글래스고대학 등의 연구자들이 자유공간(물질이 존재하지 않는 공간)을 이동하는 빛을 감속시키는 데 처음으로 성공했다. 지금까지 진공 중의 빛의 속도는 일정하고 불변한 물리적 척도로 취급되어 왔지만 이번 결과는 그 전제를 뒤흔든 것이다.
연구팀은 광자를 액정 마스크(liquid-crystal mask) 장치에 통과시켜 형상을 변화시키고 형상이 변화하지 않은 광자와 속도를 경쟁하게 하는 실험을 실시했다. 그 결과 형상이 변화한 쪽의 광자는 1m의 이동거리에서 최대 20파장분의 지연이 관측되었다. 이것은 빛이 자유공간에서 감속할 수 있음을 보여주는 첫 실험결과다.
자유공간 중의 빛의 속도는 초속 2억 9,979만 2,458m이며 이 속도는 불변으로 지금까지 생각되어 왔다. 빛은 물이나 유리를 통과하는 동안 감속하지만 통과한 후에 다시 광속으로 돌아간다. 그러나 이번 실험에서는 광자는 마스크를 통과한 후에도 약간 감속한 상태를 유지했다.
글래스고대학의 광학연구그룹에 속하는 마일즈 패젯 교수가 지휘하고 에든버러에 있는 헬리엇와트대학과 공동으로 실시된 이번 연구는 Science 학술지의 온라인 선행 게재판 'Science Express'에 발표되었다.
연구팀은 이번 실험에서 광빔의 거동을 자전거 레이스 집단의 주행에 비유하고 있다. 빛은 '입자'와 '파동' 양쪽의 성질을 겸비하기 때문에 개별 광자의 형상을 '파동'으로 변화시키는 한편 두 광자의 이동속도를 '입자'로 경쟁시킬 수 있다.
자전거 레이스의 집단은 전체적으로는 일정 속도로 이동하고 있어도 개별 선수는 집단 내에서의 순위를 바꾸면서 각자 다른 스피드로 달리고 있다. 동일하게 빛에도 적용되며 하나의 광빔은 복수의 상이한 속도로 구성된다. 즉 1개의 광빔은 자전거 레이스 집단과 마찬가지로 전체적으로는 광속으로 이동하고 있지만 선수에 해당하는 개별 광자의 속도는 각각 다른 것이다. "구조화된 광선에 우리가 달성한 지연은 1m의 전파거리에서 수 마이크로미터로 작다. 그러나 그것은 유의미한 지연”이라고 연구의 필두저자 중 한 명인 다니엘 조바니 씨는 말했다.
다만 중요한 것은 이 실험결과가 단거리에만 적용된다는 점이다. 연구팀은 광빔의 생성에 사용되는 렌즈가 크고 또한 빛의 이동거리가 짧을 경우에 감속의 효과가 최대가 된다고 설명했다. 즉 이번 연구결과는 우주의 구조에 관한 우리의 기본적 이해에까지 변화를 가져오는 일은 없지만 빛에 관한 기존의 이해에는 변화를 가하는 내용이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 自由空間において光の速度は一定でないことが、初めて証明される https://wired.jp/2015/01/27/speed-of-light-slowed/
지구의 위성인 달의 성립에 대해서는 복수의 가설이 있지만 그 중에서도 약 46억 년 전에 테이아라는 천체가 지구에 충돌해 그 파편이 달이 되었다는 자이언트 임팩트설이 유력한 것으로 여겨지고 있습니다. 새롭게 영국의 더럼대학, 글래스고대학, NASA의 에임스연구센터의 연구자로 구성된 팀이 슈퍼컴퓨터를 사용하여 자이언트 임팩트설을 시뮬레이션 한 결과에서 달은 행성충돌로부터 불과 몇 시간 만에 형성되었을 가능성이 부상했습니다.
자이언트 임팩트설에도 여러 패턴이 있고 달이 어떻게 형성되어 갔는지에 대해서는 논의의 여지가 있습니다. 지구에 충돌한 테이어가 수백만 개의 파편과 지구에서 기화한 암석과 가스가 섞여 천천히 지구를 도는 원반이 형성되었고 수백만 년에 걸쳐 냉각되면서 달이 되었다는 가설에서는 달의 대부분이 테이아 유래의 물질임에도 불구하고 동위원소 조성이 지구와 비슷하다는 점에 대한 설명이 부족합니다. 또 달은 테이아의 충돌에 의해 지구로부터 기화한 물질로 이루어진 원반 속에서 형성되었다는 가설에서는 현재의 달의 궤도를 설명하기 어렵다고 합니다.
by NASA
이에 더럼대학의 계산우주학자인 Jacob Kegerreis 씨 연구팀은 대량의 물질에 작용하는 중력과 유체역학적인 힘을 시뮬레이션하는 'SPH With Inter-dependent Fine-grained Tasking(SWIFT)'라는 컴퓨터 프로그램과 더럼대학의 우주연구용 슈퍼컴퓨터인 COSMA를 이용한 시뮬레이션을 실시했습니다.
연구팀은 COSMA를 이용하여 다양한 각도, 회전, 속도로 지구와 테이어의 충돌을 시뮬레이션했습니다. Kegerreis 씨에 의하면 일반적인 컴퓨터에서는 모델화할 수 있는 입자의 수는 10만~100만 개 정도이지만 COSMA를 사용하면 1억 개의 입자를 모델화할 수 있다고 합니다.
COSMA를 이용한 고해상도 시뮬레이션을 통해 연구팀은 행성충돌로 방출된 지구의 물질과 분쇄된 테이아의 파편으로부터 단 몇 시간 만에 달이 형성되었을 가능성이 있다고 결론지었습니다.
화면의 왼쪽에서 날아온 테이아가 오른쪽의 원시의 지구와 충돌해 녹은 대량의 파편이 휘날립니다. 그러나 지구 쪽은 곧바로 형태를 되찾고 거기에서 꼬리처럼 녹은 파편이 늘어나는 형태로 파편은 2개의 덩어리가 되었고 지구에 가까웠던 큰 덩어리는 흡수되었지만 지구로부터 멀었던 작은 덩어리는 흡수되지 않고 남아 달이 되었다는 것.
이번 시뮬레이션은 달이 단 몇 시간 만에 형성되었을 가능성이 있다는 것을 보여주었습니다. 이 시나리오에서는 달의 외층은 약 60%가 원시 지구 유래의 재료로 구성되어 있으며 채취된 달 샘플과 지구의 동위원소 조성이 유사하다는 점과 달의 기울어진 궤도에 대해서도 설명을 할 수 있습니다.
이 시나리오가 옳다는 것을 증명하려면 미래의 달탐사에서 월면 아래 심층부에서 암석 등의 샘플을 채취하여 맨틀의 혼합상태 등에 대해 분석해야 합니다. Kegerreis 씨는 향후 더 많은 달 샘플이 입수하면 그 분석결과를 모델에 반영해 더욱 정밀도를 높일 수 있다고 보고 있습니다. “이번 임무와 연구는 달과 지구의 역사에 대한 규명과 태양계 내외의 행성 형성에 대해 더 깊이 알기 위해 확실히 도움이 된다”고 평가했습니다.
또한 논문의 공동저자인 더럼대학의 빈센트 에이크 씨는 “달이 어떻게 탄생했는지 알수록 우리가 사는 지구의 진화가 보인다”고 말했습니다.
수소원자는 양성자 1개, 전자 1개로 구성되어 있습니다. 그러나 전자껍질의 가장 안쪽의 K껍질에는 전자가 두 개 들어가는 공간이 있습니다. 이 K껍질에 하나 빈 공간이 있기 때문에 이대로는 불안정한 상태입니다.
거기에 또 하나의 수소원자가 나타나 전자를 공유함으로써 K껍질이 채워져 안정적이게 될 수 있게 됩니다. 이 전자껍질을 공유함으로써 결합하는 것을 '공유결합'이라고 합니다. 따라서 일반적으로 수소는 단독으로는 분자로 존재합니다.
이어 산소원자는 전자껍질의 최외각에 두 개의 여유공간이 있습니다. 수소와 마찬가지로 그대로는 안정적이지 않기 때문에 원자가 2개 붙어 산소분자 O2, 3개로 오존 O3 등으로 존재합니다. 그 외 이산화탄소 등 다양한 원소와 붙어서 안정적이게 됩니다.
이 산소원자의 틈새에 수소원자가 붙으면 서로의 전자를 공유하면서 안정되어 물분자(H2O)가 됩니다.
그러나 여기서 하나 신경이 쓰이는 것이 양성자는 (+), 전자는 (-)의 전하를 가지고 있는데 물분자를 보면 수소는 산소에 전자를 빼앗긴 모습입니다. 그렇다는 것은 전자가 산소 측에 치우쳐져 버리기 때문에 수소는 전자의 영향이 없어져 (+)로 대전합니다. 산소는 전자를 2개 받음으로써 (-)에 대전하면서 물분자는 분자 자체가 극성을 갖는 것이 됩니다. 이것을 '극성분자'라고 합니다.
물분자에 (+)와 (-)의 극성이 있다는 것은 다른 극성끼리는 끌어당기는 현상이 일어납니다. 수소 부분은 산소 부분으로, 산소 부분은 수소 부분으로 서로 끌어당기는 현상은 수소가 물분자를 결합시키는 것처럼 보입니다. 이와 같이 수소를 통해 결합하는 것을 '수소결합'이라고 합니다. 결합이라고 부르기에는 그 힘은 그다지 강하지 않기 때문에 분자간 힘이라고도 불립니다.
이 물분자의 집합을 '클러스터'라고 부릅니다. 수소결합의 힘은 약하기 때문에 물 속에서는 물분자끼리가 붙어 있거나 멀어지기를 반복해 이 클러스터의 크기가 끊임없이 변화하고 있습니다.
여담이지만 얼음이 물에 떠 있는 이유는 이 클러스터가 관련되어 있습니다. 물이 액체일 때는 물분자가 돌아다니기 때문에 클러스터가 변화하고 서로의 틈을 메우므로 밀도가 높습니다.
한편 물이 식어 가면 물분자의 움직임이 멈추고 클러스터에 틈을 만든 채 얼어붙습니다. 틈이 많이 있으므로 밀도가 낮아지고 부피가 커집니다. 그 때문에 밀도가 낮은 얼음은 밀도가 높은 물에 뜨고 체적도 커지는 것입니다.
마지막으로 물은 전기를 잘 통과시킵니다. 그러나 순수한 물은 전기를 통과시키지 않습니다. 전기는 자유전자의 이동인데 순수한 물은 수소와 산소의 공유결합이 강하고 전자가 결합의 속박에서 벗어날 수 없습니다. 전자가 움직일 수 없기 때문에 전기를 통과시키지 못합니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 水と電気の関係。純水は電気を通さない？ https://alllearnhobby.com/archives/232.html
원래 힉스입자는 60% 정도의 확률로 보텀쿼크와 반보텀쿼크의 쌍으로 변신할 것으로 예상되었지만 변신하는 모습은 확인할 수 없었습니다. 많이 일어나는 현상이지만 결과적으로 많은 입자가 튀어나오게 되기 때문에 찾아내는 것이 매우 어려웠습니다. 그러나 LHC가 방대한 실험자료를 분석한 결과에서 변신하는 모습이 보였다고 합니다.
이전 실험에서 타우입자와 힉스입자가 서로 반응할 수 있다는 것을 알고 있었으므로 물질을 구성하고 있는 소립자인 페르미온의 3세대의 매우 가벼운 중성미자를 제외한 소립자 중에서도 특히 무거운 3개의 소립자인 탑쿼크, 보텀쿼크, 타우입자와 힉스입자가 서로 반응할 수 있음을 확인할 수 있게 되었습니다. 이 연구결과로 이 소립자의 질량의 대부분은 힉스입자와 붙어서 생겨나고 있다고 설명할 수 있게 되었습니다.
앞으로는 더욱 데이터를 늘려 힉스입자와의 사이 좋은 정도가 제3세대와는 크게 다를지도 모르는 제2세대의 페르미온과의 반응도 자세하게 조사할 예정이라고 합니다.
스티븐 호킹은 젊은 시절에 ALS(근위축성 측삭 경화증)를 발병해 휠체어 생활을 강요당했다. 발병 후 수년 만에 호흡근 마비를 일으킨다는 난치병으로 여명도 길지 않다고 생각되었지만 호킹은 76세까지 살았다.
이 천재 물리학자가 어려서 죽을 것이라던 예측은 연구논문이 나올 때마다 이 사람은 불사신인 것이 아닐까라고 생각하게 되었다. 호킹은 “휠체어의 뉴턴”으로서 방대한 연구성과나 일반 과학서를 계속 발표했다.
그와는 정반대의 철학을 가지면서 그와 친밀한 물리학자 로저 펜로즈와 비교해 보자.
펜로즈는 호킹의 박사논문의 사독자로 이른바 스승에 해당하고 공동으로 논문도 집필하다. 두 사람은 모두 물리학의 거성이지만 과학에 대한 자세는 정반대다.
펜로즈는 아인슈타인 등과 같은 계보에 속해 '실재론'이라는 생각으로 물리학을 하고 있다. 실재론은 물리학의 수식 뒤에 물체가 실재한다는 굉장히 당연한 생각이다. 물리학자나 철학자가 아닌 일반인들도 '소박실재론'으로 인생을 보내고 있다. 눈앞의 테이블이나 고양이가 실제로는 실재하지 않는 것이라고 의심하는 사람은 그다지 많지 않을 것이다.
호킹은 보어 등과 같은 계보에 속해 ‘실증론’이라는 생각의 물리학자다. 실증론이란 물리학의 수식은 실험이나 관측과 대조하기 위한 계산도구에 지나지 않고 그 배후에 물체가 있는지 어떤지는 관여하지 않는다는 생각이다.
수식을 컴퓨터 프로그램에 넣어 수치를 낸다. 그 수치가 실험이나 관측의 수치와 맞는지가 중요하다. 수식 뒤에 물체가 있는지 여부는 아무래도 좋다. 실재를 말해도 의미가 없다. 말하자면 완전히 개방된 세계관인 것이다.
◆ 사제가 예언한 우주 시작의 '심'
철학은 다르지만, 수식을 이용해 예언을 하는 점은 같다. 그래서 호킹과 펜로즈는 함께 논문을 썼다. 원래는 펜로즈가 '블랙홀의 한가운데에는 심이 있다'는 특이점 정리를 증명했고 호킹이 그것을 우주에 응용해 공동으로 '우주의 시작에도 심이 있다'라는 논문을 쓴 것이다.
특이점이라는 것은 크기가 0인데 에너지가 유한한 점이다. 크기가 0이므로 에너지밀도는 무한대가 된다(유한 에너지 ÷ 0 = 무한대). 물리학은 뉴턴방정식이든 아인슈타인 방정식이든 무한대가 나오면 계산이 불가능해진다. 그래서 특이점은 '물리학의 끝'을 의미한다.
그런 곤란한 '심'이 블랙홀의 한가운데뿐만 아니라 우주의 시작에도 존재한다는 것이다.
◆ 독자적 우주론을 전개한 호킹
실재론의 펜로즈와 실증론의 호킹의 우주론에 있어서의 공동작업은 여기에서 끝났다. 이 논문 이후 두 사람은 극단적으로 다른 우주론을 전개하기 시작한다.
호킹은 '우주의 시작에도 '심'이 있었다'는 설을 담백하게 버리고 '양자론을 가미하면 우주의 시작은 없어지고 시간도 허수가 된다'는 '허시간의 우주론'을 제창했다. 시간이 허수가 되면 보통의 시계에서는 시간을 헤아릴 수 없게 되는 것을 넘어 시간의 경과라는 개념조차 없어져 버린다. 그래서 우주의 시작도 없어진다.
심=특이점이라는 것은 시공에 있어서는 뾰족한 점과 같은 이미지다. 파라솔을 펼치기 전에는 끝이 뾰족하지만 펼치면 구면의 일부가 되어 버려 전체가 둥글게 되기 때문에 심=특이점이 사라진다는 느낌이다.
거의 의미가 없는 우주론이지만 호킹은 실증론자이고 우리는 아무래도 수식에서 '의미'를 찾아내려고 한다.
호킹에게는 우주론에 양자론을 적용해 보자 시간이 허수가 되었다는 이야기로 허시간의 우주의 '흔적'이 현재 우주에 남아 있으면 관측할 수 있고 남아 있지 않으면 관측할 수 없다는 것에 불과하다.
덧붙여 호킹은 아인슈타인의 중력방정식에 조금 양자역학을 가미해 계산을 한 양자중력이론의 선구자라고 할 수 있다.
우주의 시작뿐만 아니라 블랙홀의 경계선(사건의 지평선)도 양자론 식으로 고찰해 '블랙홀은 완전히 검은 것이 아니라 조금 방사하고 있으며 실은 그레이홀이었다'는 계산도 했다. 이것이 유명한 호킹방사이며 블랙홀이 결국 에너지를 방사하고 증발한다는 놀라운 예상으로 이어진다.
