물질과 에너지
에너지란 무엇인가?
에너지는 우주에서 무언가 일어날 수 있게 하는 것이다.
이것은 입자가 변 하기(운동이나 성질 또는 그 밖의 어떤 것) 위해 어떤 두 입자 사이에서 교환되어 야 하는 것이다. 에너지는 우리 주위 어디에나 있다. 이것은 다양한 형태로 존 재하기 때문에 무엇이라 쉽게 정의하기 어렵다. 열은 에너지다. 빛도 에너지 다. 움직이는 모든 것은 운동 에너지를 갖는다. 물질 자체도 에너지로 변환될 수 있고, 그 반대도 가능하다
물질이란 무엇인가?
물질이란 우주 안의 모든 물체를 만드는 재료로서, 질량을 갖는 모든 것이다.
질량이란 설명하기 어려운 양이다.
대략 말하자면, 물체가 통과하는 시공 간 속의 끌림이다.
두 물체가 같은 운동량이나 같은 운동 에너지를 갖는다고 가정했을 때, 질량이 큰 물체는 작은 물체보다 시공간 속을 더 느리게 움직인다.
1905년 알베르트 아인슈타인에 의해 발견되었다.
이 식은 특수상 대성이론의 주요 결과식으로, 물체와 전자기 복사가 공간을 움직이는 방법 및 시간을 따라 움직이는 방법의 관계를 기술한다.
물질에 담긴 에너지의 총량은 물질의 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 값과 같다는 것이다.
이것은 아주 작 은 양의 물질이라 하더라도 엄청난 양의 에너지를 가지고 있음을 시사한다.
동전 하나에 들어 있는 에너지의 양은 1945년에 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄 두 개를 합친 것보다 훨씬 크다는 의미다.
물질은 에너지와 동일한가?
물질은 에너지로 바뀔 수 있고, 에너지는 물질로 변할 수 있다.
그러나 서로 동일하지는 않다.
한 예로, 미국 달러와 캐나다 달러 사이의 차이를 생각해 보자.
이들은 모두 돈이다. 그리고 이들은 환율에 따라 서로 교환될 수 있다.
그러나 정확하게 같지는 않다.
물질과 에너지 사이의 교환율은 1905년에 아인슈타인이 발견한 유명한 방정식 B=mc?이다.
빛이란 무엇인가?
빛은 에너지의 일종이다. 빛은 파동처럼 이동하고 광자라는 입자를 운반한다.
일반적으로 말해 빛은 전자기복사다(그러나 알파 혹은 베타선과 같은 커다란 입자에 의해 운반되는 방사선은 빛이 아니다).
빛의 흥미로운 점은, 입자의 흐름으로도 다룰 수 있고 복사의 파동으로 다룰 수도 있다는 것이다.
이 같은 빛의 이 중성은 파동과 입자의 이중성'이라고 알려져 있으며, 이는 양자역학이라 불리는 물리학 분야의 주춧돌 역할을 한다.
광자란 무엇인가?
광자는 에너지를 가지지만 질량이 없는 특별한 아원자 입자다. 광자는 사실 빛의 입자로 간주될 수 있다. 광자는 전자기력이 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 때 만들어지거나 소멸된다.
전자기파란 무엇인가?
전자기파는 전자파 복사, 즉 빛이다.
보통 지구상의 사람들은 빛을 눈으로 볼 수 있는 복사선의 한 종류로 생각한다.
얼마나 많은 종류의 전자기파가 있을까?
일반적으로 전자기파에는 일곱 가지 종류가 있다.
감마선, 엑스선, 자외선, 적외선, 가시광선, 마이크로파, 라디오파가 그것이다. 감마선과 엑스선 그리고 자외선은 가시광선보다 파장이 짧고, 적외선과 마이크로파 그리고 라디오 피는 가시광선보다 파장이 길다.
전자기파의 속도는 얼마인가?
빛과 전자기파는 같은 것이므로 전자기파의 속도는 빛의 속도와 같다.
빛의 속도는 얼마인가?
빛은 진공 속을 초속 299,792.5km의 속도로 진행한다.
시속으로 환산하면 약 10억 780만 km, 1년 동안 9조 2000억 km를 진행한다.
빛은 뉴욕에서 도쿄까지 가는데 1/10초도 걸리지 않으며, 지구에서 달까지 가는 데 18초도 걸리 지 않는다.
빛의 속도가 특별한 이유는 무엇인가?
빛의 속도는 속도의 상한 이다. 진공 속에서 빛보다 빠르게 움직이는 것은 없다.
과학자들은 빛의 속도를 어떻게 측정했을까?
