아무것도 없는 진공은 존재하는가. 이강영 '불멸의 원자' 리뷰

 

성공이란 무엇일까요 진공 의 정의는 가장 낮은 에너지 상태라고 할 수 있습니다

넘넘 물론 불멸의 원자 안녕하세요

2029 학 체 코너에 햇반 입니다

과학자가 쓴 과학책 1에서는 김성구 교수의 책 떨림과 울림을 팝

컬럼니스트 김태원 씨가 멋지기 소개해 주었는데요

오늘은 이강영 교수의 멋진 책 불멸의 원자를 제가 직접 소개해 드릴까합니다

이강영 교수는 과학자로서 는 흔치 않은 달필 로써 불멸의 원자 외에도

lhc 현대 물리학의 최전선 보이지 않는 세계 등 여러 건의 책을 썼고

천국의 문을 두드리며 이것이 힉스 다 등의 책을 번역하기도 했습니다

불멸의 원자는 아시아 태평양 이론 물리 연구 센터 라는 단체에서 발간하는

과언 문화 웹진 크로스로드 에 2011년부터 3년 넘게 연재한 싱글을

책으로 묶은 것입니다

그래 첫 꼭지가 불멸의 원 자라서 책의 제목이 된 것이지 책의 모든

내용이 원자핵 하는 것도 아니고 또 물리학자인 처자가 원자가 결코 불며

리 아니라는 것을 모르는 바도 아니었을 겁니다

오히려 이 책의 부제 필멸의 물리학자가 좇는 불멸에 꿈이 이 책의 내용을

잘 요약하고 있는 것 같습니다

책에는 정말 많은 과학자가 등장하고 유명한 사람도 많지만 잘 알려지지

않는 과학자들의 뒷이야기도 많습니다

최근 삽으로 되어 있는데 특히 2부 쉬운 우아하게 는 온전히 과학자들의 얘기입니다

이 책의 또 한 가지 강력한 매력은 연재 글을 모은 책이니 만큼 어떤

핑키 라도 살펴서 읽을 수 있단 겁니다

그렇다고 쉬운 얘기 많이 있는 것은 절대 아닙니다

기본적인 원자는 말할 것도 없고 쿼크 중성미자 힉스입자 아무 물질 반물질

등 현대 물리학이 새롭게 밝힌 입자의 얘기 뿐 아니라 양자점 기억하

대칭성 등 최첨단 현대물리학의 얘기도 다수 등장합니다 현대물리학의 풍년과

지형을 아주 편안하게 다양한 각도에서 감상할 수 있는 멋진 책입니다

이광형 교수님은 글 못지않게 말씀도 잘 하시는데요

그래서 이번에는 좀 독특하게 이강영 교수님께 책에 관한 미니 강연을 부탁했습니다

책의 한 꼭지 이기도 한 무언가로 가득 찬 진공 을 주제로 교수님의 미니캉 연을 청해 듣겠습니다

안녕하세요 이강영 입니다 저는 오늘 여러분들에게 물리 1 얘길 해 드리고왔습니다

세상에 주제로 많은데 하필 물리학 이냐고 그렇지 모르겠는데 제가

물리학자 니까 없습니다

자 먼저 여기를 한번 보시죠 습도가 난리가 난 것처럼 보입니다

마 그대 그렇게 시장이었던 콘데 리 케 라는 사람 1

황제 앞에서 쇼를 하고 있는 장면에

그럼 어떤 쇼 일까요 저희의 보시는 것처럼 커다란 굴이 공을 만들었습니다

속이 비어있는 구리 0 이고 그것을 2 개로 잘 나 놨습니다

그리고는 이 두개의 봉을 갔다가 붙이고 펌프로 속에 있는 공기를 뺐습니다

그랬더니 2개 공이 떨어지지 않고 그대로 붙어 있습니다

이것이 얼마나 단단하게 붙어 있는지를 보이기 위해서 양쪽에 말 널 다

정말 이식을 묶어 가지고 30마리 의 말이 지금 그 두 개의 공을 담기고

있는 겁니다 그래도 공은 떨어지지 않았습니다

이 쇼가 끝난 다음에 폰 게리 캐는

두껑을 열어서 0 안에다가 개인기를 집어넣었습니다 그랬더니 고문 저절로

떨어져 나갔습니다

우리는 지금 이 비슷한 현상들을 주변에서 많이 볼 수 있기 때문에 지금은