◆ 빛에 집착한 펜로즈
실재론자인 펜로즈는 눈에 보이는 '빛'에 집착했고 또다시 기발한 우주론을 발표했다.
우주의 시작에는 질량이 있는 물체가 없었고 질량이 0인 빛만 있었다. 현재 우주는 가속도적으로 팽창하고 있어 물질이 점점 희박해지고 결국 블랙홀 투성이가 되지만 그 블랙홀도 호킹방사에 의해 증발한다. 그런 미래에 존재하는 것은 빛뿐이다. 그리고 물체가 없으면 공간에서 길이를 측정할 수 없다. 빛만으로는 각도밖에 측정할 수 없는 것이다.
그러면 우주의 시작의 작은 우주와 팽창하여 거대해진 우주는 같은 '크기'라고 해도 상관없다. 왜냐하면 원래 빛만으로 채워진 우주에는 길이라는 개념이 없기 때문이다.
따라서 펜로즈는 우주의 시작과 끝이 '같다'는 우주론에 도달했고 빅뱅 직후의 우주를 관측하면 '이전 우주의 흔적'이 있을 것이라는 예상했다. 이전 우주의 지적생명체가 다음 우주에 어떠한 메시지를 남기진 않았겠냐는 꿈이 있는 가설에는 크게 마음이 움직인다.
과연 우주의 시작은 둥글고 허시간이었는지, 아니면 처음과 끝이 '빛'으로 충만하는 윤회전생하는 우주였는가...
호킹과 펜로즈는 실증론과 실재론이라는 극단에 위치하는 철학을 가지고 있지만 두 사람이 도달한 곳은 모두 SF적이고 순수수학과 인간의 상상이 아름답게 융합된 꿈의 세계이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 「宇宙の始まり」を消し去ったホーキングの「すごい世界観」 https://gendai.media/articles/-/55317?page=1
수식으로 쓰면 E = mc^2. 세계 제일 유명한 물리학의 방정식이다. 기호의 의미를 어원까지 거슬러 올라가 보면 E는 에너지(energy), m은 질량(mass), c는 라틴어의 빠름(celeritas, 케레리타스)의 머리글자이다. 에너지는 그리스어 유래로 '내부에 있는 일하는 능력'이라는 뜻이다.
에너지라는 개념은 파악할 곳이 없다. 에너지는 자유자재로 모습을 바꾼다.
에너지가 붙는 단어를 떠올려보면 전기에너지, 열에너지, 화학에너지, 운동에너지, 위치에너지, 중력에너지 등으로 다양한데 이상하게도 학교에서는 에너지라는 개념 그 자체에 대해 자세하게 가르치지 않는다.
실은 대학이나 대학원에서 전문적으로 물리학을 공부한 사람이라도 간단하게 대답할 수 없을 가능성이 있다. 그만큼 에너지는 물리학에서 귀찮은 개념이다.
그러나 견해를 바꾸면 반대로 에너지는 매우 간단한 문제라고 볼 수도 있다.
간단한 사고방식: 존재하는 사물에는 모두 에너지가 있다
이 명제의 대우를 세우면 다음과 같이 된다.
에너지가 없는 사물은 존재하지 않는다
에너지가 제로라고 하는 것은 사물로서 존재할 수 없다는 것이다! 물리학이 사물의 이론을 탐구하는 학문이라면 물리학은 에너지를 탐구하는 학문으로 정의하는 것도 가능한 것이다.
예를 들어 높은 위치에 있는 물체는 떨어지면 에너지가 나타난다. 위치에너지(=중력에너지)가 운동에너지로 변하는 것이다. 덧붙여서 위치에너지는 숨겨진 능력이라는 의미로 일반적으로는 포텐셜 에너지로 분류된다. 영어의 잠재력(potential)은 '가능성, 능력'을 의미한다.
수력발전소에서는 높은 위치에 있던 물이 낮은 위치로 이동하여 고속·고압이 되는 현상을 이용하여 터빈을 돌려 전기에너지로 변환하고 있다. 위치에너지가 전기에너지로 변하는 셈이다.
산업혁명에서의 증기기관의 발명으로 인류는 석탄이나 석유 등의 화석연료를 연소시키는 화학반응을 이용해 열에너지를 운동에너지로 변환해 기관차나 기선을 움직일 수 있게 되었다. 화학에너지→열에너지→운동에너지라는 에너지 변화의 가능성이 열린 것이다.
내가 운전하는 가솔린차도 이 원리로 달리고 있다. 열에너지로 터빈을 돌려 전기에너지로 변환함으로써 기차는 전차가 되었고 각 가정에 전기제품이 넘치는 시대가 왔다.
◆ 정지에너지
천재 아인슈타인의 정지에너지는 학교에서 가르치는 에너지에서 거의 나오지 않는다. 모처럼 학교에서 움직이는 물체에는 운동 에너지가 있다고 가르치나 물체가 멈춰 있어도 에너지가 있다는, 마치 반대와 같은 것을 가르치는 것이 꺼려졌기 때문일까?
E=1/2mv^2
예를 들어 학생들에게는 이런 질문이 나올 수 있다.
"멈춰 있던 물이 아래로 떨어지면 위치에너지가 운동에너지로 바뀌고 터빈을 돌려 발전하는군요? 그렇다면 원자력발전에 나오는 정지에너지도 포텐셜 에너지의 일종인가요?"
원자력에너지에 의한 발전에서는 핵분열 시에 질량이 줄어들어 그 줄어든 분의 정지에너지가 중성자 등의 운동에너지로 변환되는데 중성자 등은 엄청 작고 날고 있는 방향 역시 제각각이어서 열에너지이고 그 열에너지로 터빈을 돌려 전기로 변환한다.
요점은 정지하고 있는 원자핵의 '정지에너지'가 결국 전기에너지로 변환되는 것이다.
정지하고 있기 때문에 그것은 운동에너지가 아닐 것. 그렇다면 넓은 의미에서의 포텐셜 에너지일 것이라고 학생이 의문을 품어도 이상하지 않다.
하지만 선생님은 대답에 궁핍해질 것이다. 왜냐하면 정지에너지는 그동안 학교에서 가르쳐 온 위치에너지 등과는 본질적으로 다른 에너지이기 때문이다.
아인슈타인의 이론에서 위치에너지 같은 포텐셜 에너지는 최종적으로 '중력장을 나타내는 계량 텐서'라는 난해한 수학이 등장할 수밖에 없다. 텐서는 수학의 벡터를 일반화한 개념이지만 학생의 소박한 의문에 대답하기 위해 꺼내기는 무리다.
위치에너지는 중력장이 가지는 에너지로 그것은 시공의 왜곡을 나타낸다. 수학적으로는 계량 텐서로 나타난다.
아인슈타인의 발견은 이런 형태로 쓸 수 있다.
v는 사물의 속도이며 이것이 0일 때
에 귀착한다. 이 식은 근사적으로 다음과 같이 쓸 수도 있다.
우변의 전반이 정지에너지로 후반은 운동에너지다.
즉 아인슈타인은 지금까지 알려진 운동에너지뿐만 아니라 물체가 멈춰도 정지에너지가 되는 것이 존재한다고 주장한 것이다. 아인슈타인 이전에는 이 정지에너지의 존재에 아무도 알지 못했습니다.
태양의 핵융합이나 핵분열 시에는 질량 m이 줄어들어 그 결손분이 전기나 빛 등의 에너지로 변환된다. 전자와 양전자가 충돌하면 질량이 완전히 사라지고 순수한 에너지로 변환된다.
현대물리학은 아인슈타인의 수식 없이는 말할 수 없다.
◆ 광속과 질량의 이상한 관계
지금까지 에너지 E, 질량 m에 대해 살펴보았다. 마지막으로 남은 광속 c에 대해 생각해 보자.
수치로는 c는 대체로 초당 30만 킬로미터. 1초 만에 지구를 7바퀴 반 돈다. 실제로 우주에는 광속보다 빠르게 움직이는 물체는 존재하지 않는다. 보다 정확하게 말하면 우주에서는 광속보다 빨리 정보가 전해지는 않는다.
우주는 초광속으로 팽창하는데 우주의 제한속도가 광속 c라는 의미는 공간에 대한 속도다.
광속으로 움직이는 물체는 더 이상 물체가 아니라고 할 수 있다. 왜냐하면 질량이 0이기 때문이다. 하지만 에너지가 있기 때문에 존재는 하고 있다. 질량이 0인 빛은 멈출 수 없다. 아무리 질량이 작아도 질량이 제로가 아닌 한 속도를 느슨하게 멈출 수 있지만 질량이 제로라면 수명이 계속되는 한 광속으로 계속 날아야 한다.
그래서 아인슈타인의 이론은 어떤 의미에서 빛의 이론이며 광속의 이론이므로 E = mc^2에 광속 c가 등장하는 것도 당연한 것이다.
물리학자는 다양한 단위계를 사용한다. 표준미터, 킬로그램, 초라는 단위계도 있고 작은 물체를 취급할 때는 센티미터, 그램을 사용할 수도 있다.
아인슈타인의 이론으로 계산할 때에는 광속 c를 1로 둔 '자연 단위계'를 사용하는 경우가 많다. 광속 c는 상수이므로 그것을 1로 놓는 것이 합리적이다. 그래서 이 단위 시스템에서는 대개 c = 30만 킬로미터/초 = 1이므로 1초 = 30만 킬로미터라는 등식이 되었다. 시간의 1초는 길이 30만 킬로미터로 환산할 수 있는 셈이다.
E = mc^2의 의미를 물리학적으로 깊이 파고 보았지만 같은 수식에서도 부분적으로 완전히 다른 해석이 나오는 경우가 있다.
에너지는 무엇일까? 질량의 기원은?(힉스? 중력장?) 만일 초광속의 물체가 존재한다면 관측할 수 있는 거야?(초광속 입자 타키온?)
공식만 만져도 재미있지만 개념 그 자체에 대해 생각하기 시작하면 물리학은 실로 깊은 학문이라는 것을 알 수 있다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - アインシュタイン作「世界一有名な方程式」はここがスゴイ！ https://gendai.media/articles/-/56259?page=1
이번 연구에서는 다이아몬드 안에 있는 인클루젼이 테마가 되었습니다. 이러한 다이아몬드는 희귀한데 현재 퍼듀대학의 광물물리학자로 이전에는 미 보석학회의 연구원이었던 Tingting Gu 씨 연구팀은 레이저광이나 X선으로 결정을 파괴하지 않고 내용물을 조사하는 분석법을 구사하여 인클루젼을 스캔했습니다.
by Nathan D. Renfro and Tingting Gu
그 결과 인클루젼에서 링우다이트와 하부맨틀의 주성분인 브리지 마나이트, ferropericlase라는 광물이 발견되었습니다.
링우다이트는 상부맨틀의 주원료인 감람석(olivine)과 같은 화학조성을 가지고 있지만 매우 높은 온도와 압력으로 형성되기 때문에 다이아몬드 중에서 발견되기 전에는 인석에서만 발견됩니다. 또 수분을 많이 포함하는 성질을 가진 링우다이트가 하부맨틀의 광물과 함께 발견되었다는 것은 지구의 심부에는 지금까지 생각했던 것 이상으로 물이 많이 존재한다는 것을 시사하고 있습니다.
by Tingting Gu
지구의 깊은 부분에 대량의 물이 있을 가능성은 2014년의 연구에서도 나타났지만 이번 연구에 의해 더욱 견고한 것이 되었습니다. 연구에 직접 관여하지 않은 캐나다의 앨버타대학의 맨틀학자인 Suzette Timmerman 씨는 “만약 하나의 샘플만이라면 단순히 국소적으로 함수영역이 있을 뿐이었지만 두 번째의 샘플이 나왔기 때문에 넓은 범위에 적용할 가능성이 높아졌다”고 보았습니다.
지구의 깊은 영역에 포함되어 있는 수분이 지금까지의 정설보다 많다는 것을 보여주는 이번 연구결과는 플레이트 테크토닉스나 지중을 진행하는 지진파의 전파방법 연구에도 영향을 주기 때문에 다양한 분야에 도움이 됩니다.
Tingting Gu 씨는 앞으로 더 많은 다이아몬드에서 링우다이트를 발견하면 맨틀심부에 관한 연구가 더욱 진전될 것으로 기대하며 “만약 누군가로부터 프로포즈를 받아 끼워진 다이아몬드 반지에 인클루젼이 있다면 '아니오'라고 말하지 마시라"고 글을 남겼습니다.
진공 중에는 전기장, 자기장, 힉스장이라는 장이 있습니다. 전자기파는 전기장과 자기장의 진동입니다. 전기장과 자기장의 진동이 멈추면 전자기파가 사라집니다. 따라서 공간은 '무'가 아니라 '진동하는 장'이 있습니다.
전자기파(=빛)와 마찬가지로 물질도 '공간의 장'의 진동입니다. 드 브로이는 물질을 파동으로 보았습니다. 그리고 그 파장을 λ=h/mv라고 표현했습니다. 이것을 '드 브로이 파장'이라고 합니다. 드 브로이는 입자가 '파동성'을 나타내는 것으로 생각한 것입니다. 진동하는 입자가 움직이면 그 궤적은 파동이 됩니다.
그 후 슈뢰딩거는 물질파의 파형이 정현파라는 사실을 밝혀내 '파동방정식'을 발견했고 양자역학의 건설에 중심적인 역할을 했습니다.
여기까지는 입자가 점으로 여겨졌습니다. 그러나 '점상입자'끼리는 어디까지나 접근할 수 있어 입자간에 작용하는 만유인력이 무한대가 되는 모순이 일어났습니다. 2개의 페르미 입자는 같은 장소에 겹칠 수 없는데 점끼리는 무한하게 가까워지기 때문입니다.
거기서 유가와 박사는 소립자를 점상입자가 아니라 넒이를 가진 입자라고 취급해 소립자끼리가 무한하게 접근하는 모순을 해소할 수 있었습니다.
초끈이론에서는 넒이를 가진 입자를 초끈이라고 생각했습니다. 초끈은 진동하고 있어 진동수가 많은 초끈일수록 에너지나 질량이 큰 것입니다. 이런 식으로 소립자가 진동하여 이동하면 그 궤적이 파형이 되는 원인을 알 수 있었습니다.
◆ 전자기장의 왜곡과 빛의 구부러짐
중력에 의해 이 공간의 장이 왜곡됩니다. 진동하지 않는 장은 늘어나고 진동하면 장은 작아집니다. 이 때문에 진동하는 장(질량)의 주위는 질량의 방향으로 당겨집니다. 마치 트램폴린에 볼링구슬을 놓았을 때와 같이 공간의 장은 질량이 있는 방향으로 늘어납니다.
이와 같이 전자기장이 중력에 의해 왜곡되기 때문에 전자기장의 위를 똑바로 진행하는 빛은 구부러집니다. '슈왈츠실트 반경' 위치에서 전자기장은 '0'으로 압축됩니다. 그러므로 빛은 전자기장을 통해 앞으로 나아갈 수 없고 거기에서 탈출할 수 없습니다.
◆ 힉스장의 왜곡에 의한 물질의 낙하
물질이 '힉스장'에서 움직이면 '힉스입자'가 나타나서 붙어 움직임에 어려움을 줍니다.
2개의 질량이 있으면 상대의 질량의 방향의 힉스장이 그 반대 측보다 더 늘어져 힉스장은 얇아집니다. 상대의 질량에 가까워 중력이 강하기 때문에 더 늘어나는 것입니다.
따라서 물질이 같은 거리 이동해도 나타나는 힉스입자의 수는 '상대질량의 방향으로 움직일 때 생기는 수＜반대 측의 방향으로 움직였을 때 생기는 수'가 됩니다. 즉 다른 질량이 있는 방향으로는 움직이기 쉽습니다.
입자는 위와 같이 진동하여 끊임없이 다양한 방향으로 움직이려고 합니다. 그것을 힉스입자가 멈추고 있습니다. 그 밖에 질량이 있을 때 진동하면 입자는 상대질량의 방향으로 움직이기 쉽기 때문에 상대질량의 방향으로 움직여 갑니다. 이것이 '낙하'입니다.
이와 같이 중력에 의해 공간의 장이 왜곡되므로 빛이 구부러져 물질은 낙하합니다. 전자기장이나 힉스장이라는 실체를 제외한 후에 남는 아무것도 없는 공허한 공간 그 자체는 중력에 의해서도 왜곡되지 않습니다. 왜냐하면 왜곡되는 것이 없기 때문입니다.
그리고 그 공간의 장소의 실체는 '초끈의 망'입니다. 진공 중에는 초끈이 상전이하여 연결된 초끈의 망이 있습니다. 그리고 초끈이 진동하면 빛이나 물질로 보이고 진동을 멈추면 거기는 진공으로 보입니다.