1500년대 후반에 갈릴레오 갈릴레이는 두 언덕 꼭대기에서 랜턴을 사용하 여 빛의 속도를 측정하는 실험을 했다. 그는 빛의 속도가 측정하려는 것보다 훨씬 빠르다는 것 외에는 할 말이 없었다.
빛의 속도는 변할까?
그렇다.
빛은 다른 매질을 통과할 때마다 속도와 방향이 바뀌게 된다.
완전한 진공 상태에서 빛의 굴절률은 1이고, 공기 중에서는 1.0003, 물에서는 1.33, 유리에서는 1.5, 다이아몬드에서는 2.42이다. 빛은 굴절률이 클수록 속 도가 느려진다.
빛의 속도가 일정하다는 것은 무슨 뜻일까?
빛의 속도가 일정하다는 말은 어떤 임의의 관측자가 어떤 특별한 빛의 흐름을 측정하더라도 같은 속도로 측정한다는 것을 의미한다.
관측자가 빛의 방향이나 반대 방향 또는 전혀 움직이지 않더라도 빛의 속도에 영향을 미치지 않는다.
또한 빛은 관측자가 얼마나 빠르게 움직이고 있는가에도 영향을 받지 않는다.
다시 말해 빛의 속도는 다른 물체들 간의 상대 속도와 전혀 상관이 없다.
이것은 아인슈타인이 1905년에 발견한 특수상대성이론을 따른다.
마이컬슨과 몰리의 실험은 어떻게 이루어졌는가?
마이컬슨과 몰리의 실험은 간섭법이라 불리는 특별한 실험 방법에 기초를 두고 있다.
이것은 서로 수직 한 경로를 지나가는 두 가지 빛의 간섭을 실험하는 방법이다.
빛을 일정한 각도로 반투명 은박 거울로 보내면 빛의 일부는 거울을 통과하고, 나머지는 거울에서 반사된다.
각각의 빛은 다른 거울에 의 해 반사되어 은박 거울에서 다시 합친 다음 처음 빛이 나온 위치로 돌아가도 록 되어 있다.
이때 만약 빛의 일부가 진행 중에 변했다면, 다시 합친 빛에는 간섭 패턴이 생기게 된다.
두 빛의 경로는 서로 다른 방향이기 때문에, 마이컬슨과 몰리는 발광성 에테 르와 다르게 상호작용하여 간섭 패턴이 생길 것으로 가정했다.
그러나 놀랍게도 중첩된 빛에는 어떠한 간섭 패턴도 존재하지 않았다.
이 결과는 시간에 대해 다른 이동을 하더라도 두 빛의 속도는 똑같은 상태로 유지된다는 것을 보여주었다.
만약 발광성 에테르가 우주에 존재한다면, 이러한 결과는 나오지 않을 것이다.
빛의 속도가 일정하다는 과학적 증거를 처음 제시한 사람은 누구인가?
폴란드의 미국인 물리학자 앨버트 에이브러햄 마이컬슨과 미국인 화학자 에드워드 윌리엄스 몰리 Ddward Willans Morley (1638-192)는 빛이 공간을 통과하는 길에 대한 실험을 했다.
1800년대 후반에 과학자들이 생각하기를, 빛의 파장은 파도가 물에서 이동하는 것과 같은 방식으로 '발광성 에테르'라는 특수 물질을 통과한다고 생각했다. 하지만 결과는 모든 과학자들의 예상과 달랐다.
결과적으로 이 실험을 통해 발광성 에테르는 존재하지 않으며 빛의 속도는 일정하다는 것이 밝혀졌다.
마이컬슨과 몰리의 실험을 재고한 사람은 누구인가?
마이컬슨과 몰리의 실험 결과가 확인되자 당시 물리학계를 이끌던 대부분 의 물리학자들은 그 의미를 면밀하게 숙고했다.
아일랜드의 수리 물리학자인 핸드리크 안톤 로렌츠 ardik Anton Lorac. 18653-1928), 그리고 프랑스의 수학자이자 물리학자인 푸앵카레'uls Hemi Poicar (1854-191)는 특별히 마이컬슨과 몰리의 실험 결과에 흥미를 보였던 세 명의 과학자이다. 이들은 물체가 움직일 때의 길 이와 속도에 대해 수학적 관계가 있음을 보여주었다. 이 관계는 오늘날 로렌 츠 인자로 알려져 있다. 1900년대 초에 푸앵카레는 물체가 움직이는 속도에 따라 물체가 경험하는 시간도 달라질 것이라는 생각까지 했다.
그러나 설득력 있는 이론은 1905년까지 나타나지 않았다.
마이컬슨과 몰리의 실험 결과를 실질적 이론으로 최종적으로 설명한 사람 은 누구인가?
