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품목정보
| 발행일 | 2016년 02월 28일 |
|---|---|
| 쪽수, 무게, 크기 | 228쪽 | 298g | 128*188*14mm |
| ISBN13 | 9788952233394 |
| ISBN10 | 8952233395 |
만화 양자역학 7일 만에 끝내기
(만화) 7일 만에 끝내기이동
후쿠에 준 저
|
살림Friends
|
2016년 02월 28일
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- 청소년 수학/과학 top100 21주
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역자 : 목선희
경희대학교에서 물리학을 전공했다. 글밥아카데미에서 출판 번역 과정을 수료했으며 현재 ‘바른번역’에서 번역가로 활발하게 활동하고 있다. 옮긴 책으로는 『만화 양자역학 7일 만에 끝내기』 『좀비 일기』 등이 있다.
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우리 주변의 물체나 물질은 원자나 분자라는, 눈에 보이지 않는 아주 작은 입자들로 이루어져 있다. 책상, 컴퓨터, 자동차처럼 형태가 있으면 ‘물체’라고 하고, 컴퓨터나 자동차의 재료가 되는 철이나 플라스틱을 ‘물질’이라고 한다.
공기나 물은 물질이지만, 같은 물 분자로 되어 있어도 얼음을 깎아서 조각상을 만들면 물체가 된다. 대상의 형태나 기능에 초점을 맞춘 경우에 물체라고 하고, 대상의 성질이나 움직임에 주목한 경우를 물질이라고 한다.
물질에는 고체?액체?기체?플라스마, 이렇게 4가지 상태가 있다.
물을 예로 들어 보자. 물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 물 분자로 이루어져 있다. 온도를 낮추면 물 분자 간의 간격이 좁아지면서 단단한 고체인 얼음이 된다. 얼음에 열을 가하면 1기압, 섭씨 0도(절대온도 273K)에서 액체인 물이 된다. 여기에 계속 열을 가하면 액체인 물의 표면에서 물 분자가 날아가며 수증기로 변한다.
온도를 더 높여 약 3,000K가 되면 물 분자를 구성하던 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 나뉜다. 그리고 약 10,000K를 넘으면 수소 원자가 플러스 전하를 띤 원자핵(수소의 경우에는 양성자)과 마이너스 전하를 띤 전자로 분해된다. 이것을 ‘플라스마’라고 한다.
물 분자처럼 물질의 성질을 가진 입자를 분자라고 하고, 산소나 수소처럼 가장 작은 구성 요소를 원자라고 한다.
--- p.18
근대 과학이 확립되기 시작한 17세기 말~18세기 초, 빛의 정체를 둘러싸고 입자설과 파동설이 대립했다.
파동설을 주장하는 과학자로는 네덜란드의 명문가 자제로 영재 교육을 받고 자란 크리스티안 하위헌스가 대표적이었다. 만일 빛이 아주 작은 입자라면, 2개의 광선을 교차시켰을 때 입자끼리 충돌해야 하지만 광선은 그냥 지나쳐 버렸다. 이를 보고 하위헌스는 입자설이 틀렸다고 주장했다. 그러고는 빛의 직진이나 반사를 설명하는 방법으로 ‘2차 구면파’라는 개념을 제안했다. 다시 말해서 빛의 파동이 전달될 때 파면을 이루는 각 점이 파원이 되어 새로운 파(2차 구면파)가 만들어지면서 다음 파면을 형성한다고 생각했다. 이렇게 하면 반사의 법칙이나 굴절의 법칙을 잘 설명할 수 있었다. 이를 하위헌스 원리라고 한다.
반면 하위헌스보다 조금 앞서서 프랑스의 철학자이자 수학자인 르네 데카르트는 입자설로 굴절의 법칙을 설명했다. 한창 논란이 벌어지는 가운데 뉴턴은 1704년, 자신이 집필한 저서 『광학』을 통해 입자설을 지지했다. 당시 과학계의 거물이던 뉴턴이 입자설에 손을 들어 주면서 빛의 정체를 둘러싼 1라운드는 입자설이 승리하는 듯했다.