이와 같이 소립자를 점으로 생각하면 점상의 물질을 제거하면 공간에 아무것도 남지 않습니다. 즉 공간은 중력에 의해서도 왜곡되지 않고 일반상대성이론을 설명할 수 없습니다.
소립자를 진동이라고 생각하면 물질을 제거해도(=진동을 멈추어도) 나중에 지금까지 진동하고 있던 실체(초끈)가 남습니다. 그 실체(전자기장이나 힉스장)가 중력에 의해 왜곡되기 때문에 빛이 구부러져 물질은 낙하합니다. 이것으로 일반상대성이론의 공간의 왜곡을 잘 설명할 수 있었습니다.
◆ 중력으로 인한 시간 지연
강한 중력장에서는 입자가 움직이기 어렵습니다. 물질이 변화하는 것은 주로 '전자기력'에 달려 있습니다. 그리고 전자기력은 전하를 띤 입자 간을 빛이 왕복하는 식으로 생깁니다. 빛의 왕복 수에 비례한 강도의 전자기력이 생깁니다.
중력에 반대하는 방향으로 빛이 진행될 때 빛의 속도는 느려집니다. 중력의 방향으로 빛이 진행되어도 그 속도는 광속도 c인 채입니다. 그러므로 강한 중력장에서는 입자 사이를 빛이 왕복하는 데 시간이 걸립니다. 그리고 슈왈츠실트 반경 강도의 중력에서는 빛이 앞으로 진행되지 않기 때문에 입자 간을 빛은 왕복할 수 없게 되어 전자기력은 생기지 않습니다.
이와 같이 강한 중력장에서는 전자기력이 약해지기 때문에 같은 운동에너지를 얻어도 입자는 움직이기 어려워집니다. 즉 시계를 구성하는 입자가 움직이기 어렵기 때문에 중력장에서는 시계가 지연됩니다. 슈왈츠실트 반경 강도의 중력 하에서는 전자기력은 발생하지 않으므로 시계는 멈춥니다.
이와 같이 강한 중력장에서는 발생하는 전자기력이 약해지고 초당 입자의 이동거리는 짧아집니다. 그러나 시계도 천천히 시간을 가리키므로 이 시계를 사용하면 전자기력에 의해 입자는 무중력장과 같은 거리를 움직였다고 관측됩니다.
즉 관측자에게는 중력의 강도에 영향을 받지 않고 발생하는 전자기력의 강도는 불변입니다. 어떠한 중력장(=가속계)에서도 물리현상이 동일하게 관측되는 현상을 '일반상대성 원리'라고 합니다.
이렇게 입자가 움직이기 어려워지기 때문에 강한 중력장에서 '입자는 질량이 증가한 것처럼 행동한다'는 것입니다. 시계를 구성하는 입자의 무게가 무한대가 되면 개별 입자는 전혀 움직이지 않고 시계는 멈춥니다. 이에 따라 중력장에서는 (시계가 나타내는) 시간이 지연됩니다. 이것으로 일반상대성이론에서의 시간의 지연을 잘 설명할 수 있었습니다.
◆ 공간의 장과 정지계
그렇다면 이 '공간의 장'은 상대성이론이 부정하는 '정지계'일까? 공간에 실체가 있으면 그 실체를 정지계로 해 운동의 기준으로 삼을 수 있을 것 같습니다. 그러나 힉스장 위를 물질이 등속 직선운동을 해도 아무런 힘도 가해지지 않습니다. 즉 물질이 힉스장 위에서 정지하고 있는지 혹은 어느 방향으로 등속 직선운동하고 있는지 우리에게 알 수 있는 방법은 없습니다.
이와 같이 공간에는 힉스장이라는 실체가 있지만 그 등속 직선적인 움직임을 아는 방법은 없고 또 물리현상은 그 움직임에 무관합니다. 그러므로 힉스장이 있어도 그 위치를 특정할 수 없기 때문에 힉스장은 정지계가 아닙니다.
전기장이나 자기장도 마찬가지입니다. 전자기장 위를 물질이 어느 방향으로 어느 정도의 속도로 등속 직선운동해도 물질로부터 관측되는 전자기파(=빛)의 속도는 같습니다. 이것을 '광속도 불변의 원리'라고 합니다. 이와 같이 위치를 특정할 수 없기 때문에 전자기장은 정지계가 아닙니다.
◆ 특수상대성이론에서 시공간이 변화하는 원리
한편 특수상대성이론에서는 고속으로 이동하는 물질의 공간과 시간이 변화합니다. 즉 이동속도에 따라 관측자의 공간과 시간이 변화하는 것입니다. 관측자의 수에 따라 무수한 공간과 시간이 필요합니다. 그러나 이 우주에 공간과 시간은 하나뿐입니다. 이것을 어떻게 생각하면 좋을까요?
광속에 가까운 속도로 움직이면 물질이 점차 움직이기 어려워집니다. 그리고 광속을 초과할 수 없습니다. 그러므로 광속에 가까운 속도로 이동하면 물질은 천천히 움직이게 되어 시간의 진행이 늦어진 것 같은 현상이 일어납니다.
이것을 '고속이동에 의한 질량 증가'라고 합니다. 즉 시계를 구성하는 개별 입자가 무거워지면 시계가 천천히 시간을 가리키게 됩니다.
또한 광속에 가까운 속도로 이동하면 물질이 '로렌츠 수축'합니다. 고속으로 움직이는 관측자가 가진 눈금자는 수축합니다.
관측자가 움직이는 동안 지연된 시계와 수축된 눈금자로 빛의 상대속도(관측자로부터 빛이 멀어지는 속도 또는 관측자에 빛이 가까워지는 속도)를 측정하면 그 속도는 항상 299,790.25킬로미터/초라고 측정할 수 있습니다. 이것이 '광속도 불변의 원리'입니다.
이런 식으로 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이면 눈금자는 '로렌츠 수축'하므로 공간은 오랫동안 측정됩니다. 시계는 천천히 시간을 가리키기 때문에 시계가 나타내는 시간은 지연됩니다.
이것으로 특수상대성이론의 공간의 변화와 시각의 지연을 잘 설명할 수 있었습니다.
◆ 빅뱅과 우주공간의 팽창
우주공간은 빅뱅에 의해 팽창하고 있습니다. 빅뱅에 의해 공간의 장(전자기장이나 힉스장)이 유사팽창하고 있습니다. 천체에서 지구로 오는 빛은 팽창하는 전자기장 위를 통과하므로 그 파장이 늘어나고 적색편이합니다.
그러므로 이것은 '도플러 효과'가 아닙니다. 도플러 효과란 전해지는 매체인 공기에 대하여 음원이 멀어지면 전해지는 소리의 파장이 늘어나는 현상을 말합니다. 빅뱅에서는 광원인 천체는 매체인 공간의 장과 함께 유사팽창하므로 광원의 천체의 후퇴로 빛이 적색편이하는 것은 아닙니다. 빛의 파장이 늘어나는 이유는 천체와 지구 사이의 전자기장이 팽창하기 때문입니다.
◆ 만물의 이론
양자역학과 일반상대성이론은 모두 초끈이론에 통합되어 있습니다. 초끈이론은 여전히 발전댠계이지만 세계의 이론가는 이론의 완성에 몰두하고 있습니다. 만물을 끈이라는 하나의 실체로 풀어내는 만물의 이론이 완성될 날은 멀지 않았을지도 모릅니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 相対性理論で時間と空間が変化する仕組み http://catbirdtt.web.fc2.com/soutaiseirironnniokeruzikuukannnohennka.html
소립자가 세계를 구성하는 궁극의 단위라는 의미는 다음과 같이 파악할 수 있다고 생각됩니다.
이 경우의 세계란 일상생활에서 눈으로 볼 수 있고 손으로 만질 수 있는 현실의 세계 그리고 물리학이 다루는 물체나 물질로 구성된 세계 즉, 물질적 존재의 총체로서의 세계를 의미하는 것으로 생각됩니다.
그리고 궁극의 단위라는 개념에서 궁극이란 사물을 철저히 탐구해 갔을 때 도달하는 더 이상 진행할 수 없는 최종 도달지점입니다.
단위란 사물이 성립할 때 기본이 되는 구성요소라는 의미입니다.
또 여기서 말하는 사물이란 앞서 정의한 '세계' 즉 물질적 존재의 총체로서의 세계를 가리키게 되므로 세계를 구성하는 궁극의 단위란 물질적 존재의 총체로서 세계의 탐구를 철저히 추진해 갈 때 도달하는 최종 도달지점인 물질적 존재의 가장 기본이 되는 구성요소를 의미합니다.
기본입자는 논리적으로 필연적으로 크기가 없습니다. 물질적 존재의 총체로서의 세계를 더욱 작은 부분으로 철저하게 분할해 나가는 탐구는 더욱 작은 부분, 한층 더 작은 구성 요소에 점점 계속 탐구해 가게 되는데 그 끝없이 계속되는 분할로 물질적 존재의 가장 근원적이고 가장 작은 구성요소에 도달할 수 있다면 그것은 그 구성요소가 무한소의 수렴값에 이르렀을 때, 즉 그 구성요소가 크기를 전혀 갖지 않는 상태에 이르렀을 때입니다.
왜냐하면 크기를 가지는 것은 그것이 아무리 미소한 크기라도 그것이 일정한 크기를 가지는 이상 일정한 높이, 폭, 깊이를 가진 공간이 그 존재에 의해 채워지고 있어 그 높이나 폭, 깊이 등의 길이가 더 짧은 길이의 부분으로 분할하는 것이 가능한 것처럼 미세한 크기를 더 작은 크기의 부분으로 분할하는 것은 최소한 개념적으로 가능합니다. 그렇게 되기 때문에 일정한 크기를 가지는 것은 원리적으로 더욱 작은 부분으로 분할해 가는 것이 어디까지나 가능해져 버리므로 크기가 있는 존재는 그것이 아무리 작은 크기라도 더 이상 분할이 불가능한 물질적 존재의 가장 근원적이고 가장 작은 구성요소가 될 수 없습니다.
그러므로 소립자가 세계를 구성하는 궁극의 단위, 물질적 존재의 총체로서의 세계를 철저하게 분할해 갈 때 도달하는 최종 도달지점인 가장 근원적이고 가장 작은 구성요소라고 한다면 필연적으로 크기가 전혀 없는 상태인 것이어야 한다는 결론에 도달하게 되는 것입니다.
기본입자가 세계를 구성하는 궁극적인 단위라면 논리적 필연적으로 크기가 없는 점입자가 되어야 한다는 것이 존재의 크기에 대한 철학적 논증에서도 도달하게 되는 것입니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 素粒子が大きさを持たない点粒子である理由②哲学的論証 https://information-station.xyz/2736.html
인간의 눈에 보이는 모든 존재, 즉 물질적 존재는 원자라는 기본 단위로 구성되어 있고 원자는 원자핵과 전자, 원자핵도 양성자와 중성자라, 양성자와 중성자도 쿼크와 같은 소립자로 구성되어 있습니다.
현대물리학에서는 이 소립자야말로 더 이상 작은 부분으로 분할하는 것이 불가능한 존재를 구성하는 궁극의 단위로 취급하고 습니다.
현재 물리학의 주류인 표준 이론(Standard Model, 표준 모델)에서는 존재의 궁극적인 단위인 입자는 크기가 전혀 없는 점입자(point particle, 공간적 확산을 전혀 갖지 않는 크기 제로의 입자)라고 부릅니다.
소립자가 크기를 가지지 않는다고 여겨지는 이유는 만약 크기가 있다고 해도 너무 작아서 측정할 수 없기 때문에 크기가 없는 것으로 취급하는 편이 편리하고 계산하기 쉽기 때문이기도 합니다.
일반상대성이론과 함께 현대물리학의 근간을 이루는 이론인 양자역학에서는 일상적인 매크로의 세계에서는 있을 수 없는 이상한 현상이 자주 일어난다고 알려져 있는데 그러한 양자역학의 이상하고 불가사의한 현상 중 하나로 양자중첩이라는 현상이 있습니다.
소립자에는 스핀이라는 고유의 운동량이 있으며 일반적인 물체로 비유하면 천체의 자전운동과 같은 운동에 해당하기 때문에 회전을 의미하는 스핀이라는 말로 불리고 있습니다.
소립자의 스핀상태에는 '상향 스핀'과 '하향 스핀'이라는 두 가지 상태가 있다고 생각됩니다. 소립자에는 크기가 없다는 전제에 따르면 구체의 자전운동이라고 생각할 수 없고 어느 방향으로 회전하고 있는지 생각하는 것 자체가 넌센스라고도 말할 수 있습니다.
소립자에 있어서 상반되는 2개의 존재의 상태에 대해서 양자를 분류하고 라벨 붙여 표시하는 의미로 상향 스핀과 하향 스핀이라는 2개의 표현이 사용되고 있다고 생각됩니다.
그리고 양자역학에서 소립자는 관측이 행해질 때까지는 그 스핀이 상향인지 하향인지는 불확정한 상태에 있고 일단 관측이 행해지면 그 불확정한 상태가 해소되어 상향 스핀상태 인지 하향 스핀상태인지 존재의 상태가 확정한 상태로 관측되는데 이것은 관측 후에 상향 또는 하향 중 어느 하나의 스핀상태로 확정하는 소입자가 관측 이전에는 불확실한 상태로서 상향과 하향이라는 2개의 스핀상태에 있었다는 것을 의미합니다.
즉 양자역학에서는 관측 이전의 상태에서 하나의 기본입자가 상향 스핀과 하향 스핀이라는 상반하는 2가지의 상태를 동시에 유지하고 있는 상태의 중첩을 양자중첩(superposition) 현상이라고 합니다.
수많은 실험 결과로부터도 소입자가 관측 전에는 상향 스핀과 하향 스핀이라는 2가지의 존재의 상태를 동시에 가지고 있고 관찰 후에 그것이 하나의 상태로 정해진다는 것이 실증되었으므로 관측 전에 소립자의 스핀상태가 불확정하다는 것은 단순히 관측자의 정보부족이 아닌 관측 이전의 중첩상태였던 것이 관측 후 그 중첩상태로부터 파생해 하나의 스핀상태로 정해졌다고 생각할 수도 있습니다.
왜냐하면 양자의 중첩상태란 상향 스핀상태와 하향 스핀상태가 동일한 소립자에 있어서 동시에 존재하고 있는 상태이므로 이것을 상향 스핀과 하향 스핀의 혼합상태로 보면 상향으로 스핀하는 움직임과 하향으로 스핀하는 움직임이 부딪쳐 서로의 스핀의 운동이 상쇄되어 버려 소립자의 스핀운동 자체가 사라져 버리게 된다고 생각되기 때문입니다.
소립자의 스핀에는 가속이나 브레이크의 기능이 있는 것은 아니기 때문에 멈춘상태에서 새로이 스핀을 시작할 수 없으며 급 브레이크 후 반대방향으로 방향전환하는 것도 불가능하기 때문에 상향 스핀과 하향 스핀이 섞인 것으로 양자의 중첩상태를 파악하는 것은 불가능하다는 것입니다.
양자의 중첩상태에서는 같은 위치에 있는 동일한 소립자가 동시에 2개의 상반되는 존재상태를 모두 가지게 되는데 이것은 같은 위치에 두 개의 다른 존재가 동시에 존재한다는 현상을 허용한다는 것을 의미합니다.
예를 들어 같은 테이블 위의 정확히 같은 위치에 사과와 귤이라는 다른 존재가 동시에 존재한다고 말하는 것 같고 유전자 재조합 등으로 합성된 것과 같은 존재가 아니라 순수한 형태의 사과와 순수한 형태의 귤이 그대로 겹친 형태로 동시에 같은 장소에 위치합니다.
이런 식으로 양자중첩(superposition)이란 단어 자체의 의미가 나타내는 대로 일상적인 위치개념을 초월하는 현상으로 크기를 가지고 일정한 높이, 폭 및 깊이에 의해 형성되는 일정한 형태를 갖게 되는 통상의 물질적 존재에 있어서는 2개의 상반되는 형태나 운동상태가 동시에 같은 위치에 존재하는 것은 논리적 모순처럼 보입니다.
이러한 통상의 크기를 가지는 물질적 존재에 있어서는 논리적 모순을 일으키는 현상이 소립자라는 존재의 궁극의 단위에 있어서는 성립하는 전제 조건으로 크기를 가지지 않는 것이 필요하다는 것이 됩니다.
즉 그 자체가 크기가 없는 존재에 대해서는 우회전이나 좌회전, 상향 및 하향 등의 개념도 통상의 크기와 형태를 가진 물질적 존재와는 완전히 다른 형태로 적용되게 되므로 이러한 존재에 있어서는 양자중첩(superposition)이라는 일상적인 위치개념을 초월하는 현상도 성립할 수 있게 된다는 것입니다.
그리고 양자중첩이란 양자역학에 있어서 기본적인 성질을 이루는 학문의 전제가 되는 개념이므로 현대물리학의 근간을 이루는 이론인 양자역학이 성립하기 위해서는 양자중첩이라는 동일한 위치에서 상이한 존재의 동시 존재가 가능해지는 것이 필요하고 이를 위해 존재의 궁극적인 단위인 입자는 크기가 없는 존재여야 합니다.