그렇게까지 신기하긴 않을 겁니다

하지만 그 당시 사람들에게는 이것은 굉장히 신기한 슈어 였을 것입니다

흔히 마그 데브 루프에 방구 라고 불리는 이 실험을 통해서 폰 개리 캐는

진공 이라는 것이 얼마나 위력이 있는가 하는 것을 보여주었습니다

프롬 쳐 게임안에는 과연 뭐가 있었을까요

이것을 오늘 생각해 보려고 합니다 점보 우리는 흔히 그냥 길몽이다 라고

얘기를 합니다

그럼 모금 뭐냐 라고 다시 물어 볼 수 있겠습니다

지금 홍기가 없는거 아니냐 그래서 이름도 진공이 줘 그럼 공기가 없으면

풀색 공기가 프런트에 뭐가 있는데 이 문제에 대해서 사람들은 굉장히

오래전부터 생각을 해왔습니다

하지만 우리가 이 진공 이라는 개념에 대해서 처음으로 의식적으로

체계적으로 개념을 생각한 사람은 기원전 4세기에 메모 크릭 토스 라는

사람을 그 첫번째로 꼽습니다

계모 크리 토스는 원자 라는 개념을 처음 생각한 사람은 운영하는데 원자가

있기 위해서는 진공이 필요했습니다 그래서 데모 크릭 토스는 사실 원자를

처음 만들었을 뿐 아니라 깅 곡을 처음 만든 사람이다

즉 깅 에휴 개의 원자가 뛰노는 3장 그것이 대목들이 조스 가 바라본 아

이 세상에 모습이었어요

그댄 영은 그 뒤에도 계속 반복해서 나타납니다

특히 뉴턴은 자신의 물리학을 설명할 때 아무것도 없는 절대적인 공간을

생각하고 2 공자님 해서 자신의 방정식을 펼쳐 보였습니다

깅 공이란 아무것도 없는 것이고 마치 좀 이외 우리가 그림을 그릴 때 그

종이 에 해당하는 것이다

진공 아무것도 없는 공간에 하나의 개념입니다

그럼 모든 사람이 거기에 동의 했느냐 하면 당연히 전혀 그렇지 않습니다

데모 크레토스 와 같은 시대에 살던 데모 크리 토스의 경쟁자였던 사람이

아리스토 텔레스 입니다

아니 사실은 아리스토텔레스의 경쟁자가 데모 크릭 토스 라고 해야 되겠죠

아리스토텔레스는 아무것도 없는 것이 있다는 것은 많이 되지 않는다고

생각했습니다

실제 하는 것은 뭔가가 있는 것이라고 생각했습니다 그래서 아무것도 없는

것이라는 진공 이란 개념을 거부했습니다 이 전통도 굉장히 뿌리 있게 이어

내려와서 뉴턴의 역시 경쟁자였던 라이프 잊지도 아무것도 없는 절대

공간이란 있을 수 없다

절대 공간이란 역시 무엇인가 있는 것이라고 생각했습니다

아리스토텔레스는 정확하게 일치하는 개념이라고 할 수 없지만

에테르 라는 개념을 생각했습니다 근데 과학 으로 넘어오면서 그 절대 공간

이라는 것과 에테르 는 꽤 많이 겹치게 됩니다

아 아무것도 없는 것 공간 이란 건 없고 에테르 가 모든 것을 채우고

있고 에텔 속에서 우리가 살고 있다는 겁니다

키 개념은 전자기학 2 발전하면서 전자기파가 진행하려면 은 중간에 몸과

가 있어야 진행할 수 있다

그 전자기파 매질이 바로 에테르 일 것이다 라는 생각과 함께

19세기에 체계를 갖추게 됐습니다 20 저희가 접어들면서 물리학자들의

가장 중요한 목표 중의 하나는 에테르 라는 것을 어떻게 이해할 것인가 하는 것이었어요

잘 알 이유도 있다 시피 아인슈타인은 에테르 라는 개념이 없어도 역학은

얼마든지 정상적으로 이 만들어질 수 있고 전 자리 파도 우리가 설명할 수

있다는 것을 보여주었습니다

그래서 더 이상 현대 과학에서는 에 테리 라는 존재를 생각하지 않습니다

그러면 다시 진공으로 돌아가겠습니다 우리가 진공 하면 편의 공기가 없는