--- p.52
하이젠베르크의 행렬역학은 원자 스펙트럼의 파장이나 세기 등 관측 가능량을 정확하게 계산해 냈다. 슈뢰딩거 방정식을 풀면, 양자수에 맞춰 띄엄띄엄한 에너지가 고유값으로 얻어지고 각각의 에너지에 해당하는 파동함수의 해를 구할 수 있다. 수소 원자의 파동 방정식을 계산하면 이미 측정된 발머 계열의 스펙트럼 파장이나 세기가 정확히 구해진다.
하이젠베르크의 방법도, 슈뢰딩거의 방법도 모두 수소 원자의 관측 사실을 정확하게 설명했다. 두 이론이 각각 제안되었을 때만 해도 방정식이 너무 달라서 어느 쪽이 맞는 이론인지 의견이 분분했다. 그러나 슈뢰딩거가 파동역학을 제창했던 1926년에 그가 직접 행렬역학과 파동역학이 수학적으로 같다는 사실을 증명하였다. 두 이론 모두 미시 세계를 잘 설명했다. 이로써 새로운 물리 이론인 양자역학quantum mechanics의 기본이 완성되었다.
--- p.116
지금까지 발견된 기본입자의 그림을 전체적으로 통일시키는 것 이외에도 한 가지 중요한 과제가 남아 있다. 그것은 바로 발산에 관한 문제이다. 전자나 쿼크 등의 기본입자는 보통 크기가 없는 ‘점’으로 취급한다. 하지만 점으로 기본입자의 상호작용을 다루면, 입자 중심에 가까워질수록 전자기력이나 자기 상호작용 self interaction이 무한대로 발산하는 문제가 발생한다.
그래서 ‘점’이 아니며 유한한 크기를 가진 ‘끈(닫힌 끈)’을 착안하게 되었다. 물론 유한한 크기이지만 아주 작아서 거의 점과 비슷하지 않다면 지금까지 기술해 온 물리와 모순이 생긴다.
구체적으로는 플랑크 길이 Planck length (10-33cm) 정도의 아주 작은 ‘끈’이라고 생각한다(양성자 크기는 약 10-13cm). 아주 작기는 하지만 크기가 유한한 ‘끈’을 적용해 보니, 중력장의 문제나 양자장의 문제 모두 해결되면서 이 둘을 융합시킬 수 있을지도 모른다는 기대를 갖게 되었다. 유한한 크기를 부여하자 종래의 점입자로 생각했을 때 최대 문제점이던 무한대로의 발산을 피할 수 있게 되었다. 또한 점이 아니라 크기를 갖게 되면서 ‘끈’의 진동상태라는 개념도 생각하게 되었다.
‘끈’의 진동상태를 각각의 기본입자에 대응시키면 기막히게 기본입자의 종류를 설명할 수 있다. 이처럼 기본입자가 ‘점’이 아니라 유한한 크기를 가진 ‘끈’이며, 유한한 크기를 가진 덕분에 상호작용의 발산을 피할 수 있게 되었다는 발상을 일반적으로 ‘끈이론 string theory’이라고 부른다. 그리고 이러한 입자를 ‘끈입자’라고 한다.
공기나 물은 물질이지만, 같은 물 분자로 되어 있어도 얼음을 깎아서 조각상을 만들면 물체가 된다. 대상의 형태나 기능에 초점을 맞춘 경우에 물체라고 하고, 대상의 성질이나 움직임에 주목한 경우를 물질이라고 한다.
물질에는 고체?액체?기체?플라스마, 이렇게 4가지 상태가 있다.
물을 예로 들어 보자. 물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 물 분자로 이루어져 있다. 온도를 낮추면 물 분자 간의 간격이 좁아지면서 단단한 고체인 얼음이 된다. 얼음에 열을 가하면 1기압, 섭씨 0도(절대온도 273K)에서 액체인 물이 된다. 여기에 계속 열을 가하면 액체인 물의 표면에서 물 분자가 날아가며 수증기로 변한다.
온도를 더 높여 약 3,000K가 되면 물 분자를 구성하던 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 나뉜다. 그리고 약 10,000K를 넘으면 수소 원자가 플러스 전하를 띤 원자핵(수소의 경우에는 양성자)과 마이너스 전하를 띤 전자로 분해된다. 이것을 ‘플라스마’라고 한다.