현대물리학과 양자역학의 무결성의 관점에서도 소립자는 필연적으로 크기가 없는 존재여야 합니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 素粒子が大きさを持たない点粒子である理由 https://information-station.xyz/2724.html
Earth’s Magnetic Field 출처:https://www.flickr.com/photos/gsfc/7402439760
지구 45억 년의 역사 속에서 지자기의 남북은 수백 회 이상 바뀌어 왔다. 반전의 이유는 오랫동안 연구자들 사이에서 수수께끼였다. 하지만 지난 10년간의 연구로 그 수수께끼가 풀리고 반전의 원리를 알게 되었다. 슈퍼컴퓨터에 의한 시뮬레이션, 인공위성에 의한 자기장 관측, 지구의 코어를 모의한 실험장치 개발 등의 성과다.
지구의 중심 코어에는 다이나모(발전기)가 있고 거기에서 자기장이 발생하여 지구 전체를 덮는 쌍극자를 만들고 있다. 비밀은 그 코어와 맨틀 사이의 경계에 있었다. 인공위성의 관측으로부터 이 경계상에 통상의 방향과는 반대의 자속반이 있다는 것이 밝혀졌다. 이를 "역자속반"이라고 한다. 가장 큰 것은 아프리카 남단에서 남미 대륙의 남단 아래까지 퍼져 있다. 과거의 관측과 비교한 결과 역자속반은 코어·맨틀 경계상에서 차례차례 형성되어 있다는 것을 알 수 있었다.
이 역자속반은 자력선이 지구의 자전의 코리올리 힘(Coriolis force)의 작용을 받거나 동서방향의 자기장의 영향을 받거나 하면 형성되는 것 같다. 역자속반이 자기장반전의 원인이 되는지를 검증하기 위해 슈퍼컴퓨터에 의한 시뮬레이션이 행해졌다. 1995년부터 그라츠마이어 등 3개의 그룹이 거의 동시에 슈퍼컴퓨터에서 지구 다이나모에 의해 발생하는 자기장 시뮬레이션을 시작했다. 수십만 년분을 재현하는 계산의 결과 쌍극자자기장이 발생하여 코어·맨틀 경계상에 역자속 반점이 생긴 후 자기장의 반전도 일어났다. 하지만 이러한 시뮬레이션 결과가 그대로 지구의 코어 속에서 일어나고 있다는 확증이 없다. 왜냐하면 계산은 모두 근사치를 사용하고 있기 때문이다. 코어 내의 열대류는 복잡하고 미세한 난류가 다수 존재하고 있을 것이다. 현재 슈퍼컴퓨터에서는 이 난류를 3차원적으로 다루는 것은 불가능하다. 난류의 효과를 포함한 시뮬레이션 방법의 연구가 진행되는 한편 지구 다이나모를 본뜬 실험장치의 개발도 진행되고 있다. 액체나트륨을 넣은 거대한 용기를 회전시켜 다이나모 기구를 만들어 내는 실험이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 地磁気反転の謎に迫る https://www.nikkei-science.com/page/magazine/0507/dynamo.html
Neutrino in a hydrogen bubble chamber 출처:https://www.flickr.com/photos/argonne/8486486738
노벨 물리학상 수상공적인 '중성미자가 질량을 가지고 있음을 나타내는 중성미자 진동의 발견'
중성미자는 우주를 구성하는 기본입자의 하나로 다양한 연구를 통해 중성미자는 빛의 속도로 움직이고 질량은 0이라고 가정하여 물리학의 이론체계가 완성되었다.
그런 가운데 세계 최대의 중성미자 관측장치 슈퍼 카미오칸데가 완성되면서 놀라운 발견을 하게 된다. 지구 뒤편 대기권에서 생성된 중성미자는 지구를 지나가는 사이에 종류가 변화하고 있는 것으로 나타났다. 이 변화는 중성미자 진동이다.
Construction Super-Kamiokande Neutrino Observatory 출처:https://www.flickr.com/photos/caseorganic/3277746347
상대성이론에 따르면 한 물질이 빠르게 움직이면 상대적으로 주변 물질이 느리게 움직이는 것처럼 보인다. 이윽고 물질의 속도가 광속에 도달하면 주위의 것은 움직이지 않게 되어 시간이 멈춰 있는 것처럼 보인다. 이 때 물질은 다른 것들로 변할 수 없다. 변화에는 반드시 시간이 필요하기 때문이다.
중성미자가 변화한다는 것은 광속보다 느린 속도로 움직이고 있음을 나타낸다. 그리고 질량을 가지지 않는 것은 광속으로 움직이고 질량을 가지는 것은 광속에 도달할 수 없다는 사실을 알고 있으므로 중성미자는 질량을 갖는 것으로 생각되는 것이다. 그래서 중성미자 진동이 질량의 증거가 된 것이다.
널리 받아들여지고 있던 물리학의 근저를 뒤집어 우주의 견해를 재검토하는 발견이었다. 향후 연구에도 주목이 모일 것이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - ニュートリノが質量をもつとは https://www.sci.kyoto-u.ac.jp/ja/academics/programs/scicom/2015/201510/01
철은 자동차나 빌딩, 다리, 다양한 기계에 사용되고 있다. 우리의 문명에서 철이 바꿀 수 없는 존재이다. 철은 저렴하면서도 높은 강도를 갖고 있어 건축물과 기계의 구조를 지지하는 소재로 널리 사용되고 있다. 또한 철은 자성이라는 특수한 성질을 갖기 때문에 수많은 전자제품에서 이용되고 있으며 발전소에서는 이 특성을 이용하여 전기가 만들어지고 있다. 철은 현대 문명을 근간에서 지지하고 있고 미래에도 그 지위는 흔들리지 않을 것이다.
근대에 있어서 철을 확보하는 것은 국가의 전략적으로도 중요한 자리매김에 있었다. '철은 산업의 쌀'이라는 말처럼 경제나 산업의 발전, 문명끼리의 충돌 등에 있어서 철이 중요한 역할을 해 온 것은 잘 알려진 사실이다. 두 번의 세계대전이나 그 후의 역사에서만 적용되는 것은 아니다. 인류의 생활은 산업혁명에 의해 크게 변화했지만 거기에서도 철은 기폭제라고 할 수 있을 정도로 중대한 역할을 했다. 예를 들어 철을 대량으로 공급할 수 있었기 때문에 증기기관으로 대표되는 신형기계가 태어났고 철의 특성이 이해되었기 때문에 전기에너지를 이용할 수 있게 되었다고 할 수 있다. 즉 기계에 의한 효율화와 전기문명의 발전이라는 인류의 생산성과 생활을 크게 변화시킨 산업혁명의 2대 요소는 철의 이용에 근거하고 있다.
이러한 발명은 당시 유럽에서 진행된 과학기술이 있어야만 가능했는데 왜 유럽에서 특히 과학기술이 발달해 왔는가를 살펴보면 훨씬 전부터 문명끼리의 충돌을 반복하여 생존해왔다는 역사의 귀결이라는 견해가 있다. 여기서 총이나 대포, 철제선박의 건축이 완수한 역할은 말할 필요도 없지만 그보다 이전의 고대문명에서도 철기의 이용이 농경의 효율을 현격히 향상시켜 생산성 개선으로 이어졌고 사회를 안정화시켜 과학기술이나 발명을 촉구한 것으로 생각되고 있다. 또한 철을 사용한 무기를 재빨리 이용할 수 있었던 문명은 다른 문명과 대항하는데 우세를 유지할 수 있었다. 즉 산업혁명 이전에도 문명을 유지하고 확대하는데 있어서 철은 본질적인 일을 한 것이다. 따라서 인류사 전반에 있어서 철의 유효적 이용이 인류의 진보에 중요한 역할을 해왔다고 할 수 있다.
우리 인간의 몸에서도 철의 존재는 필수이다. 우리의 혈액이 붉은 이유는 적혈구가 붉기 때문이며 그 안에 포함된 헤모글로빈이 그 원인이다. 헤모글로빈은 철을 중심으로 한 구조를 가지고 있으며 호흡을 통해 흡수한 산소를 몸 구석구석까지 운반하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 그리고 운반된 산소를 사용하여 몸의 구석구석에 에너지가 만들어지는데 거기에서도 철이 중요하다. 우리의 활동의 기초가 되는 에너지는 철을 사용하여 만들어진다. 철이 없으면 우리는 살 수 없다. 철은 인간에게 있어서 그만큼 중요한 원소이다.
철의 생물학적 중요성은 인간에게 한정된 이야기가 아니다. 실은 현재 지구의 거의 모든 생물에 있어서 철은 필수적인 원소이다. 호흡, 광합성, DNA 합성, 질소 고정과 같은 생명체에 필수적인 몇 가지 기능에서 철은 중심적이고 필수적인 역할을 한다. 철이 없으면 지구상의 생명체 대부분은 살아갈 수 없다. 생물 전반에 있어서도 철은 바꿀 수 없는 존재인 것이다.
우리 지구생명체가 지표면에서 쾌적하게 생활할 수 있는 이유는 철이 대량으로 지구에 존재하기 때문이다. 생명에게는 우주로부터의 유해한 방사선은 매우 위험한 것이지만 지표면에 위험한 레벨로 도달하지 않는 것은 지구의 자기장 덕분이다. 그리고 이 자기장은 지구 내부에 존재하는 철의 일부가 용융되어 전류가 흐르기 때문에 형성되어 있다. 즉 지구 내부의 대량의 철이 지구의 표층을 생명에게 있어 안전한 환경으로 바꾸고 있다고 말할 수 있다. 그 덕분에 생명체가 지표 부근에서 활동할 수 있게 되었고 이러한 생물에 의한 광합성은 지구 대기의 분자상의 산소량을 증대시켜 표층환경을 현저하게 변화시켰다. 이 지구 규모의 환경변화의 화석이야말로 현대에 있어서 철광상으로서 주로 사용되고 있는 줄무늬상 철광상이다.
철은 얼마나 많을까? 야산을 걷고 있어도 철은 볼 수는 없기 때문에 철이 그렇게 대량으로 지구에 존재하고 있다고 들어도 의아하게 생각될지도 모른다. 그 이유는 지구의 철의 대부분이 지구의 중심부에 집중되어 존재하기 때문에 우리가 평소에는 볼 수 없을 뿐이다. 놀랍게도 지구를 구성하는 원소 중에서 가장 큰 중량비를 갖는 것은 철이다. 지구의 무게의 1/3은 철이다. 유리 가가린의 유명한 말에서 지구는 물의 행성이라고 표현하는데 이것은 지구 표면의 70%를 물이 덮고 있는 사실을 중시한 말로 무게로 보면 지구는 '철의 행성'이다.
그러면 철의 행성은 어떻게 형성되었을까? 최근의 연구에서 태양과 같은 항성이라도 그 주위에 행성이 항상 형성되는 것은 아니라는 것을 알았다. 태양계가 아닌 곳에서 지금까지 많은 행성이 발견되었고 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 적절한 양의 금속이 필요하다는 것을 알게 되었다. 즉 인류가 살 수 있는 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 철이 존재하고 있을 필요가 있다고 생각된다.
우주에는 철이 얼마나 존재할까? 우주의 원소 존재도가 자세히 조사되었으므로 이 질문에 대한 대답에는 상당한 확실성이 있다. 놀랍게도 다른 원소의 상대량과 비교하면 철은 특이적으로 많이 존재하고 있다. 우리가 사는 이 우주 전체에서 원래 철은 특이한 존재인 것이다.
이와 같이 우주, 지구, 생명, 인류의 역사를 생각하면 다양한 측면에서 철이 중요한 역할을 해왔다는 것을 알 수 있다. 그리고 그 철이란 우주에서 특수한 지위를 차지하는 것이다. 이것은 단지 우연이 겹쳤을 뿐인가, 아니면 어떤 필연성이 있는가? 이 질문에 대한 열쇠는 철 원자핵의 안정성이라고 추정된다. 철은 모든 원소 중에서 가장 원자핵이 안정되어 있다. 니켈의 특수한 동위체를 제외하고 양성자와 중성자와 같은 핵자간의 연결이 가장 강하다. 따라서 항성 내부에서 원소가 핵융합을 반복하고 원자번호가 큰 무거운 원소가 만들어져도 철보다 무거운 원소는 형성되지 않는다. 즉 항성 내부의 핵융합의 최종 결과물은 철인 것이다. 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발 등 다른 요인으로 만들어지지만 그 양은 철을 넘지 않는다. 이것은 우주에서 철의 존재도가 높은 것을 무리없이 설명할 수 있다. 그리고 그 철이 많이 모인 천체가 지구일 것이다. 더욱이 철은 안정된 원자핵을 갖기 위해 26개라는 많은 양성자를 획득했고 균형을 잡기 위해 26개의 전자를 갖게 되었다. 여기서 전자는 마음에 드는 궤도를 취해 원자핵 주위에 존재할 수 있는 것은 아니다. 철이 가지는 26개의 전자의 일부는 M껍질이라고 불리는 곳(특히 3d궤도)에 어중간한 형태로 받아들여진다. 이것이 안정적인 에너지 상태가 여러 개 존재할 수 있는 등 철이 물리화학적으로 중요한 특징을 나타내게 된 원인이다. 그 특징을 최대한 이용한 것이 생명체이고 인류일지도 모른다.
정리하면 철은 가장 안정한 원자핵을 가진 특이한 원소이기 때문에 우주에서의 존재도가 상대적으로 높아졌다. 그 철이 어느 정도 모였기 때문에 지구라는 별이 태어났다. 철은 지구 심부에서 용융하여 자기장을 만들고 그 덕분에 표층의 생명체에게 안전한 환경이 되었다. 생명체 대부분은 철이 그 원자핵에 대응하여 가지는 독특한 물리화학적 성질에 의존하고 있다. 철에 의존한 생명체의 한 종류인 인류는 그 물리화학적 성질을 발전시켜 현대문명을 쌓아 올린 것이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 鉄―137億年の宇宙誌 https://www.um.u-tokyo.ac.jp/exhibition/2009Fe_description.html
2015년 노벨 물리학상은 '뉴트리노 진동'을 관측한 도쿄대학 우주선연구소 소장인 카지타 다카아키 씨와 캐나다의 Queen's University, Director of Sudbury Neutrino Observatory Institute(SNO)의 Arthur Bruce McDonald 씨가 수상했다.
중성미자 관련으로 노벨 물리학상은 이번이 세 번째다. 1번째는 1995년 원자로에서 방출되는 중성미자를 실험적으로 검출한 연구자가 수상. 2번째는 2002년 태양과 초신성 1987A에서 방출된 중성미자의 관측에 성공한 연구자가 수상했다.
그럼 이 중성미자는 도대체 무엇인가. 1990년 당시 도쿄대학 우주선연구소 교수였던 토츠카 요지 씨는 '전하가 없는 전자와 같은 것'이라고 강연회에서 설명했다. 질량은 없거나 있다고 해도 매우 작아 1990년 시점에서는 전자 중성미자는 16전자볼트(eV) 이하(1eV는 1.78×10 -36kg)인 것밖에 알지 못했다.
약간 전문적인 설명에서는 전자와 전자 중성미자(νe)의 차이는 '약 아이소스핀'이라는 양자수의 차이로 이해되고 있다. 양성자와 중성자의 차이는 아이소스핀의 차이로 설명할 수 있다. 그러나 질량의 경우 양성자와 중성자는 거의 같지만 전자와 νe는 크게 다르다. 현시점에서도 중성미자의 질량은 명확하지 않고 νe의 경우에 제로 이상, 2.5eV 이하로 밖에 알 수 없지만 전자의 질량은 0.51MeV로 νe의 25만 배 이상 크다.
중성미자는 태양에서 대량으로 방출되어 지금도 우리 몸을 계속 관통하고 있다. 지구상에는 초당 1cm^2당 680억 개의 중성미자가 쏟아지고 있다. 그럼에도 불구하고 우리 몸에 부정적인 영향은 없다. 거의 물질과 충돌하지 않기 때문이다. 마치 유령같은 존재로 관측이 매우 어렵고 활용 방법도 거의 없다. 그런데 이 무해한 입자 없이는 현대 물리학이 성립하지 않은 입자이기도 하다. 중성미자가 발견되지 않았다면 물리학은 20세기 초의 혼란으로 끝났을지도 모른다.
