중점적으로 다루고 있다.

물질이란 무엇인가?

 

147p 맥스웰 1831-1879 내 나이에 죽었다!

 

153p 따뜻함의 전달은 열이 아니라 빛이다.
빛이 달군 공기의 따스함 = 열, '복사'
수레바퀴살이 나감 = 바퀴살 복, 쏠 사
 
191p 왜 원자는 서로 뭉쳐 물질을 만드는가?
왜 어떤 물질은 자석이 되는가?
 
195p 양자물질이란?
 
p.s 전자의 흐름과 전류의 방향은 왜 반대인가?
 

 

 

 

 

댓글 15
  • 2022-06-27 12:27

    P.119 질문 관련: 집에 돌아가면 브라이언 그린의 ‘우주의 구조’에 나오는 파동함수 붕괴 그림을 올려볼게요. 조금 참고는 될 수 있을듯요.

     

    P. 142 질문 관련: 아마도 물질이 무엇인지에 대한 포괄적 정의 자체가 물리학에서 쉽지는 않을 거에요. 김상욱 교수가 말했듯이. 대신 물질과 에너지의 차이는 주변에 가하는 압력이 0이면 물질, 0이 아니면 에너지로 정의하는가 보더군요. 이 때의  압력을 정의하는 공식도 나중에 찾아올릴게요. 밖이라 잠깐씩 들어와 답글 달아요.

    • 2022-06-27 12:32

      119p, 142p의 질문이란 위에 미르님의 질문을 말씀하시는 거죠?? 기대하겠습니다~

      • 2022-06-27 14:55

        네. 전 오늘 별도의 질문 대신 미르님이랑 다른 분 올리신 질문 함께 고민해 볼게요. 우선 아래 그림은 브라이언 그린의 ‘멀티 유니버스’ 8장에 나오는 그림입니다. 좌측 그림처럼 슈뢰딩거 방정식으로 기술되는 확률파동이 넓게 공간에 퍼져 있다가, 측정이 일어나면 오른쪽 그림처럼 뾰족한 스파이크 하나만 남게 되는 그림인데 아마도 절대영도 부근의 파동확률도 비슷한 느낌일 것 같습니다. 대신 오른쪽 그림처럼 뾰족해지는 대신 하나의 높은 봉우리를 가진 파동 한 개가 남지 않을까 싶네요

  • 2022-06-27 12:31

    제가 절대영도에 대해 알게 된 것은 작년 <열역학>책을 통해서입니다. 그 책을 좀 살펴봤어요. 그도 그럴 것이 열의 흐름을 에너지로 해석하는 것이 열역학이니까, 열이 없는 상태??에 대해서도 연구를 했겠지요? 1912년 독일 화학자 발터 네른스트는 열역학 제3의 법칙으로 절대영도를 다루고 있는데, 거기 문장을 인용해보자면, (56p) 실험의 발전으로 실제로는 나노켈빈, 즉 10-9승K 정도의 낮은 온도 범위에 도달할 수 있게 되었다. 우리에게 익숙한 온도와는 다른 이런 조건에서 물질은 매우 다르게 행동한다. 예를 들어, 어떤 물질들은 모든 전기 저항을 잃고 ‘초전도체’로 변한다. 핵이 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성된 헬륨 원자와 같은 물질은 훨씬 더 극적인 변화가 생길 수 있다. 이러한 낮은 온도에서 원자들은 모두 동일한 양자 상태가 되어 보스-아인슈타인 응축을 형성한다. 그럼에도 불구하고, 제3의 법칙에 따르면 적어도 일상생활에서 접하게 되는 거시적 시스템의 경우 절대영도는 무한히 멀리 떨어져 있다.

     

    이것을 우리 책에서 어떻게 기술하고 있을까요? (117p)극저온 환경도 비슷한 맥락에서 이해할 수 있다. 온도가 올라갈수록 양자역학적인 물질의 속성을 제대로 보는 것이 어려워진다. 절대영도에 가까워질수록 투명하게 드러나는 양자 물질의 속성은 무엇인가? 그것은 물질의 성질이 파동함수라고 부르는 하나의 함수로 기술된다는 사실이다... (119p) 거꾸로 말하면 물질의 온도를 내릴수록 서로 결이 맞는 영역은 점점 넓어지고, 절대영도에서 그 물질이 통째로 하나의 결, 즉 하나의 거대한 파동함수로 기술된다... 그런데 때로는 이것보다 훨씬 흥미로운 현상도 극저온의 세계에서 일어난다. 본래 서로 경쟁하던 파동함수 중 하나가 천하를 통일하는 대신, 아예 전혀 질적으로 다른 함수가 절대영도의 물질 세상을 지배하기도 한다. 어찌보면 “양적인 변화는 질적인 변화를 초래한다.”는 사회학의 명제가 물질세계에도 적용되는 셈이다.