센타로 상태 라고 얘기를 합니다

그래서 진공을 만들기 위해서는 처음에 제일 간단한 방법으로는 진공 펌프로

얘기를 뽑아냅니다 특히 아주 고도의 진공을 만들기 위해서는 그 안에 있는

공기 빈자 하나하나를 어떤 다른 물질을 통해 도착시 켜서 하나하나

걸러내는 그런 방법도 씁니다

우리가 진공을 만든다고 하더라도 자연에는 사실 더 강력한 주인공들이 존재를 합니다

바로 우주 공간 입니다 위 경관은 다 똑같아 보이지만 사실 우리 지구

근처 같은 곳은 물질들이 많이 있습니다

지구에서 나온 물질들이 어디로 가겠습니까 우리 주변에 고 우주공간에 흩어져 있습니다

정말로 강력한 진공 을 보고 싶냐 는 태양계를 떠나서 또 누나도 떠나서

은 하와이나 사이에 완전히 텅 빈 공간으로 나가야 되요

그렇게 되면 거기에는 1 세제곱 센티미터

그러니까 우리 손가락 마디 하나 정도죠 그정도 안의 공기 분자 하나정도

존재할 정도 그 정도의 진공이 됩니다

뭣이 이제 우리가 생각할 수 있는 가장 강력한 진공 입니다

자 그러면은 다시 생각을 해보겠습니다 그러면 그 공간에는 공기 분자가

하나의 있다고 했습니다

끊고 나머지는 뭐냐 진짜 진공이 아니겠느냐

진짜 아무것도 없는 공간이 m 이냐 이렇게 생각할 수 있습니다

자 그럼 이제 현대 물리학이 진공을 어떻게 얘기하고 했는지 한번 얘기해 보겠습니다

진공 이란 사실 뭔가 절대적인 것으로 보입니다

그런데 과학자들은

절대적 이란 말을 그렇게 좋아하지 않습니다

그래도 물리학자들이 생각하는 것 중에서 가장 덜 때에 가까운 무엇인가가

있다면 그것은 에너지 일 것입니다

현대 물리학에서는 진공을 가장 낮은 에너지 상태 라고 흔히 이야기를 합니다

가장 낮은 에너지 상태가 되려면 그럼 어떻게 되어야 될까요

우선 아인슈타인이 가르쳐 줌 말라면 물 필히 없어야 됩니다

물질이 있으면 은 질량이 있고 그러면 에너지가 생기게 됩니다

따라서 물질은 다 없애야 됩니다 아 우리가 생각하고 있는 주인공과 잘

맞습니다 그러면

신랑이 없는 빛은 어떨까요

우리는 사실 질량은 없지만 빛도 역시 어떤 식으로든 에너지를 가지고

있다는 걸 알고 있습니다

그래서 빅 또 없어야 할 것입니다

원자시계 는 원자핵과 전자가 있다고 했지만 원자핵과 전자가 주머니 속에

들어 있는 것처럼 들어 있는 것이 아닙니다

둘 사이는 각각 플라 스와 - 전개를 들으셔서

전기적인 힘으로 서로 벼락이 있습니다 전위적인 힘은 전자기파를 통해서

매개가 됩니다

빛이란 전자기파의 한 종류입니다 결국 원자핵과 전자는 빛으로 서로 연결

되어 있다고 할 수 있고 원자 속은 원자핵과 전자가 상호 작용하는 b

또는 전자 바로 가득 차 있다고 할 수 있습니다

따라서 그곳은 아무것도 없는 진공이 아닙니다

빛으로 가득찬 의 곱습니다 그럼 우주 공간은 어떨까요

현대 물리학은 또는 현대 천문학은 이 우주에는 우주배경복사 라고 부르는

전자기파가 가득 차 있다고 얘기를 합니다

그것은 우주가 빅뱅 으로부터 안들어 져 나갈 때 원자가 만들어진 순간에

남아 있었던 빛들이 더 이상 갈 곳을 잃고 우주공간에 그대로 머물러 있는

것을 말합니다

결국 우주 공간은 빛으로 가득차 있는 것입니다 비록 그 빛이 아주 낮음

에너지의 미치긴 하지만

빛으로 우주 공간은 가득 차 있습니다 모든 방향으로 균일하고 모든 곳에서

똑같은 거의 완전히 똑같은 빛으로 가득 차 있습니다