그 중요성을 이해하기 위해서는 우선 물리학이란 무엇인지 설명할 필요가 있다. 굳이 난폭하게 말하면 물리학이란 에너지 보존 법칙이 유지되고 있다는 것을 확인하는 작업이라고 할 수 있다. 에너지 보존 법칙이란 에너지는 세상에 여러 가지 형태로 존재하고 언뜻 서로 관계가 없는 것처럼 보이지만 실은 서로 갈아타는 방식으로 전체적으로는 전혀 늘어나거나 줄어들지도 않고 있다는 것이다. 그 확인 작업의 결과 빛이나 열의 에너지, 달리는 자동차나 비행하는 비행기의 에너지, 전력, 진공의 에너지 심지어 공간 그 자체까지 각각 같은 에너지의 한 형태에 불과하다는 것을 알고 있다. 아인슈타인이 발견한 유명한 공식 E=mc^2도 질량이 에너지의 한 형태임을 보여준 것으로 중요한 확인작업 중 하나였다고 할 수 있다.
물리학의 여명기는 연구한 결과로 에너지 보존 법칙의 정확성을 확인했다. 그런데 언제부터 에너지 보존 법칙을 믿는 것이 물리학자라는 증거처럼 되었다. 에너지 보존 법칙을 의심하는 학설을 발표하면 그는 더 이상 물리학자가 아니라고 비판받는 것이다.
그런데 1914년 이 에너지 보존 법칙을 의심할 수밖에 없는 현상이 발견되었다. 방사성 탄소원자 6C14가 질소원자 7N14로 변함과 동시에 전자 e-를 방출하는 현상이 상세히 조사되었다. 즉 6C14 → 7N14 + e- 라는 변화가 관측된 현상이다. C나 N의 좌변의 숫자는 그 원자의 양성자수, 우변의 숫자는 중성자도 합한 질량수를 가리킨다. 이 전자 e-는 β선, 현상은 'β붕괴'라고 한다. β붕괴는 나중에 중성자 n이 전자 중성미자 νe와 충돌하여 양성자와 전자로 바뀌는 n + νe → p+ + e- (n과 νe 각각의 약 아이소스핀이 변환되고 p+ 와 e-가 된다) 현상이 그 에센스인 것을 알고 있다.
하지만 당시에는 νe는 알려져 있지 않았고 관측도 할 수 없었다. 한편 이미 아인슈타인의 E=mc^2는 알려져 있었고 에너지 보존 법칙에서는 6C14와 7N14 각각의 질량차에 상당하는 에너지가 전자 e-의 운동에너지가 될 것으로 예상되었다.
그런데 실험결과는 그렇게 되지 않았다. 전자 e-의 운동에너지는 분명히 예상보다 부족했고 게다가 실험마다 다양한 값을 나타냈던 것이다. 즉 β붕괴에서는 에너지 보존 법칙이 전혀 성립되지 않는 것으로 보였다. 게다가 운동량 보존 법칙도 성립되지 않았다.
이것은 15년 정도 동안 물리학자들 사이에서 큰 논쟁이 되었다. 그 가운데 저명한 물리학자 보어(Niels Henrik David Bohr)가 마침내 '원자핵과 같은 미시세계에서는 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙은 성립되지 않는다'는 학설을 발표했다. 물리학의 큰 위기였다.
이 혼란을 수렴시킨 인물이 파울리(Wolfgang Pauli)이다. 그는 1930년 β붕괴 시에 관측할 수 없는 전기적으로 중성의 미립자가 전자 e- 와 함께 방출되는데 그것을 고려하면 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙이 성립되고 있다고 생각했다. 그 입자가 '반 뉴트리노'이다(β붕괴의 좌변에 이항하면 중성미자가 된다). 즉 중성미자 '발견'의 경위는 에너지 보존 법칙을 구하기 위한 노력이었다.
물리학에서는 이론의 약점을 메우는 '새 입자'를 생각하는 것을 새로운 입자를 예언했다는 식으로 취급하는 경우가 많다. 다만 많은 경우에는 새로운 입자는 질량이나 성질이 한정되어 있고 관측에서 그 존재를 검증할 수 있다는 전망이 있다. 그런데 중성미자의 경우는 파울리 자신이 관측할 수 없다고 전제를 해 버렸다. 어떤 의미에서 설명을 신에게 맡기는 것과 같으며 물리학에 있어서는 금물에 가깝다. 자연현상을 솔직하게 믿은 보어를 비난할 수 없다.
다만 운 좋게도 그 후 수많은 종류의 입자의 붕괴현상을 조사하는 동안 각각의 경우에서 중성미자의 존재를 인정하는 편이 다양한 현상을 통일적으로 이해할 수 있다는 것을 알았다. 물리학에서 이론은 적용 가능한 대상이 많을수록 확실한 이론으로 간주된다. 따라서 중성미자는 단순한 협조에서 소립자물리학의 근간으로 승격했다.
그 중에서 위에서 소개한 β붕괴로 전자와 바뀌는 중성미자는 '전자 중성미자(νe)', 뮤온과 바뀌는 중성미자는 '뮤온 중성미자(νμ)' 타우와 바뀌는 중성미자는 '타우 중성미자(ντ)'라고 불리게 되었다.
그리고 1956년에는 실험적으로 중성미자의 존재가 확인되었다. 중성미자 하나하나는 다른 물질과의 충돌확률P이 매우 작지만 P는 0이 아니다. 그 때문에 방대한 수 N개의 중성미자를 조사하면 관측할 수 있는 기대치 NP를 1에 가깝게 할 수 있다. 이것이 1995년 노벨 물리학상으로 이어진다.
여기까지는 중성미자들이 에너지 보존 법칙, 즉 물리학을 구한 이야기였다. 그런데 중성미자의 관측이 가능하게 되어 곧 1960년대 이후 그것과는 반대로 중성미자들이 물리학의 표준이론의 존립을 뒤흔드는 존재가 되어 버렸다. 그것이 '태양 중성미자 문제'이다.
표준이론에서는 태양 중심에서 일어나는 핵융합 반응을 모두 설명할 수 있으며 그 반응률로부터 태양으로부터 방출되는 중성미자의 양도 상당히 엄격하게 계산할 수 있다. 그런데 실제로 태양에서 지구상에 도달하는 중성미자를 관측해 보면 이론치의 약 27%밖에 관측할 수 없었던 것이다.
이를 관측한 것은 미국의 천문학자였지만 당초 다른 연구자들로부터 '무언가의 실수일 것'이라고 밖에 생각되지 않았다. 초기의 중성미자 관측장치였기 때문에 중성미자가 오는 방향이나 에너지 분포 등을 알 수 없었다. 한편 관측결과를 인정하면 표준이론에 대한 영향이 크다. 이런 점에서 사실상 보고 보지 않는 척을 하고 있던 것 같다.
이 상황을 바꾼 것이 당시 도쿄대학 교수였던 오시바 마사토시 씨와 토츠카 요지 씨 등이 었다. 오시바 씨 연구팀은 양성자의 붕괴를 조사하기 위해 기후현 가미오카 광산의 지하에 관측시설 카미오칸데를 건설해 1983년에 운용을 시작했다. 양성자는 존재하는 입자(정확하게는 바리온) 중에서 가장 수명이 긴 입자이지만 표준이론에서는 그 수명을 명확하게 계산할 수 없다. 이 수명을 측정할 수 있으면 표준이론의 검증에 도움이 된다는 것이 동기였다.
당시 양성자의 평균 수명 추정은 10^32년 정도로 우주의 연령이 138억 년(약 10^10 년)이기 때문에 양성자의 평균 수명은 우주연령의 10^22배(1조의 10억배, 혹은 1경의 100만배)나 길다. 그런데도 엄청난 수의 양성자 중에는 짧은 시간에 붕괴되는 것이 있어야 하고 그것을 관측하려고 했던 것이다. 그런데도 매우 낮은 붕괴확률로 인해 양성자 붕괴의 관측은 성공하지 못해 관측장치의 존재가 의심받는 상황이 될 수 있었다.
그런 배경 속에서 카미오칸데는 그 본래의 목적과는 다른 곳에서 활약하기 시작했다. 카미오칸데에서 양성자 붕괴를 검출하는 원리는 기본적으로 중성미자를 검출하는 원리와 거의 동일했다. 이 때문에 토츠카 씨는 카미오칸데를 사용하여 태양 중성미자 문제를 검증하려고 생각한 것이다.
관측장치를 양성자 붕괴의 검출에서 태양 중성미자의 검출로 다시 조정하고 있던 1987년 2월 23일 대마젤란 성운에 있던 항성이 초신성 폭발을 일으켜 '초신성 1987A'로 관측되었다.
토츠카 씨에 의하면 2월 24일이 되어 해외의 연구자로부터 "혹시 초신성 1987A 유래의 뉴트리노가 관측되지 않았냐"는 문의를 받았다. 서둘러 카미오카에서 관측데이터를 기록한 자기테이프를 도쿄에 들여와 해석한 결과 초신성 1987A 유래의 중성미자가 11개 발견되었다.
카미오칸데는 초고감도의 광전자 증배관을 통형상으로 배치한 3차원의 거대 촬상 소자. 이 때문에 중성미자가 도착한 방향을 알 수 있었고 그것이 큰 마젤란 성운 방향과 일치했다. 중성미자의 에너지도 태양의 그것보다 훨씬 높았다.
이것이 계기로 카미오칸데는 중성미자의 관측장치로서의 역할이 메인이 되어 간다. 그 후 주로 태양으로부터의 중성미자 검출에 이용되었다. 미국의 초기 관측과 마찬가지로 태양 중성미자는 이론치의 약 46%만을 검출할 수 있었다. 이 공로가 2002년 오시바 씨 연구팀의 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.
세계 물리학자는 더 이상 보지 못한 척을 할 수 없게 되었다. 이론치와 관측한 값이 2~3배도 어긋나 있는 것은 단순한 오차로는 설명이 되지 않는다. 이론치의 기초가 된 표준이론은 다른 많은 실험 사실과 모순되지 않으며 반석이 너무 많아 수정 자체가 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 많은 연구자는 태양 중성미자 문제를 표준이론의 정확성을 뒤흔드는 것으로 심각하게 받아들였다.
이 결과 1990년대 전반은 어떻게든 이 건을 설명할 수 있는 이론 찾기 혹은 기존 이론의 '실수 찾기'가 활발히 진행되었다. 토츠카 씨는 1990년 강연에서 “초기에는 태양 중심의 온도가 이론보다 낮을 것으로 생각했지만 온도를 낮추면 더 실험값과 맞지 않게 된다. 중성미자의 이론이 잘못되었을지도 모른다"고 당시 견해를 밝혔다.
그 밖에도 태양중심부의 핵융합을 설명하는 이론에 잘못이 있다고 생각하는 연구자도 있고 중력상수 G의 값이 실은 시간에 따라 강해지거나 약해지는 식으로 진동하고 있다는 중력상수 진동설을 주장하는 연구자도 있었다. G가 다르면 태양중심부에서의 중력의 강도가 바뀌고 결과적으로 핵융합의 반응속도가 바뀌고 중성미자가 적은 것을 설명할 수 있다는 것이다. 그러나 중력상수 진동설은 다른 부분에서 관측사실과 크게 모순되어 사라졌다.
대신 대두된 것이 '뉴트리노 진동설'이다. 이 설은 3종류의 중성미자(νe, νμ, ντ)가 실은 시간이 진행됨에 따라 서로 바뀐다는 가설이다. 태양 중심부에서 발생하는 것은 νe 이지만 지구에 도달하기까지 일부가 νμ나 ντ로 변화하고 있다는 것이다. 이 현상은 중성미자에 질량이 있고 νe, νμ, ντ에 질량 차이가 있을 때 발생한다. 이론으로서는 수십 년 전부터 있었지만 중성미자는 관측이 쉽지 않기 때문에 아무도 검증할 수 없어 방치되고 있었다.
그 중성미자 진동설은 태양 중성미자 문제 덕분에 숨을 트였다. 향기라고도 불리는 중성미자의 종류가 다르면 관측할 수 있는 중성미자의 에너지도 달라진다. 카미오칸데 등의 관측장치에서는 어느 에너지 이상의 중성미자 밖에 관측할 수 없고 거기에서 벗어나면 '없다'가 되어 버린다고 생각되었다. 이 때문에 보다 낮은 에너지의 중성미자를 관측할 수 있는 장치가 필요했다. 그래서 건설된 것이 카미오칸데의 수조용량을 약 16배로 확대한 슈퍼카미오칸데였다.
1996년에 가동한 슈퍼 카미오칸데는 2년 후에 종래의 νe에 더해 νμ로 보이는 중성미자를 관측했다. 이를 토츠카 씨와 당시 도쿄대학 우주선연구소 조교수였던 카지타 타카노리 씨가 주도했다.
그리고 2001년에는 캐나다의 Sudbury Neutrino Observatory(SNO)에 건설된 중성미자 관측장치가 νe, νμ, ντ 모두를 관측했다. 이것들을 모두 합쳐 보면 당초의 태양 중성미자의 이론치와 일치했다. 즉 태양 중성미자 문제는 중성미자 진동설로 설명할 수 있게 되었고 이번 카지타 씨와 SNO의 McDonald 씨의 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 중성미자의 진동이 확인됨에 따라 표준이론의 수정으로 이어졌다.
현재 카미오카 광산의 지하에서는 용량이 슈퍼 카미오칸데의 20배가 되는 하이퍼 카미오칸데의 건설이 2025년의 가동을 목표로 진행되고 있다. 주목적은 원래 카미오칸데의 목적이었던 양성자 붕괴의 검출이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - ニュートリノとは何か https://xtech.nikkei.com/dm/atcl/column/15/198610/100800021/
전기가 흐르는 속도는 빛이나 전파의 속도와 같고 초속 약 30만 km입니다. 그래서 위성을 경유한 전화나 텔레비전 등은 원거리로 전송되어 인간의 감각으로는 순식간에 신호가 닿습니다. 텔레비전의 디지털화에 의한 지연은 디지털 신호로부터 화상이나 음성을 디코드(복원)하기 위해서 발생하는 지연이기 때문에 텔레비전에 따라 지연시간이 다릅니다.
그런 전기는 원자의 중심에 있는 원자핵으로부터 가장 먼 위치에 있는 전자가 원자핵의 속박으로부터 해방되어 한 방향으로 움직이기 시작한 상태입니다. 전자의 흐름은 초속 1mm 이하로 더 빨리 가속하려면 전압을 가해야 합니다. 브라운관을 사용한 텔레비전 수상기나 빛 대신에 전자를 사용하는 전자현미경 등에서는 수만에서 수백만 볼트의 전압으로 전자를 끌어당겨 전자의 속도를 가속합니다.
전기는 구리처럼 전류가 흐르기 쉬운 금속을 선형으로 한 전선을 사용하여 이용합니다. 공장의 큰 모터를 움직이는 용도에는 3개 한 세트의 전선을 사용하는 경우가 많고 건전지로 작은 전구(또는 LED)를 빛내거나 일반적인 가정용 가전은 2개 한 세트의 전선을 사용합니다.
입자의 이론에 중력을 통합하기 어려운 이유는 입자 사이에 작용하는 힘을 전달하는 방법에 있었다. 입자 사이의 힘을 전하는 '장'이라는 것의 성질이 문제였다.
물질의 근원을 찾는 연구가 진행되는 한편 자석이나 전기 등의 연구에서 자연계에는 입자 외에도 무언가 물리적인 실체가 있다는 것을 알게 되었다. 그것을 생각하는 계기가 원격력의 존재입니다.
자기력의 존재는 오랫동안 알려져 왔다. 자석을 가까이하거나 멀리하면 근처에 있는 금속의 운동을 컨트롤할 수 있으므로 힘이 작용하고 있다는 것을 알 수 있었다.
그러나 손으로 민 물건이 움직이는 경우 물건을 건드리는 손에서 직접 힘이 전달되지만 멀리 떨어진 곳에서 금속에 달라붙거나 서로 반발하는 자석의 힘은 사람들의 눈에 이상한 것으로 보였다.
이와 같이 떨어져도 전해지는 힘을 원격력이라고 부른다. '장'이라는 개념은 이 원격력을 설명하기 위해 생각한 것이었다.
물체와 물체 사이에는 장이라는 실체가 있어 그것이 힘을 전하고 있다고 생각한다. 예를 들면 자기의 힘을 전하는 것은 자기장, 전기의 힘을 전하는 것은 전기장이라고 부른다.
물리학의 정의로 말하면 장이란 공간의 각 점에서 값(힘의 크기나 방향 등)이 정해져 있는 것이다.
이것만으로는 너무 추상적이기 때문에 이것을 눈에 보이게 만드는 방법으로 학창시절에 한 적이 있는 자석 위에 종이를 올려 거기에 사철을 뿌리는 실험이 있다.
이때 사철이 그리는 모양은 자석 주위에 생긴 자기력선의 형태로 그것을 보면 종이 위의 각 점마다 자기의 크기와 방향이 정해져 있음을 알 수 있다. 이것이 바로 자기장이다.
원격력은 이 자기장이나 전기장 등의 장이라는 생각에 의해 설명할 수 있게 되었다. 예를 들어 전자와 전자 사이에 전기의 반발력이 전달되는 이유는 전자 주위에 전기장이 있고 다른 전자에 의해 전기장의 상태가 변하기 때문이다.