     

    =>지난 시간 스텔라샘이 말했던 보즈-아인슈타인 응축의 순간을 그래프로 표현한 것이 파동함수와 비슷하다는 말씀에서 우리에게 여러 영감을 주었는데요. 절대영도에서 파동함수 하나로 응축된다고 말해도 되겠지요^^

  • 2022-06-27 12:51

    142p 미르님의 질문에 대해서는 저는 양자역학적으로 물질이란 원자들로 구성된 것이 아닐까 하는 생각이 드는 군요. 그런 의미에서 저자는 '모든 물질은 양자 물질이다'라는 자명한 명제라고 얘기한 듯. 

  • 2022-06-27 14:05

    • 2022-06-27 16:20

      (167p) 비록 미시적인 모델은 없다 하더라도, 뛰어난 물리학자라면 이미 알려진 사실만을 근거로 그럴듯한 가설을 세우고, 그 가설을 토대로 이론을 전개할 줄 안다... 플랑크와 아인슈타인이 광자 문제를 다루면서 취한 접근법이 이러했다. 물리학에서는 이런 방법을 ‘현상론적’ 접근법이라고 부른다... 반면, 가장 근본적인 방정식을 찾아내고, 그 방정식의 풀이를 통해서 자연의 작동 방식을 수학적으로 유도하고자 하는 좀 더 근본주의적 접근법이 있다. 아인슈타인의 특수상대성이론이나 일반상대성이론은 이 범주를 대표하는 업적이고, 그 덕분에 아인슈타인은 뉴턴과 함께 물리학 최고의 근본주의자라는 평가를 받는다... 현상론자는 실험 결과가 주는 속삭임에 예민하게 귀기울이는 반면, 근본주의자는 이론 자체의 엄격함, 완전무결성에 흥분한다... 아인슈타인은 그 이분법적 분류를 초월한 20세기 최고의 현상론자이면서 동시에 근본주의자였다.

       

      =>아인슈타인의 광전효과 논문을 보고 실망했었다. 당시 나는 이 논문이 이전 레나르트가 실험으로 뭔가 빛은 파동과는 다른 성질을 보인다는 결과가 나온 것을 설명하는 논문이라는 것을 몰랐고(논문에 언급된 것을 보고 앎), 그렇다 하더라도 논문 시작부터 빛은 양자라는 식으로 전제하고 시작하는 것에 불친절하다고 푸념을 했다. 왜 불연속적인지를 설명하고 시작해야 하는 것 아닌가... 등등. 그런데, 내가 물리학 논문??(모든 과학 논문이 다 이렇지 않을까요??)에 무지한 결과였다. 아무튼 간단히 현상학적 접근법을 이 광전효과 논문을 보면 바로 이해가 되는 것 같다. 그리고 이런 이해 없이 논문을 보면 나같은 헛소리를 하게 된다.

      • 2022-06-27 19:51

        올려주신 아인슈타인 논문 서두 잘 봤어요. 곧 세미나 시작이라 마음이 바빠서 대강 밖에 못보았지만, 쓰이는 단어 하나 하나가 의미를 가지는 매우 밀도가 높은 글로 보이네요. 저는 사실 철학책의 난해한 문장은 열심히 해석해도 별 의미가 없는 문장일 수도 있다는 생각이 들어 읽기가 망설여지지만, 적어도 아인슈타인의 논문은 읽어내기 쉬운 문장은 아닐지라도 정확한 의미와 함축을 지시하는 문장일 가능성이 높다는 기대감이 들어서 좀 더 읽는 보람이 느껴질 것 같다는 기대감이 생기네요. 그럴만한 이유가 있어서 어렵게 쓸 수 밖에 없는 글과 그렇지 않은 글과는 구분하고 싶어집니다. 물론 이 논문과 아인슈타인 일반상대성 이론 같은 경우는 당연히 어렵게 쓸 수 밖에 없는 이유가 충분히 있는 글이라고 여겨지네요. ^^

  • 2022-06-27 14:48

    129p- "자연에 존재하는 기본 입자들은 본래 질량이 없는 아주 가벼운 존재였다. 그런데 이 입자들이 '힉스 입자'와 상호작용을 하는 바람에 몸이 무거워졌다(=질량이라는 양을 가지게 되었다)"

    129p- "힉스 입자라고 부르는 이 입자를 발견할 수만 있다면 질량의 근원이 무엇인지를 이해하는 셈이 된다"

    130p- "힉스 입자의 질량은 상당히 무겁다. 양성자 질량의 100배가 넘으니까, 제법 무거운 원자 하나의 무게쯤 되는 입자다."