독일 태생의 물리학자 알베르트 아인슈타인 Abert Binstein(1879-1955)은 마이컬슨과 몰리의 실험을 설명했다.
때때로 아인슈타인의 '기적의 해'라고 불리는 1905년, 그는 우주에 대한 모든 과학적 관점을 영원히 변화시킨 일련의 과학 논문들을 출간했다. 그는 브라운 운동이라 불리는 생물학적 현상과 광전 효과 라 불리는 전자기적 현상, 그리고 마이컬슨과 몰리 실험의 결과를 설명했다.
이를 위해 그는 '특수상대성이론'을 고안해 냈으며, 물질과 에너지가 B=m22의 관계를 가진다는 것을 보여주었다.
시간과 파동 그리고 입자
공간이란 무엇인가?
대부분의 사람들은 공간이 아무것도 없는 곳, 다시 말해 우주 안의 천체를 둘러싸는 '빈 곳'으로 생각한다.
그러나 실질적으로 공간은 우주 안에 있는 모든 것이 존재하고 모든 것이 움직이는 구조다.
예를 들어 과일 조각이 박힌 젤리를 상상해 보자. 과일 조각은 우주의 모든 천체들을 상징하고, 젤라틴은 공간을 나타낸다.
공간은 '무'가 아니다. 오히려 이것은 모든 것을 둘러싸고, 모든 것을 지탱하고, 모든 것을 포함하는 것이다.
공간은 세 개의 차원을 갖는다. 길이, 넓이 그리고 높이다.
그러나 공간은 구부러질 수 있어 각각의 차원은 직선이 아닐 수도 있다.
시간이란 무엇인가?
시간 은 1차원이다.
우주 안에 있는 것들이 움직이고 차지하는 방향이다.
공간의 물체들이 위아래, 앞뒤 혹은 양옆으로 움직일 수 있듯이, 물체들은 시 간에 따라 이동할 수 있다. 그러나 3차원 공간과는 다르게, 시간에 대해 각기 다른 물체들은 한 방향으로 이동한다. 수학적으로 물질과 은하, 별, 행성 그리 고 사람들은 시간에 대해 앞으로만 이동이 가능하다.
반면에 반물질로 구성된 물질은 시간에 대해 뒤로만 이동할 수 있다.
그리고 에너지의 입자인 광자, 즉 질량이 없는 것은 시간에 대해 이동하지 않는다.
시공간이란 무엇인가?
고무나 스판맥스처럼 유연하고 잘 늘어나는 소재의 커다란 시트가 있다고 상상해 보자.
이 시트는 2차원 표면과 간다. 이 시트 표면은 어떤 문제를 유리 놓느냐에 따라서 구부러지거나 후설 수도 있고, 흠이 생기거나 놀릴 수도 있다.
시공간은 이것이 4차원이고, 이것의 길이와 거리는 프리드만- 로버트 있다는 점을 제외하고, 고무 시트처럼 유연하고 구부러질 수 있는 것이라고 생각하면 된다.
공간과 시간은 어떻게 상호 관련되는가?
3차원의 공간과 1차원의 시간은 서로 연결되어 4차원 구조의 시공간을 만들어낸다.
공간과 시간의 관계를 처음으로 설명한 사람은 누구인가?
알베르트 아인슈타인은 마이컬슨과 몰리의 실험 결과를 설명하기 위해서는 공간에서의 이동과 시간에서의 이동이 어떤 연관을 가져야 할 것이라고 처음으로 이해했다.
1905년에 발표된 그의 특수상대성이론은 물체가 공간을 따라 빨리 이동할수록, 시간에 대해서는 천천히 이동한다고 했다.
아인슈타인은 시 간과 공간이 아주 밀접한 관계를 가지고 있으며 이러한 관계는 우주의 모든 형태와 구조를 설명하는 데 아주 중요하다고 생각했다.
그는 수학 전문가는 아니었지만 그런 관계가 어떻게 형성될 수 있는지를 설명했다.
아인슈타인은 친구들과 동료들의 조언을 받으며 자신의 연구를 진행시킬 최적의 방법을 찾아냈다.
아인슈타인은 독일의 수학자 게오르크 리만 Ceorg Riemam(1826-1866)과 러 시아 태생의 독일 수학자인 헤르만 민코프스키 Hermann Minkowski(184~1903) 그리고 헝가리 태생의 스위스 수학자 마르셀 그로스만 Marcel Grosimam(1878-1936)의 도움을 로 비유클리드 타원"on- Budidean alipical 기하학과 텐서 resor의 수학 체계를 배웠다. 1914년에 아인슈타인과 그로스만은 일반상대성이론과 중력에 대한 최초의 논문을 발표했고 이후 아인슈타인은 수년에 걸쳐 이론을 완성했다.