<전자가 있으면 전기장이 변화한다→이 전기장이 또 다른 전자의 운동에 영향을 준다>
이것이 전기장이 전자 사이의 힘을 전하는 원리이다.
스코틀랜드에서 태어난 물리학자 제임스 클라크 맥스웰은 19세기 중반에 전기와 자기의 다양한 현상이 하나의 방정식으로 설명될 수 있음을 발견했다. 그 이후 전기장과 자기장은 일괄해서 전자기장이라고 불리게 된다.
이 맥스웰 방정식의 중요한 의미 중 하나는 전자기장의 파인 '전자기파'를 예언한 것이었다. 전자기장의 방정식을 풀면 전기장과 자기장이 서로 유도되어 파동처럼 전해지는 것을 알 수 있다. 이것이 전자기파이다.
게다가 전자기파가 전해지는 속도는 광속인 것도 계산으로부터 알게 되었다. 즉 빛의 정체란 전기장과 자기장이 만드는 파동인 전자기파였다.
캘리포니아 공과대학은 이공계의 대학이므로 구내를 걷다보면 이계 오타쿠라고 불리는 학생을 자주 마주친다. 그들은 이계 테마의 티셔츠를 자랑스럽게 입고 있기 때문에 바로 알 수 있다. 예를 들면 구약성경의 창세기의 유명한 구절 중 빛의 창조부분을 맥스웰 방정식으로 다시 쓴 것이 있다. T셔츠에 쓸 수 있을 정도의 간결하면서 모든 전자기 현상을 설명하며 빛의 기원까지도 밝힌 훌륭한 방정식이기 때문에 이계 오타쿠가 기쁘게 입고 다니는 것은 타당하다.
그런데 이와 같이 공간으로 가득 찬 전기장이나 자기장 등의 '장'의 존재를 모든 물질이 크기가 없는 '점'으로 되어 있다는 생각과 조합하면 어떤 문제가 일어난다. 그리고 이 문제가 소립자의 이론에 중력이론을 포함하려고 할 때의 어려움으로 이어진다.
전자기력을 외에도 강력, 약력, 중력에서도 같은 문제가 생긴다. 전자에 의해 일어난 전자기장의 변화가 다른 전자로 전해지는 것이 전자기력의 구조인 것을 알게 되면서 어떤 소박한 의문이 생겼다. 하나의 전자에 의해 생긴 전자기장의 변화는 변화를 일으킨 전자 자신에도 영향을 미치는 것이라는 의문이다.
전자기장은 '모두의 것'이며 발신한 전자와 수신하는 전자를 구별하지 않는다. 따라서 발신한 전자에도 당연히 전자기장의 영향은 미칠 것이다. 그런데 그렇게 생각하면 곤란한 일이 일어난다.
전자기장에서 작동하는 힘의 강도는 거리 제곱에 반비례하는 것으로 밝혀졌다. 이것을 쿨롱의 법칙이라고 한다. 전자와 전자 사이의 거리가 가까울수록 더 커진다. 그러면 전자기장의 변화를 발신한 전자 자신이 그 전자기장으로부터 받는 영향은 어떻게 될까?
전자가 점이라면 길이도 폭도 없기 때문에 전자로부터 자신까지의 거리는 제로. 쿨롱의 법칙에 의하면 발신한 전자 자신이 느끼는 전자기장의 힘은 무한대가 되어 버리는 것이다.
전자가 느끼는 전자기장의 강도가 무한대가 되면 무엇이 문제일까? 여기서 중요한 것이 아인슈타인의 유명한 식 E=mc^2이다. 이 방정식은 에너지(E)와 질량(m)이 사실 같은 것이라고 알려준다. 예를 들면 질량 1그램이 약 8만 가구의 1개월분의 소비전력량과 같은 에너지로 환산할 수 있다.
전자기장을 강하게 하면 그 에너지도 커진다. 그리고 전자가 느끼는 전자기장의 강도가 무한대가 되면 거기에서 전자기장의 에너지도 무한대가 된다. E=mc2로 이 에너지를 질량으로 환산하면 이것도 무한대. 이것을 전자의 질량에 더하면 전자의 질량도 무한대가 되어 버린다.
하지만 물론 그런 일은 있을 수 없다. 질량이란 그 물체의 이동하기 어려움이나 멈추기 어려움을 나타내는 값이다. 전자의 질량이 무한대라면 그 전자를 움직이는 것은 불가능하게 되어 현대 사회의 기반이 되고 있는 전자기술도 성립되지 않게 되어 버린다.
이런 바보 같은 결론에 도달하는 것은 애초에 전자기장의 에너지를 전자의 질량에 포함시키는 것이 타당한 것인지 의문이 들지도 모른다. 그러나 전자의 질량이 무한대가 되어 버리는 문제는 E=mc^2의 발견 이전부터 알려져 있었다.
전자를 발견한 것으로 알려진 영국 물리학자 조셉 존 톰슨은 아인슈타인이 E=mc^2를 발견하기 20년 이상 전부터 전자처럼 전하를 가진 입자의 질량을 생각하고 있었다.
이 입자를 표면에 전하가 균일하게 분포하고 있는 작은 구체라고 생각하면 그 주위에는 전기장이 생긴다. 또 구체를 움직이려고 하면 자기장도 생긴다. 톰슨은 계산에 의하여 이 전자기장은 구체를 움직이기 어렵게 하기 위하여 작동한다는 것을 보여주었다.
즉 전자기장이 구체의 질량으로서 작용하는 것이다. 톰슨은 구체의 질량이 전자기장에 의해 증가한다는 결론을 내렸다.
그리고 이 때 구체의 반경을 제로, 즉 점이라고 생각하면 입자가 받는 전자기장의 강도는 무한대가 되기 때문에 질량의 증가분도 무한대가 되어 버리는 것이다. 이 결과는 아인슈타인의 E=mc^2를 사용한 계산과 동일했다.
전자의 크기가 0이 아니면 전자기장으로부터 받는 에너지도 유한하고 그 후 가산되는 질량도 유한의 값에 들어간다. 전자가 크기가 없는 점이라고 생각하기 때문에 전자의 질량이 무한대가 되어 버리는 것이다.
그렇다면 점입자 등은 생각하지 않고 전자에 크기가 있다고 하면 무한대의 문제는 해소할 수 있는 것은 아닐까. 초끈이론의 발상의 원점은 여기에 있다.
그러나 물리학자는 보수적인 사람들이다. 자연계의 기본단위는 크기가 없는 점이라고 하는 지금까지 익숙한 생각을 포기하고 '넓이가 있는 소립자상' 등 돌발적 발상을 하기 전에 더 온건한 해결책을 모색했다.
거기서 제안된 것이 전자가 원래 가지고 있던 질량의 값으로 전자기장의 에너지의 효과를 상쇄하려는 아이디어이다.
구체적으로는 우선 전자기장의 에너지를 기원으로 하는 질량 외에 전자가 원래 가지고 있는 고유의 질량이 있다고 생각한다. 그러면 관측되는 전자의 질량은 전자기장의 에너지를 환산한 질량과 전자 고유의 질량의 합이라고 본다.
(관측되는 전자의 질량)=(전자기장의 에너지)+(전자 고유의 질량)
전자가 점점 작아지고 점에 가까울수록 전자기장의 에너지는 무한대에 가까워지는데 여기서 전자 고유의 질량을 점점 작게 하여 그것과 상쇄하면 전자가 점이어도 상관없다는 것이 이 아이디어의 골자였다.
잠정적인 해결책인 재규격화라 불리는 이 아이디어는 20세기의 소립자물리학의 발전에 크게 공헌했다. 그러나 소립자이론의 진보가 어느 단계에 도달했을 때 이 방법은 드디어 사용할 수 없게 된다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 「点粒子」が引き起こす「無限大」という困難をどう乗り越えるか https://gendai.media/articles/-/36819?imp=0
By Janet Ramsden 출처:https://www.flickr.com/photos/ramsd/
물은 일반적으로 거의 압축할 수 없고 아무리 힘을 가해도 그 부피는 거의 변화하지 않는다고 알려져 있습니다. 그 특성을 살려 수압을 이용한 기계가 사회의 곳곳에서 활용되고 있는데 그런 상식이 특수한 환경에서는 뒤집히는 것으로 드러났습니다. 두 영역에서 전위구배가 존재하는 원자 수준의 세계에서 물은 압축될 수 있는 것으로 연구에서 밝혀졌습니다.
이 연구결과는 일리노이대학교 어바나-샴페인캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 연구팀이 발표한 것으로 물리학의 알렉세이 아키멘티예프 교수와 포스독 연구원 제임스 윌슨 씨 등은 아래 그림과 같은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없는 시트상 물질인 그래핀에 미세한 구멍 나노세공(nanopore)을 비우고 그래핀의 양면에 전위의 차이인 전위구배가 있는 상태로 했을 때 그 구멍을 통과하려고 하는 물 분자가 최대로 3% 압축되는 것을 발견했습니다.
By AlexanderAlUS 출처:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%B3#/media/File:Graphen.jpg
연구팀은 그래핀의 나노세공을 이용한 DNA 시퀀싱 기술의 신기술을 테스트하기 위한 연구에서 이 현상을 발견했습니다. 이 분야는 최근 기존보다 저렴한 DNA 시퀀싱을 가능하게 하는 기술로서 기대되고 있는 분야로 전세계에서 연구가 진행되고 있다고 합니다. 나노세공을 가진 그래핀을 물 속에 넣어 막의 양면에 전위차를 만들어 내는 방식으로 물이나 DNA, 이온을 그 전위차를 이용해 이동시킨다는 것으로 이때 DNA의 4개의 염기로 인해 발생하는 이온의 흐름을 읽어 DNA를 특정할 수 있습니다.
이 기술에서는 나노세공의 크기가 매우 중요한 요소가 되었습니다. 그래핀은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없고 나노세공의 직경은 불과 3나노미터로 대략 탄소원자 10개분의 크기입니다. 이 구멍 안을 직경 약 2나노미터의 DNA 분자가 통과합니다.
연구에 있어서 아키멘티예프 교수와 윌슨 씨는 이 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션해 나노세공을 통과하는 DNA 분자의 스피드를 제어하는 것을 목표로 했습니다.
지금까지의 실험에서는 가하는 전하를 높게 함으로써 DNA 분자의 이동속도가 높아지는 것을 알고 있었고 전하를 10배로 하면 그 움직임이 멈추어 DNA 분자는 나노세공을 통과할 수 없다는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 그 원인에 대해 연구를 한 아키멘티예프 교수 연구팀은 물은 전위구배에 의해 압축된다는 결론에 이르렀다고 합니다.
아키멘티예프 교수는 그 양상에 대해 “전위구배가 물을 압축시키는 것으로 밝혀졌습니다. 왜냐하면 물은 유전체이기 때문입니다. 이 현상은 매우 높은 전계에 의해 생성되는 것이 아니라 공간과 공간 사이에 전위구배가 있는 상태로 인해 발생합니다. 물분자에 주어진 전하는 전계에 따라 나열되고 전기장이 가장 높은 장소에 가까운 곳에 있는 전하는 전기장이 가장 약한 장소보다 강하게 당겨진다”라고 설명합니다.
이 때의 물의 압축률은 불과 3%로 100기압에 있는 물과 같은 압축율입니다. 이 높게 압축된 물이 앞서 언급한 DNA 분자가 통과할 수 없는 상태를 낳고 있다고 아키멘티예프 교수 연구팀은 보았습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 영상에서는 압축된 물이 DNA 분자를 밀어내는 상태가 재현되어 있습니다.
일상적으로 빛과 빛은 곳곳에서 충돌하고 있을 것 같다. 예를 들어 두 개의 손전등을 서로 마주 보게 하는 실험을 생각해보면 빛은 사라지지 않거나 튀어 오르거나 땅에 떨어지거나 하지 않는다. 그냥 통과할 뿐이다.
거울을 이용하여 태양광선끼리를 부딪히는 실험이나 강력한 레이저 광선을 사용한 실험이 이루어졌습지만 역시 빛은 그대로 통과한다. 빛과 빛은 간섭 등의 현상을 일으킬 수 있지만 튀어 오르거나 반응하지는 않는다. 이것은 물체와 물체, 빛과 물체가 부딪쳤을 경우에 튀어 오르거나 빛이 없어져 버리는 것과 완전히 다르다.
높은 에너지의 빛끼리의 충돌
그러나 에너지가 높은 빛인 감마선끼리 충돌시키면 반응이 일어난다. 이것은 빛의 에너지가 상대성이론의 효과로 물질로 바뀌기 때문이다. 광자의 에너지를 점점 올려 갔을 경우의 충돌현상을 살펴보자. 높은 에너지의 빛에서는 입자로서의 성질이 중요하기 때문에 이제부터 빛을 '광자'라고 부른다.
우선 광자 1개의 에너지가 전자의 질량에 대응하는 에너지(0.511MeV)보다 커지면 2개의 광자의 충돌로 인해 전자와 그 반입자인 양전자의 쌍이 만들어진다. 2개의 광자는 사라져 없어져 버린다.
광자 + 광자 → 전자 + 양전자
한층 더 에너지를 올리면 질량이 큰 입자나 다수의 입자가 한 번에 만들어지게 된다. 그 중의 흥미로운 현상으로서 무거운 중간자의 생성(0.5~5GeV 정도의 광자에서 일어난다)이나 에너지가 높은 쿼크나 글루온으로부터 만들어지는 다수의 입자군의 생성(주로 2GeV 이상의 광자)이 일어난다. 한층 더 높은 에너지의 광자를 사용하면 힉스입자 등의 소립자도 가능하다. ※1MeV=백만 전자볼트, 1GeV=10억 전자볼트
현재까지의 광자·광자 충돌실험의 성과
높은 에너지의 광자를 어떻게 만들까? 전자나 양성자는 전기를 띠고 있기 때문에 전기의 힘으로 에너지를 줄 수 있지만 광자는 전기를 띠지 않기 때문에 되지 않는다. 보통은 가속기로 높은 에너지까지 가속한 전자를 금속판에 충돌시켜 높은 에너지의 광자를 방출시킨다. 그렇지만 이 방법에서는 금속판을 통과할 때에 전자의 빔의 방향이 방해되기 때문에 광자의 날아가는 방향이 다소 퍼져 버려 광자·광자 충돌실험에는 적합하지 않다.
현재의 광자·광자 충돌실험은 전자와 양전자가 충돌하는 순간의 극히 짧은 시간에만 나타나는 '가상 광자'를 사용해 이루어지고 있다. 가상 광자끼리의 충돌은 전자와 양전자의 충돌시 자연스럽게 발생하는 현상이다.
하드론 제트와 같은 현상을 대량으로 관측해 상세한 연구를 했다. 그리고 광자 안에 글루온이라는 입자의 성분이 있기 때문에 일어나고 있는 현상이 있다는 것을 확인했다. 글루온은 본래 양성자 등 물질을 만드는 입자 속에서 발견되는 것인데 이 현상은 글루온이 광자 안에도 있다는 빛의 의외의 일면을 보여주는 귀중한 현상이다.
미래의 가능성
새로운 방식으로서 전자빔과 양전자빔 각각에 레이저광을 대고 매우 높은 에너지의 광자·광자 충돌이 생각되고 있다.
이처럼 우리의 일상생활에서는 결코 일어나지 않는 빛과 빛의 충돌은 높은 에너지에서는 다채로운 현상을 통해 소립자의 세계로부터 중요한 메시지를 전해 준다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 光と光をぶつけたら https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/mayjun/photon.html
특정 물질을 극저온 상태로 냉각하면 전기저항이 사라지고 높은 전도성을 가진 '초전도'라는 상태가 되는 것으로 알려져 있습니다. 초전도는 리니어 모터카나 MRI 등에 응용되고 있는데 실은 물질이 도전성을 획득하는 메카니즘을 설명할 수 있는 간단한 이론은 발견되지 않았습니다. 미시간대학의 연구팀은 새롭게 슈퍼컴퓨터를 이용해 종래의 이론으로 초전도를 설명할 수 있는 것은 알려진 물질의 50%라는 결과를 도출했습니다.
초전도라는 물리현상은 1900년대 초반에 발견되어 그 후 1950년경에 역방향의 스핀을 가지는 전자끼리에 인력(쿠퍼쌍)이 생기는 것으로 인해 전류가 자유롭게 왕래할 수 있게 된다는 초전도의 메커니즘을 설명하는 이론이 나왔습니다. 그러나 이 이론이 적용되지 않는 비교적 고온에서 초전도성을 획득하는 물질이 여럿 발견되고 있고 모든 물질에 있어서의 초전도를 설명할 수 있는 이론은 아직 확립되어 있지 않습니다.
미시간대학의 연구팀에 따르면 초전도의 메커니즘을 설명하기 위해서는 전자와 스핀의 상호작용을 알아야 한다는 것. 연구팀은 실제로 상호작용을 추구하기 위한 모델을 도출하고 슈퍼컴퓨터를 이용하여 전자와 스핀의 상호작용을 조사했습니다.