     

    그렇다면 위의 내용을 종합해 보았을 때, 자연을 구성하는 기본 입자(다시말해 부분이 없는 '점'의 형태를 가진)들은 질량이 없었지만 힉스 입자로 인해 질량을 가지게 되는 것입니다. 그렇다면, 자연에서 질량에 어디서 오고있는지는 힉스 입자의 존재로 수렴할 수 있지만, 그렇다면 그 무거운 힉스 입자의 질량은 어디서 오는 걸까요?

    • 2022-06-27 19:42

      저도 아직 힉스 메커니즘에 대해서는 책만 사놓고 공부를 해보지 못해 잘 모릅니다. 다만 제가 그동안 읽었던 책에 나온 설명 정도를 요약해 보겠습니다.

       

      현대 우주론에 따르면, 빅뱅 직후의 극히 짧은 시간 이내에 급팽창이 이루어지며 우주의 공간이 급속히 팽창하게 됩니다. 이 기간 동안 우주의 공간만 늘어난 것이 아니라 인플라톤장(inflation field; 인플라톤은 최초의 우주공간의 원초적 존재물) 자체가 응결되어 에너지를 지닌 수많은 물질 입자들이 출현했고, 이와 함께 이들 사이의 관계를 맺는 기본적인 상호작용(힘)도 출현하게 됩니다. 

       

      조금 더 설명을 해보자면 초기 우주가 급팽창하고 밀도가 낮아지고 온도가 내려가는 과정에서 일종의 과냉각 상태와도 비슷한 상태가 형성됩니다. 좀 어려운 말로 자유에너지가 완전 대칭인 상태가 되어 어느 쪽으로도 특별한 경향성을 가지지 못해서 오도가도 못하고 그 상태에 묶여있어서 다른 상태로 전이하기 어려운 상태가 한동안 유지됩니다. 하지만 이런 상태는 아주 오래 유지될수는 없어서 결국 자유에너지가 더 낮은 하나의 비대칭 상태로 전이하게 되는데, 이러한 현상을 일컬어 자발적 대칭붕괴(spontaneous symmetry breaking)이라고 부르고 이런 생각을 처음 떠올린 사람의 이름을 따서 ‘힉스 메커니즘’ 이라고 부르기도 합니다. 바로 이를 통해 우주 안에는 최초로 비대칭성 곧 구분가능한 무언가가 출현하게 됩니다. 즉, 특정형태의 힘(상호작용), 입자, 국부적 질서 및 구조 등이 나타나게 되는 것이지요. 이러한 물질 입자와 이들 사이의 상호작용이 출현했다는 사실은 ‘구분지어 말할 수 있는 그 어떤 존재’ 곧 일정한 질서가 출현했다는 의미입니다.

       

      그러나 이 단계에서의 입자들과 상호작용들에는 아직도 상당한 ‘대칭성’이 남아있어서, 입자들이 종류 별로 구분되고 있지 않으며 이들 사이의 상호작용 또한 종류 별로 나누어지지 않은 상태입니다. 

       

      하지만 다시 우주의 온도가 점점 더 낮아짐에 따라 몇 차례에 걸친 대칭성 붕괴가 더 출현하고, 이 입자들과 상호작용이 더욱 분화되어 오늘날 우리가 보는 입자들과 상호작용(힘)이 출현하게 됩니다. 먼저 강한 상호작용이 다른 힘들에서 분리되고 난 후에도 여전히 전자기적 상호작용과 약한 상호작용이 분리되지 않은 채 하나의 상호작용으로 묶여있습니다. 그러다가 빅뱅 이후 대략 10^-11초가 지나 우주의 온도가 10^15도에 해당할 무렵에 전자기 상호작용을 일으키는 매개 입자들인 광자와 약한 상호작용을 일으키는 입자들인 W, Z 입자들이 구분되어, 광자는 여전히 질량이 없는 입자로 남게되고, W와 Z 입자들은 또 한 차례의 응결된 힉스장의 효과에 의해 질량을 가진 무거운 입자가 된다고 합니다.

       

      제가 적은 내용은 ‘장회익의 자연철학 강의’ 내용 중 일부를 정리한 것입니다. 

  • 2022-06-27 15:04

    1. 브라이언 그린, 멀티 유니버스 8장 325쪽 그림

    2. 스핀 352쪽 그림, 보즈-아인슈타인 응축

    이 두 그림을 보며 제가 이런 저런 생각을 해본 거랍니다.