따라서 어떤 의미에서 완전히 아무것도 없는 진공이 아닙니다

우리가 그동안 진공 이라고 생각해 같은 것들도 사실은 빛의 입장에서 보면

어딘가 어떤 종류의 비친 가로는 아스타 있습니다

다 이것이 바로 우리가 보고있다고 생각했던 진공 입니다

방북 계획이 라고 했는데 우리가 본다는 것은 사실 이 빛을 통해서 봅니다

따라서 우리가 본다고 생각하는 주인공은 결국 전자기파의 의해서 전자기력

에 의해서 정의된 진공 입니다

그래서 진공을 얘기할 때는 우리가 무엇을 통해 보면서 보직 몸을 얘기

하고 있는가를 먼저 정의를 해 줘야 됩니다

물리학자들은 자연에는 네 가지 기본 힘이 있다고 말합니다

이 네 가지는 서로 완전히 독립된 존재이기 때문에 어느 하나에 의해서

주인공이라고 해도 다른 하나에 의해서 진공이 필요는 전혀 없습니다

방금 우리가 얘기한 것은 전자기력 에 의한 진공을 얘기했습니다 그러면 또

하나 우리에게 익숙한 힘인 중력 에 의한 진공을 생각해 보겠습니다

아니 스타인 의 일반 상대성 이론은 중력이란 시공간의 휘어짐 을 말한다

고 얘기했습니다

즉 우리가 중력을 느낀다고 하는 것은 그 사이에 시공간이 어떻게 휘어져

있다라는 것을 얘기 한다는 뜻입니다

그래서 더 이상 중력 이라는 것은 빈 공간에서 2개 음 물질이 주고받는

힘이 아니라 물질과 시공간이 상호작용을 하는 것이라고 이해를 합니다

그런데 그런 시공간의 휘어짐이 가장 낮은 에너지 상태를 취하려면 어떻게

해야 될까요

당연히 휘어진 이 가장 없는 상태 그냥 평평한 상태야 될 것입니다 종이로

생각하면 평평하다 는 걸 우리가 금방 머릿속에 그릴 수 있지만 실제로 이

세상은 3차원 공간으로 이루어져 있으니까 3차원 공간이 평평하다 고

생각을 해야 됩니다

물론 그것은 머릿속에

그리기는 어렵습니다 우리가 중령의 입장에서 본 진공은

물론 물질은 아무것도 없고 모든 시공간이 안전이 평평 하게 돼 있어 전혀

휘어 있지 않을 때를 중력에 의한 진공 이라고 부릅니다

그러면 자연에 있는 또다른 임은 무엇이냐면 원이가 핵을 만드는 힘인 강한

행려 깁니다 또는 강한 상호 작용 이라고 부르는 힘 입니다 이 힘은 아주 강합니다

그래서 원자에 바깥에서는 거의 작용을 하지 않습니다

한편 이 힘은 또 배우 복잡한 수학으로 기술이 됩니다

전자기 력보다 사실 훨씬 더 복잡한 수학 입니다

그래서 이 힘에 의한 진공을 생각하며 는 사실은 진공의 모양이 즉 가장

낮은 에너지 상태 의 모양이 매우 복잡합니다 전자기력 의 주인공 처럼

단순하지 않고 여러 개의 진공이 존재할 수가 있습니다

그러면 그 중에서 우리의 진공 과연 어디에 있는 것일까

실험을 통해서 보면 그 중에서 가장 간단한 형태의 진공을 택하고 있는 것처럼 보입니다

왜 그런지는 모릅니다 이것을 이론 적으로 설명하려고 하는 사람들이 있고

그래서 이것을 이론 적으로 설명하기 위한 입자가 예측되는 바가 있고 또

그 입자를 찾기 위한 실험이 진행되고 있기도 합니다

어쨌든 우리는 강한 입력 에 의해서는

많은 진공을 생각할 수 있고 현재는 그 중에 가장 간단한 향 형태의

진공의 우리 우주가 있다고 얘기할 수 있겠습니다

이렇게 세 가지 힘은 설명하려 매우 쉬운데

또 다른 한가지의 힘은 사실을 설명 아이가 매우 어렵습니다 왜냐하면 우리

주변에서 보기가 그다지 쉽지 않기 때문입니다

그 힘은 약한 행려 기 라고 부릅니다