슈퍼컴퓨터를 이용한 조사 결과에서는 알려진 물질의 약 50%에는 역방향의 스핀을 가지는 전자에 의해 도전성을 획득한다는 기존의 이론이 적용되었다고 합니다. 한편 나머지 약 50%의 물질은 이 이론으로는 설명할 수 없었고 '전하의 흔들림'이 영향을 주고 있을 가능성이 나타났습니다.
연구팀은 "초전도의 메커니즘을 설명하는 하나의 단순한 이론이 존재할 이유가 없다"며 "놀랍게도 기존의 이론은 상당한 물질에 적용되지만 전부는 아니다”라고 설명했습니다. 또한 이번 연구결과가 초전도의 메커니즘 규명에 도움이 될 것으로 전망했습니다.
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전기차와 가솔린차의 차이는 단순히 모터를 움직이는데 사용되는 것이 전력이냐 가솔린이냐는 점뿐만 아니라 에너지효율에서도 큰 차이가 있습니다. 실은 전기차의 에너지효율은 가솔린차에 비해 놀라울 정도로 높은데 그 이유에 대해 예일대학의 기후에 관한 홍보 사이트 Yale Climate Connections가 정리했습니다.
지질학 및 기후학 관련 작가인 칼린 커크 씨는 가솔린 차량에 사용되는 내연기관은 근본적으로 비효율적이라고 지적합니다. 가솔린차는 연료가 되는 가솔린에 포함되는 에너지의 약 80%를 낭비하는데 실제로 바퀴를 앞으로 진행시키기 위해 이용되는 에너지는 약 20%에 불과하다는 것.
내연기관이 비효율적인 이유는 열역학적 이유 때문입니다. 내연기관은 액체연료를 가열하여 가압가스를 생성하고 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌려 바퀴를 회전시키는데 그 과정에서 많은 에너지가 열 등으로 변환되어 도망가 버리기 때문에 바퀴에 도달하는 에너지는 제한됩니다.
가솔린차에서 낭비되는 에너지와 바퀴에 도달하는 에너지를 나타낸 이미지를 살펴보면 가솔린에 포함되는 에너지의 약 68~72%는 엔진의 폐열이 되고 4~6%가 엔진의 냉각시스템 등의 동력으로서 사용되며 트랜스미션 등의 가동부품에서 기계적 마찰로 3~5%의 에너지 손실이 발생합니다. 또한 오디오나 라이트 등의 보조전기 부품에 사용되는 에너지는 최대 2%라서 최종적으로 바퀴의 동력이 되는 에너지는 가솔린 전체의 16~25%에 불과합니다. 즉 약 8000원으로 5리터의 가솔린을 구입해도 차가 이동하는데 사용되는 앙은 1리터로 나머지 4리터는 다른 곳에서 소비되어 버린다는 것입니다.
연비가 좋은 차는 더 가볍고 작으며 공기역학적으로 뛰어나므로 구동 부품에 도착하는 에너지를 최대한으로 이용하는 것은 가능하지만 내연기관의 구조상의 에너지 손실을 회피할 수는 없습니다. 커크 씨는 “가장 연비가 좋은 가솔린차조차 이러한 에너지 손실을 피할 수 없다”며 가솔린차보다 효율적인 디젤엔진에서도 60% 정도의 에너지가 열 등으로 손실된다고 설명합니다.
한편 전기차는 가솔린차와 완전히 다른 시스템으로 에너지는 전기 형태로 차량에 충전되어 액체연료를 태워 가스로 만들기와 같이 다른 에너지로 변환되지 않고 직접 구동부품에 에너지를 공급합니다. 전기모터는 내연기관과 비교하면 가동부품이 매우 적은 구조이며 움직이는 과정에서 에너지 손실도 적은 것 외에도 바퀴의 회전을 발전기로 하는 회생 브레이크에 의해 마찰이나 열로서 손실되는 에너지를 전기에너지로 회수할 수도 있습니다.
전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 충전시에 10% 정도의 에너지 손실이 발생하는 것 외에 약 18%가 구동 프로세스에서 손실되고 약 3%가 냉각시스템 등에서 손실됩니다. 또한 보조 전기부품에서 소비되는 에너지량은 최대 4%로 겨울에 난방을 위해 폐열을 사용하기 어려운 경우도 다소 가솔린 차량보다 많습니다. 그러나 구동부품에 도달하지 않고 손실되는 에너지 손실은 31~35%에 그치고 회생 브레이크에 의한 에너지 회수율이 22%이기 때문에 종합적으로는 충전에너지의 87~91%가 바퀴를 움직이는 데 사용된다는 계산입니다.
미국에서는 하루 890만 배럴(약 14억1500만 리터)의 자동차용 가솔린이 사용되는데 에너지적으로 보면 전체의 약 8할이 열이나 마찰 등으로 낭비되고 있어 차량의 추진에 이용되고 있는 양은 불과 180만 배럴(약 2억 8600만 리터) 상당의 에너지에 지나지 않습니다. 만약 가솔린차를 전부 전기차로 대체할 경우 소비되는 에너지 총량은 11%의 에너지 손실을 더해도 기껏해야 가솔린 200만 배럴(약 3억 1800만 리터) 상당이며 대폭적인 비용과 에너지의 절약을 달성할 수 있습니다.
물론 전기의 발전에도 에너지 손실은 생겨 버리기 때문에 연료가 되는 화석연료나 원자력 등에 포함되는 에너지가 모두 전기에너지로 변환되는 것은 아닙니다. 그러나 발전소는 가솔린차의 내연기관보다 효율적이기 때문에 석탄/원자력발전의 에너지효율은 약 33%, 천연가스발전소라면 약 44%이고 수력발전에 이르면 약 90%의 발전효율을 자랑합니다.
발전소의 에너지효율을 고려하여 전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 석탄화력발전의 에너지효율은 31%, 천연가스발전 48%, 수력발전이 75%로 가솔린차를 웃도는 효율로 에너지를 추진력으로 바꿀 수 있습니다.
더해 커크 씨는 전기차의 배터리 제조 프로세스에 필요한 에너지는 가솔린의 약 74갤런(약 280리터) 상당이라며 전기차로 전환하면 순식간에 충당할 수 있다고 설명합니다.
커크 씨는 세계 규모로 에너지를 탈탄소화하는 것은 거대하고 어려운 과제라고 인정하면서도 자동차 분야에서는 전기차로의 이행으로 대폭 개선할 수 있다며 “전기차는 주행효율을 대폭 향상시켜 이산화탄소와 환경오염물질 배출량을 줄일 수 있으며 동시에 에너지 수요 전체도 줄일 수 있는 쉬운 방안"이라고 보았습니다.
by Michael Fousert https://unsplash.com/photos/O63S96_qn8c
자기장은 전류 주위에도 만들 수 있습니다. 즉 전류가 흐르고 있는 곳에서는 자력이 작용하고 있는 것입니다. 이 자력은 도선이 뻗은 형태보다 스프링처럼 빙글빙글 감은 코일형태일 때 더 강해집니다. 여기에 전류를 흘리면 자기장이 발생하여 코일은 자석의 성질을 가지게 됩니다. 이와 같이 전류를 흘리면 강한 자력을 발생시키는 것을 '전자석'이라고 합니다.
전자석은 영구자석과 달리 전류의 방향에 따라 자력선의 방향이 바뀝니다. 전류의 강도나 코일을 감는 수, 도선의 두께 등에 의해 자력은 강해지거나 약해집니다. 코일 안에 철심을 넣으면 그 철심도 자석이 되어 보다 강한 자력을 낼 수 있게 됩니다.
전자석은 전류를 흘려 N극과 S극을 자유롭게 바꿀 수 있거나 코일을 만드는 방법에 따라 자력을 강력하게 할 수 있다는 성질이 있습니다. 이것을 이용한 이동수단이 리니어 모터카(Linear motor car)입니다. 리니어 모터카의 구조는 바퀴에 의존하지 않기 때문에 시속 500km를 넘는 주행속도를 내는 것도 가능합니다. 리니어 모터카는 차량에 전자석을 붙이고 주행로에도 전자석을 여러 개 늘어놓습니다. 이 상태에서 전자석에 전류를 흘리면 서로 다른 극끼리 반발하는 힘과 같은 극끼리 끌어당기는 힘이 발생하는데 그 힘을 이용하여 차량을 부상시켜 앞으로 움직일 수 있습니다.
리니어 모터카의 작동방식은 일부 지하철에서도 사용됩니다. 지하철에는 바퀴도 붙어 있지만 리니어 모터도 붙어 있습니다. 바퀴로 차량을 지지하고 리니어 모터로 앞으로 나아가는 방식으로 급곡선이나 가파른 언덕을 안전하게 달리는 것이 가능해집니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 電流で磁石がつくれるってホント？ https://www.kepco.co.jp/sp/energy_supply/energy/kids/science/topic09.html
The Guardian에 의하면 최근 몇 년에 걸쳐 하루의 단시간 기록이 잇달아 갱신되고 있다고 합니다. 2020년에는 지난 50년간 가장 짧은 28일을 기록했으며 그 중에서 가장 짧은 하루였던 7월 19일은 8만 6400초, 즉 24시간이 평소보다 1.47밀리초 짧아졌습니다. 게다가 이 기록은 2022년 6월 29일 다시 1일이 평소보다 1.59밀리초 단축되며 갱신되었습니다.
미미하지만 점차 가속하고 있는 지구는 장기적으로 보면 오히려 느려지고 있습니다. 공룡이 활약하고 있던 시대보다 훨씬 옛날인 14억 년 전의 하루는 불과 19시간이었다는 것. 지구는 조수간만의 차로 해수와 해저, 해안가 사이에서 일어나는 마찰 등이 원인으로 자전의 속도가 조금씩 늦어져 있어 현재의 약 24시간이라는 속도까지 감속했습니다.
by Alexis Antoine
The Guardian에 의하면 지구 내부의 코어나 지상의 해수, 상공의 가스 등이 자전에 의해 흔들림으로써 약간의 자전속도가 변화하고 있기 때문에 지구의 속도를 정확하게 예상하기는 어렵다고 합니다. 과거의 사례를 살펴보면 엘니뇨 현상으로 인해 바람이 강하게 불면 하루가 1밀리초 단위로 길어질 가능성이 있고 수마트라섬 앞바다 지진 정도의 거대 지진이 일어나면 반대로 하루가 3마이크로초 정도 짧아지는 현상이 확인되었다고 합니다.
가디언은 “이러한 서로 다른 프로세스들이 어떻게 결합되어 하루의 길이에 영향을 미치는지는 과학자들이 여전히 연구하고 있는 과제”라고 설명했습니다.
by NASA 출처:https://unsplash.com/photos/Q1p7bh3SHj8
AI 기술의 진화로 인해 AI는 체스의 그랜드 마스터와 어깨를 나란히 하는 수준에서 체스를 둘 수 있게 되었습니다. 한층 더 로봇기술을 조합해 누구라도 AI와 치열한 승부를 다투는 체스를 두는 것이 가능합니다. 그런 체스 로봇이 상대하던 소년의 손가락을 잡고 부러트렸다고 보도되고 있습니다.
조사회사인 TechInsights가 중국 반도체 제조사 SMIC의 7nm 프로세스 룰의 칩 생산을 보고했습니다. 이미 TSMC는 2022년 4월에, 삼성은 2022년 7월에 각각 3nm 공정 제품의 생산체제에 들어간 것으로 보도되고 있으므로 7nm 공정의 생산은 놀라운 일이 아닌 것처럼 보이지만 이 보고의 획기적인 부분은 미 상무부가 14nm 공정보다 고급기술에 이용 가능한 장비의 중국으로의 수출을 제한하고 있음에도 불구하고 SMIC가 7nm 공정의 제품을 제조했다는 사실에 있습니다.
7nm 공정 칩 제조는 SMIC가 공식적으로 발표한 것이 아니라 Techinsights가 시판된 칩을 실험실에서 분해하여 얻은 정보입니다. 제조하고 있는 것은 비트코인 마이너용의 SoC로 2021년 7월부터 출하되고 있었다는 것. 그리고 분석에 의하면 SMIC의 7nm 프로세스 칩은 대만의 대기업 반도체 메이커인 TSMC의 것을 카피했을 가능성이 있다고 합니다. TSMC는 2002년과 2006년에도 기술절도로 SMIC를 고소했습니다.
by SMIC
문제는 TSMC 제품을 복사했는지 여부뿐만 아니라 미 상무부가 14nm 공정보다 고급 공정규칙 반도체를 생산할 때 필요한 장비의 중국 수출을 제한하고 있다는 점에도 있습니다. 미세화된 프로세스 룰의 반도체 생산에는 최신 EUV 리소그래피 장치 등이 필요하지만 Techinsights의 분석에서는 SMIC는 EUV 리소그래피 장치에 의존하지 않고 기존 기기를 이용하여 7nm 공정 제품을 생산한 것으로 보입니다. 최신 장치를 이용할 수 없는 만큼 SMIC의 7nm 칩의 생산수율이 나쁘고 비용이 높다고 보이지만 독자적으로 칩을 생산해 서방 국가로부터 기술적으로 독립한다는 의도가 있으므로 감수할 정도의 비용이라는 것.
SMIC의 생산규모는 세계 3위의 파운드리(반도체 수탁제조기업)인 GlobalFoundries를 웃도는 것으로 TSMC, Samsung의 뒤를 추격하고 있습니다.
덧붙여 코로나 판데믹이 일어난 2020년 초부터 2년에 걸쳐 모든 업계에서 반도체 부족 현상이 일어나고 있으나 각 메이커에서 증산체제가 정돈되면서 향후 이 문제는 해소될 것으로 예상됩니다.
전기가 전해지는 것은 도체에 흐르는 전류 때문이라고 봅니다. 그리고 전선의 경우 도체 내의 자유전자의 흐름이 이 전류를 생성합니다.
그런데 이 도체 내부의 자유전자는 전선의 도체 재료로서 가장 일반적인 구리의 경우 1 m^3 중의 전자밀도는 8.5e28개이기 때문에 예를 들면 길이 1 m, 외경 0.5 mm의 구리선에는 1.7e22개라는 막대한 자유전자가 존재하게 됩니다. 구리는 1가의 금속이기 때문에 자유전자의 개수와 구리이온(원자)의 개수는 동일합니다.
그런데 이 구리선 안의 자유전자는 전류가 흐르지 않는 상태, 즉 전계 중에 놓여 있지 않은 경우에도 1.3e6m/S의 속도로 랜덤한 방향으로 움직이고 있습니다. 이 속도는 '페르미 속도'라고 불리며 절대온도 0도에서도 거의 변함없이 존재하는 것으로 열에너지가 아니라 양자역학의 불확정성 원리에서 유래하는데 전류는 자유전자 전체의 평균적인 흐름, 즉 편류속도(drift velocity)이기 때문에 이 상태에서는 전류는 존재하지 않습니다.
여기서 도체의 양단에 전압을 가하면 자유전자는 가해진 전계에 비례하여 가속되어 점점 빨라지지만 격자진동이나 격자결함, 불순물에 대한 충돌로 인해 전계의 방향과는 다른 방향으로 산란되어 전계 방향의 속도를 잃기 때문에 무한히 빨라지지 않고 일정한 평균속도로 떨어집니다. 즉, 충돌은 일종의 마찰력으로 작용합니다.
구리의 경우 충돌로부터 다음의 충돌까지의 시간 간격은 5.26e-45초로 자유전자의 평균 편류속도는 4.62e-3(m/s)/(V/m)가 됩니다. 즉, 길이 1m의 구리선 양단에 1V의 전압을 가했을 때 자유전자의 길이방향의 속도는 4.62mm/S라는 것입니다. 상당히 느린 것이지만 전자의 전하는 -1.6e-19C이기 때문에 이 속도에서도 방금 전의 0.5 mm의 구리선이라면 12.6A의 전류가 흐르게 됩니다. 그만큼 자유전자의 수가 많습니다.
예를 들어 LAN 배선에 자주 사용되는 '10Base-T'의 케이블 100m에 50mV의 차동전압을 가했다고 가정합니다. 도체에 가해지는 전계는 3.7e-5V/m입니다. 즉, 자유전자의 평균이동 속도는 초당 1.6e-7m에 불과합니다. 시속 0.0006m이므로 거북이라도 추월할 수 있습니다.
전기를 운반하는 것이 전류이고 그 전류가 전자의 흐름이라고 하면 이 경우 전기의 이동속도도 사람의 보행속도와 같은 것으로 사람은 매우 간단하게 LAN 배선을 통과하는 전류를 추월할 수 있기 때문에 전기는 느리다고 생각할 수밖에 없을 것 같습니다.