     

     

    우선 1번 그림은 브라이언 그린의 ‘멀티 유니버스’ 8장에 나오는 그림입니다. 좌측 그림처럼 슈뢰딩거 방정식으로 기술되는 확률파동이 넓게 공간에 퍼져 있다가, 측정이 일어나면 오른쪽 그림처럼 뾰족한 스파이크 하나만 남게 되는 그림인데 아마도 절대영도 부근의 파동확률도 비슷한 느낌일 것 같습니다.

    대신 오른쪽 그림처럼 뾰족해지는 대신 2번 그림처럼 하나의 높은 봉우리를 가진 파동 한 개가 남지 않을까 싶네요

  • 2022-06-27 15:17

    ‘물질이 무엇인가?’ 라는 미르님 질문 관련

     

    일단 앞서 말한대로 물질이 무엇인지에 대한 포괄적 정의 자체가 물리학에서 쉽지는 않을 것 같아요. 김상욱 교수도 말했듯이.

     

    대신 우리는 물질과 물질이 아닌 것과의 차이나 대조를 통해 물질의 특성을 파악해가는 간접적인 접근법을 사용해볼 수 있을 것 같아요. 그래서 일단 물질과 에너지의 구분은 무엇인지에 대한 것을 찾아봤는데, 괜찮은 설명이 있어 아래에 옮겨봅니다.

     

    아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 물질과 에너지는 서로 별개의 것이 아닙니다. 임의의 물질의 질량(m)은 그 값에 광속(c)의 제곱을 곱한 값(mc2)에 해당되는 에너지(E=mc2)로 바뀔 수 있고, 또한 그 반대로 에너지도 질량으로 전환될 수 있기 때문입니다. 그런데 우리는 일상적인 경험으로 물질과 에너지는 서로 다른 어떤 것임을 인식하고 있습니다. 물질은 최소단위의 질량을 가진 알갱이가 뭉쳐서 이루어져 있는 것, 즉 모래알갱이가 모여 있는 것 같은 상태이고, 에너지는 질량은 없지만 일을 할 수 있는 능력을 가진, 마치 물처럼 연속적으로 퍼져 있는, 어떤 것을 일컫는 말입니다. 구체적으로 빛에너지, 열에너지, 위치에너지(수력발전의 에너지)등을 떠올리면 될 듯합니다. 상대성이론의 입장에서 보면 이 둘은 서로 다른 성질, 상태를 가진 물질-에너지라고 하겠습니다.

     

    일단 이렇게 상대성이론 관점에서 물질과 에너지를 근본적으로 전환 가능한 동등한 것으로 본다는 입장을 받아들이고 나면 이 둘을 근본적으로 가르는게 뭘까가 궁금해지지요? 암흑물질과 암흑에너지의 구분처럼.

     

    제가 들은 바로는 물질과 에너지의 차이는 주변에 가하는 압력이 0이면 물질, 0이 아니면 에너지로 정의하는가 보더군요. 이에 대해 정의된 식은 나중에 찾게 되면 올릴게요. 사실 초기 우주의 물질 분포를 추정할 때 사용되는 식 중의 하나인데 수식을 여기 쓰기가 까다로워서 나중에 사진으로 찍어 올릴게요.

  • 2022-06-27 15:24

    ‘전자의 흐름과 전류의 방향은 왜 반대인가?’라는 질문은 미르님이 이미 답을 알면서 낚시를 하는 듯한 느낌적 느낌이 드네요.

     

    일단 제가 미르님 낚시에 걸려 입질을 해보자면, 원래는 전류의 방향을 플러스에서 마이너스로 가자고 약속을 한 것이 먼저인데, 나중에 전자의 정체를 알고 보니 음극에서 양극으로 가더라는 게 알려졌지만, 이미 널리 정해 쓰던거 바꾸기가 귀찮아서 그냥 모순을 짊어지고 산다고 알고 있습니다. 

     

    흥, 다 알면서!

  • 2022-06-27 18:59

    ......선생님들께서 많은 질문들을 해주셔서 .... 그냥 숟가락 얹기 ....

     

    P130 마이너스의 발견: 초전도체는 자기장을 밀어낸다

             초전도체:난부랑 광자의 사랑으로 빚은 물질

             신의 입자 발견

              →어떤 제목을 붙이느냐에 따라 독자수 달라진다는 얘기가 흥미롭고 과학의 문외한 나한테는 반가웠습니다

     

  • 2022-06-27 20:14

     

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