그리고 이 악한 행여 역시 전자기력 보다는 조금 더 복잡합니다 그리고 이

약한 행 폭력의 주요한 특징은 첫째로 이름이 협력 이라는 데서 알 수

있듯이 역시 원자 해 이하의 작은 못에 서만 작용을 합니다

그리고 눈에 띄는 커다란 특징은 약한 행적을 통해서 는 입자 의 종류가

변할 수가 있습니다

원래 있던 입자가 약한 행 역으로 상호작용을 해서 는 다른 입자로

변해버릴 은 그래서 이 약한 학력을 보는 방법은 이렇게 변해버린 결과를

통해서 보게 됩니다

아마 우리가 지구상에서 이 악한 행려 글 볼 수 있는 방법은

방사선 중에서 우리가 비타 선 이라고 부르는 현상을 통해서 볼 수 있습니다

빌 타선을 내는 현상을 방사성 베타 붕괴 라고 말을 하는데

베타 붕괴 라는 것은 물 원자핵 속에 있는 중성자가 양성자 로 변하는

현상입니다 우리는 그 현상을 아주 눈에 띄게 볼 수가 있습니다

이것이 아마 우리가 주변에서 볼 수 있는 거의 1

어 약간 학력 현상일 것입니다 하지만 태양 속 이라든가 또는 2

대기권 표면에서는 여러가지 종류의 약한 힝 역 현상이 일어나고 있습니다

물론 실험실에서는 여러가지 다양한 형태의 약간 학력 현상을 만들어서

실험을 하고 있습니다

이 악한 행려 기 지금 우리 눈에 보이는 것처럼 보이게 하는 데 중요한 역할을 하는

입자가 하나 있는데 그것이 바로 수입자 입니다

힉스 입자 라는 이름을 그래도 최근에는 많은 사람들이 들여 보셨을 거라고

생각을 합니다 이 힉스 입자가 약한 학력의 성질을 결정해주는 입자 입니다

그런데 약한 행려 계성 길 뿐 아니라 힉스 입자는 더 중요한 일을 합니다

뭐냐 하면은 약한 학력에 의한 진공을 힉스 입자가 결정을 해 줍니다

강한 행 여기 라든가 전자기력 이라든가 중력은 그 진공 이라는 상태가

가장 낮은 에너지 상태이므로 아무것도 없는 상태 를 정해 주는 것처럼 보입니다

그런데 약한 학력은 조금 다릅니다 힉스 입자는 약한 능력이 특정한

방향으로 결정되어 있는 상태를 진공으로 정해 줘 버립니다

왜 그렇게 정 해 줘 버린 야

모릅니다 현대 물약도 모르는게 많습니다

어쨌든 우리는 약한 학력에 의한 진공이 그렇게 결정되어 있다는 것은

실험을 통해서 알 수 있습니다

그리고 약한 행적에 의한 진공이 그렇게 결정되어 있기 때문에 우리 눈에

보이는 여러 가지 현상들 즉 입자 의 질량 이라든가 약한 행 여기 아주

작은 범위 안에서 원자핵 안에서만 일어나고 있다 인가

이런 성질 들이다 설명이 되게 됩니다 이런식으로 현대물 야외에서는 진공을

각각의 힘에 따라서 다르게 이해를 해야 합니다

이 네 가지 힘에 의해서 결정되는 진공이 현대 물리학이 설명하고 있는 진공 입니다

어쨌든 현대 물약이 설명하고 있는 이 진공 의 정의는 가장 낮은 에너지 상태라고 할 수 있습니다

자 처음에 얘기를 시작했던 마구 더블오 그의 방 9

속에서부터 지금 많이 다른 얘기까지 돌아 오게 됐는데요

자 그럼 다시 생각을 돌이켜 보겠습니다 아연 그 방구 속에는 뭐가 들어

있었을까요 

경공이 들어 있습니다 자 그럼 주인공 이란 무엇일까요

처음에 여러분들이 생각했던 진공과 지금 여러분들이 생각하고 있는 진공은

얼마나 달라졌을까요

다시 한번 물어보겠습니다 머드 데브 루크의 밤 구한 에는 무엇이 있었을까요

여러분이 주인공이 라는 개념에 대해서 다시 한번 잘 될 생각해 보시기 바랍니다