그러나 다른 한편으로 우리는 전화와 LAN 배선이 항공기보다 훨씬 빨리 정보를 전달하는 것을 목격합니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 電流の謎 - 電流の速さ http://www.mogami.com/puzzle/pzl-05.html#:~:text=%E3%81%A4%E3%81%BE%E3%82%8A%E3%80%81%E8%87%AA%E7%94%B1%E9%9B%BB%E5%AD%90%E3%81%AE%E5%B9%B3%E5%9D%87,%E3%81%A7%E3%81%99%E3%81%8B%E3%82%89%E3%80%81%E4%BA%80%E3%81%A7%E3%82%82%E8%BF%BD%E3%81%84%E8%B6%8A%E3%81%9B%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82
불로불사는 옛날부터 인류의 꿈으로 여겨지고 있습니다. 과학적인 지식이 늘어나 꿈의 실현이 얼마나 어려운지를 알기 시작했지만 과학의 발달하지 않았던 시대에는 이것을 실현하려고 노력을 거듭한 사람도 있었습니다. 그래도 불사는 포기하고 노화에 반대하고 언제까지나 젊음을 유지하는 연구 등은 지금도 활발히 이루어지고 있습니다. 그런 인간으로부터 보면 부러운 성질을 가지고 있는 것이 소립자의 일생입니다.
장수와 단명으로 나누어지는 소립자
소립자는 인간의 척도로부터 보면 극단적으로 장수하는 것과 극단적으로 단명하는 2종류가 있습니다. 특히 광자 등은 무한한 수명을 가졌습니다. 또 전자의 수명은 64000000000000000000000000년 이상으로 전자의 수명은 아직 정확하게 측정되지 않았습니다.
광자의 경우 수명이 무한하다는 것은 관측으로 확인할 수 없습니다. 광자의 수명은 이론적으로 무한하다고 믿어지는 이유가 있고 그것을 많은 과학자가 인정하고 있기 때문에 무한으로 취급하고 있습니다. 그런데 광자는 빛이고 형광등에서 나와 눈앞의 책상에 부딪히고 우리의 망막에 부딪쳐 망막의 세포를 자극한 광자 등 소립자의 수명을 계산할 때에는 이러한 충돌에 의해 죽은 소립자는 포함하지 않습니다. 즉 자연사한 것의 평균 수명을 가지고 그 소립자의 수명이라고 합니다. 따라서 KEKB 가속기 안에서 양전자와 부딪쳐 소멸한 전자 등도 계산에 넣지 않습니다.
소립자의 수명이라고 하면 양성자의 수명을 떠올리기 쉬운데 노벨 물리학상을 수상한 코시바 마사토시 씨가 만든 카미오칸데는 양성자의 수명을 측정하기 위한 장치이기도 했습니다. 양성자의 수명은 매우 길지만(10의 32승년) 무한하지 않다고 예상되고 있어 양성자의 수명이 몇 년이고 어떻게 붕괴하는지를 실험에서 조사하는 것은 소립자의 통일이론을 만드는데 있어서 매우 중요하다고 생각되고 있습니다. 다만 현재는 양성자는 쿼크나 글루온으로 이루어지는 복합입자로서 소립자라고는 생각되고 있지 않습니다.
노화와 수명이 관계하는 인간
소립자의 수명과 인간의 수명에는 결정적인 차이가 있습니다. 인간은 나이가 먹어감에 따라 사망률이 높아집니다. 노화하면 질병에 대한 저항력이 비교적 약해지고 결국에는 노쇠로 사망하기 때문입니다.
소립자의 경우 뮤 입자로 예를 들면 파이 마이너스 중간자 → 뮤 입자 + 반뮤 뉴토리노 등의 반응으로 태어납니다. 관측에 따르면 갓 태어난 젊은 뮤 입자도, 장년기의 뮤 입자도, 노인 뮤 입자도 완전히 같은 사망률을 가진 것으로 나타났습니다. 아니 원래 노화가 없기 때문에 뮤 입자에는 탄생이라는 개념은 있어도 장년기나 노년기라는 개념은 적용되지 않습니다. 태어나 얼마 안되는 뮤 입자도, 태어나고 나서 시간이 경과한 뮤 입자도 똑같이 정해진 확률로 갑자기 죽을 것입니다. 즉 뮤 입자는 불로유사라는 것이 됩니다.
노화와 개성
불로유사란 인간계의 상식으로부터 하면 매우 기묘하게 느껴지지만 이것은 소립자의 매우 큰 특징인 '개성이 없다'입니다. 소립자에는 뮤 입자, 전자, 광자와 같은 종류가 있지만 나이가 든 뮤 입자, 젊은 뮤 입자, 마른 뮤 입자, 뚱뚱한 뮤 입자와 같은 개성은 없고 어느 뮤 입자도 모두 완전 동일합니다. 불로라는 의미에서는 부러운 소립자들이지만 개성 없이 평생을 보내야 한다면 생물로서는 그다지 매력을 느끼지 않습니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 素粒子の奇妙な一生 https://www2.kek.jp/ja/newskek/2002/novdec/life.html
물리학의 세계에서는 전자가 기본적으로 사라지지 않는다는 전제가 있습니다. 이번에 그 전제를 뒤집을 가능성이 있는 실험이 이루어졌다. 하지만 결과적으로는 종래의 사고방식의 정확성이 다시 뒷받침되게 되었다. 그렇지만 그 실험에서 전자의 최단 수명이 지금까지 생각되었던 것보다 더 길다는 사실을 알게 되었다. 어쨌든 6.6×10의 28승=66000000000000000000000000000년이라는 엄청난 기간으로 우주의 나이와 비교해도 약 500경 배에 달한다.
전자는 아원자 입자 중에서 가장 가볍고 음의 전하를 가지고 있다. 내부구조가 없다고 여겨져 우주에 존재하는 가장 기본적인 요소라고 생각되고 있다.
그렇지만 다른 소립자도 붕괴해 가니 전자도 가끔은 어느 빈도로 붕괴할 것이라는 생각이 이 실험의 배경에 있다. 이탈리아에서 진행되는 입자물리학 실험인 Borexino를 진행하는 국제연구팀은 전자가 더 가벼운 입자로 붕괴되는 징후를 찾기 위해 방대한 데이터를 모았다. 그 결과 전자붕괴의 증거는 발견되지 않았다. 연구팀에도 상정 내였던 것 같다.
하지만 그것은 실험 실패라는 것이 아니라 오히려 좋은 것인데 왜냐하면 지금까지의 전제를 뒤집는 증거가 발견되지 않았다는 것은 반대로 기존 물리학의 뒷받침이 되기 때문이다. 그들이 만약 전자가 광자나 중성미자와 같은 저질량의 소립자로 붕괴되는 증거를 발견했다면 전하 보존법칙이 깨져 버린다. 그러한 발견이 있으면 기존의 표준모델을 넘어선 새로운 물리학이 필요하다.
이 실험의 결과는 그것만이 아니다. 연구팀은 역사상 가장 정확하게 전자의 수명을 측정하는 데 성공했다. 그들의 계산에 의하면 지금 있는 전자는 향후 6.6×10의 28승년 존재한다고 예측했다. 이 연구의 세부사항은 학술지 Physical Review Letters에 게재되어 있다.
Borexino는 석유 기반 액체가 들어있는 구조물로 구성된다. 그 중 거의 질량이 없는 중성입자인 중성미자가 전자에 부딪혀 액체 중의 원자로부터 해방하면 액체가 빛나는 구조이다. 검지기인 Borexino에는 광전자 증배관이 약 2,000개 있으며 거기서 빛을 증폭하고 감지한다. 연구팀은 전자가 광자 또는 중성미자로 붕괴하여 생성되는 광자에 대한 감지기의 감도를 계산했다. 연구팀은 전자의 정지질량의 절반에 해당하는 256킬로 전자볼트 근처의 에너지가 있는 광자의 ‘이벤트’를 찾았다.
그들은 총 408일의 데이터를 분석했지만 아무것도 발견하지 못했다. 그렇지만 그들은 그 실험을 통해 전자의 수명이 기존에 생각하고 있던 것보다 길다고 판단할 수 있었다.
단지 전자의 수명이 길다고 해도 실제로 그만큼 오랫동안 계속 존재한다는 의미는 아니다. 우선 우주 그 자체가 그렇게 앞까지 존재하지 않을 것이다. 만약 존재하고 있었다고 해도, 예를 들면 빅 립(우주 종말 가설의 하나)이 실제로 일어나 우주의 모든 것이 흩어져 버리면 전자 등의 입자의 기본적 성질은 완전히 다르게 되어 버릴 가능성이 높다.
이번 발견을 더욱 엄밀하게 말하면 전자가 존속할 수 있는 최단 시간의 추정치가 100배가 되었다는 것이다. 원래의 값은 1998년 같은 실험으로 추정된 6.6×10의 26승년이었던 것이, 6.6×10의 28승년으로 바뀌었다. 이것은 즉, 만일 전자가 붕괴한다고 해도 최소 6.6×10의 28승년이 걸린다는 것이다.
캘리포니아 공과대학의 물리학 교수인 Sean Carroll 씨는 "붕괴는 입자물리학에서 매우 자연스러운 현상으로 더 무거운 입자는 더 가벼운 입자로 붕괴하는 경향이 있다. 예를 들어 단독 중성자는 양성자와 전자 그리고 반중성미자로 몇 분 안에 붕괴된다. 그것은 우라늄과 같은 방사성 원자핵이 붕괴하는 현상의 소립자 버전"이라고 설명했다. "그러나 결코 일어나지 않는 것처럼 보이는 몇 가지가 있는데 이는 전하 보존법칙에 나타난다. 예를 들어 전하의 합계는 변하지 않는다. 또 바리온 수(양자와 중성자의 합으로부터 반양자와 반중성자의 합을 뺀 것), 렙톤 수(전자와 중성미자의 수의 합으로부터 그 반입자를 뺀 것)도 변하지 않는다. 이것이 중성자의 붕괴로도 채워진다는 것을 주목하면 붕괴 전에는 중성자가 하나 있고 전하는 0, 바리온 수 = 1, 렙톤 수 = 0입니다. 붕괴 후에는 전하 = 0(양성자가 +1, 전자가 -1, 반 중성미자 = 0), 바리온 수 = 1(양성자 = 1, 전자와 반중성미자 = 0), 렙톤 수 = 0(양성자 = 0, 전자 = 1, 반중성미자 = -1)이다."라며 "바리온 수와 렙톤 수는 어떠한 실험에서도 변화를 보이지 않았다. 만약 그런 발견이 있으면 노벨상이다. 하지만 우리는 이론적인 관점에서 그것이 변화할 가능성이 있고 우주의 초기에는 실제로 변화했다고 생각하고 있다. 그러면 현재 우주에는 반물질보다 물질이 많다는 설명이 쉬워진다. 또한 만약 전하가 보존되지 않는다면 그것은 매우 충격적이다. 전하가 보존되기 때문에, 모두가 전자는 붕괴하지 않는다고 생각하고 있으니까"라고 Carroll 씨는 설명했다.
Carroll 씨는 "전자보다 가벼운 입자가 전기적으로 중성인 것은 중성미자, 광자, 글루온, 중력자로 그 밖에 가볍고 전하를 띤 입자가 있으면 슬슬 발견되고 있어도 좋을 것"이라며 전자가 붕괴되어 그것이 될 것 같은 입자는 없을 것이라고 보았다.
천연에 존재하는 원소는 가장 가벼운 수소에서 가장 무거운 우라늄까지 92종류입니다. 빅뱅 직후의 우주에는 수소와 약간의 헬륨밖에 없었습니다. 다른 원소는 항성 내부에서 수소가 핵융합 반응하여 만들어진 것입니다. 핵융합 반응이란 4개의 수소 원자핵에서 1개의 헬륨 원자핵이 만들어지는 과정입니다. 그런데 4개의 수소 원자핵의 합계 질량보다 1개의 헬륨 원자핵이 가볍습니다. 그 차이는 미미하지만 질량이 사라진 만큼(질량 결손) 에너지로 방출되어 열과 빛이 됩니다. 이것은 아인슈타인의 상대론으로부터 유도된 'E=MC^2'이라는 식으로 질량은 에너지로 바뀔 수 있다는 것을 보여주는 예입니다.
항성이 충분히 크면 이번에는 헬륨 원자핵이 3개 모여 탄소 원자핵이 됩니다. 탄소 원자핵은 헬륨 3개보다 가볍기 때문에 그만큼 질량 결손이 생겨 역시 에너지가 발생합니다. 이렇게 해서 차례로 무거운 원소가 만들어져 가는데 철보다 무거운 원소는 철에 무엇을 더해도 합계의 질량이 늘어납니다. 즉 철의 에너지가 가장 낮은 것입니다. 철보다 무거운 원소는 에너지를 주지 않으면 만들 수 없기 때문에 초신성 폭발 등의 에너지로 만들어졌다고 생각됩니다. 그리고 철보다 무거운 원소는 분열하여 미세해지면 합계가 가벼워져 에너지가 발생합니다. 이것이 핵분열입니다. 우라늄이 핵분열을 일으키는 것은 분열하는 쪽이 질량 결손이 생기기 때문에 에너지가 생기기 때문입니다. 원자폭탄에 우라늄을 사용하는 이유입니다.
즉 모든 원소 중에서 철을 구성하는 원자핵 1개가 가지는 에너지가 가장 낮다는 것만으로 모든 것이 철이 된다는 것은 아닙니다. 보통 상태에서는 핵융합은 일어나지 않기 때문입니다. 최종적으로 원자를 부딪쳐 핵을 융합시키거나 분열시키려면 핵 주변에서 반발하는 마이너스의 전하를 띤 전자를 날려 버리고 플러스의 전하를 띠고 반발하는 핵끼리를 부딪히는 고에너지＆고밀도가 필요해 융합이나 분열에 의해 만들어지는 에너지가 '반발'을 초과할 정도로 클 때(매우 무거운 우라늄이나 매우 가벼운 수소)만 연쇄반응을 일으켜 폭발이나 발전할 수 있습니다. 다만 모든 물체가 에너지가 낮은 상태(가장 안정된 상태)로 향하는 경향이 있으므로 철이 되고 싶어 한다는 표현은 틀린 것도 아닙니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - すべての物質は鉄になりたがっているというのはどういうことですか？ https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1419591399
네오디뮴에 약간의 열을 가하면 동결된다는 현상을 발견한 네덜란드에 위치한 라드바우드대학의 물리학자인 알렉산더 카제트리안 연구팀은 이 발견에 대해 “이번에 관측된 네오디뮴의 자기적인 거동은 보통과는 반대였다. 예를 들어 물을 가열하면 얼음이 되는 것과 같이 매우 직감에 반하는 현상"이라고 설명했습니다.
일반적으로 철과 같은 강자성체에서는 원자의 스핀이 같은 방향으로 정렬되어 있고 원자 그 자체가 N극과 S극을 가지는 자석이 되어 같은 방향을 향하고 있어 자력을 발휘합니다. 한편 철에 구리를 섞어 합금을 만들면 원자의 스핀의 방향이 불규칙한 '스핀 글라스'가 됩니다.
스핀 글라스란 원자의 스핀이 불규칙한 방향으로 굳어져 있는 모습이 마치 고체인데 결정이 되지 않고 엉성한 구조를 가지고 있는 유리를 닮았기 때문에 명명된 것입니다.
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한편 매우 강력한 자석인 네오디뮴 자석은 철에 네오디뮴과 붕소를 더해 만들어져 있지만 네오디뮴만으로는 자석에 붙지 않습니다. 네오디뮴은 고체이므로 결정형 구조를 갖고 있지만 유리와 같은 거동을 나타내므로 네오디뮴은 '자기유도 스핀 글라스'라고 불립니다.
이 네오디뮴의 연구를 하고 있던 카제트리안 씨는 네오디뮴을 마이너스 268도에서 마이너스 265도로 약간 가열했습니다. 그러자 네오디뮴 원자의 스핀이 굳어져 자석과 같은 패턴을 형성했습니다. 반대로 네오디뮴이 식으면 무작위 패턴으로 돌아와 버렸습니다.
이 현상을 그림으로 표현하면 가열 전의 네오디뮴 원자(왼쪽)의 스핀은 소용돌이를 감는 패턴을 형성하지만 가열한 네오디뮴(오른쪽)은 동결되어 일종의 자석과 같은 패턴을 형성했습니다.
네오디뮴이 일반적인 물질과는 반대의 거동을 하는 이유는 불분명하지만 연구팀은 'Frustration'이라는 현상이 관련되어 있을 것으로 추정하고 있습니다. Frustration이란 자성체가 질서상태가 될 수 없고 스핀 글라스와 같은 무질서한 상태가 되는 것을 말한다. 연구팀에 따르면 네오디뮴의 온도가 올라가면 구조를 무질서하게 하려는 Frustration의 힘이 약해지므로 스핀이 정렬된 상태에서 한정할 수 있게 된다고 생각됩니다.
연구팀은 에너지가 가해지면 무질서로부터 질서가 생겨난다는 신기한 현상의 메커니즘을 밝혀내어 새로운 타입의 컴퓨터나 정보 스토리지 기술이 실현될 것으로 기대하고 있습니다.