물 분자처럼 물질의 성질을 가진 입자를 분자라고 하고, 산소나 수소처럼 가장 작은 구성 요소를 원자라고 한다.
--- p.18
근대 과학이 확립되기 시작한 17세기 말~18세기 초, 빛의 정체를 둘러싸고 입자설과 파동설이 대립했다.
파동설을 주장하는 과학자로는 네덜란드의 명문가 자제로 영재 교육을 받고 자란 크리스티안 하위헌스가 대표적이었다. 만일 빛이 아주 작은 입자라면, 2개의 광선을 교차시켰을 때 입자끼리 충돌해야 하지만 광선은 그냥 지나쳐 버렸다. 이를 보고 하위헌스는 입자설이 틀렸다고 주장했다. 그러고는 빛의 직진이나 반사를 설명하는 방법으로 ‘2차 구면파’라는 개념을 제안했다. 다시 말해서 빛의 파동이 전달될 때 파면을 이루는 각 점이 파원이 되어 새로운 파(2차 구면파)가 만들어지면서 다음 파면을 형성한다고 생각했다. 이렇게 하면 반사의 법칙이나 굴절의 법칙을 잘 설명할 수 있었다. 이를 하위헌스 원리라고 한다.
반면 하위헌스보다 조금 앞서서 프랑스의 철학자이자 수학자인 르네 데카르트는 입자설로 굴절의 법칙을 설명했다. 한창 논란이 벌어지는 가운데 뉴턴은 1704년, 자신이 집필한 저서 『광학』을 통해 입자설을 지지했다. 당시 과학계의 거물이던 뉴턴이 입자설에 손을 들어 주면서 빛의 정체를 둘러싼 1라운드는 입자설이 승리하는 듯했다.
--- p.52
하이젠베르크의 행렬역학은 원자 스펙트럼의 파장이나 세기 등 관측 가능량을 정확하게 계산해 냈다. 슈뢰딩거 방정식을 풀면, 양자수에 맞춰 띄엄띄엄한 에너지가 고유값으로 얻어지고 각각의 에너지에 해당하는 파동함수의 해를 구할 수 있다. 수소 원자의 파동 방정식을 계산하면 이미 측정된 발머 계열의 스펙트럼 파장이나 세기가 정확히 구해진다.
하이젠베르크의 방법도, 슈뢰딩거의 방법도 모두 수소 원자의 관측 사실을 정확하게 설명했다. 두 이론이 각각 제안되었을 때만 해도 방정식이 너무 달라서 어느 쪽이 맞는 이론인지 의견이 분분했다. 그러나 슈뢰딩거가 파동역학을 제창했던 1926년에 그가 직접 행렬역학과 파동역학이 수학적으로 같다는 사실을 증명하였다. 두 이론 모두 미시 세계를 잘 설명했다. 이로써 새로운 물리 이론인 양자역학quantum mechanics의 기본이 완성되었다.
--- p.116
지금까지 발견된 기본입자의 그림을 전체적으로 통일시키는 것 이외에도 한 가지 중요한 과제가 남아 있다. 그것은 바로 발산에 관한 문제이다. 전자나 쿼크 등의 기본입자는 보통 크기가 없는 ‘점’으로 취급한다. 하지만 점으로 기본입자의 상호작용을 다루면, 입자 중심에 가까워질수록 전자기력이나 자기 상호작용 self interaction이 무한대로 발산하는 문제가 발생한다.
그래서 ‘점’이 아니며 유한한 크기를 가진 ‘끈(닫힌 끈)’을 착안하게 되었다. 물론 유한한 크기이지만 아주 작아서 거의 점과 비슷하지 않다면 지금까지 기술해 온 물리와 모순이 생긴다.
구체적으로는 플랑크 길이 Planck length (10-33cm) 정도의 아주 작은 ‘끈’이라고 생각한다(양성자 크기는 약 10-13cm). 아주 작기는 하지만 크기가 유한한 ‘끈’을 적용해 보니, 중력장의 문제나 양자장의 문제 모두 해결되면서 이 둘을 융합시킬 수 있을지도 모른다는 기대를 갖게 되었다. 유한한 크기를 부여하자 종래의 점입자로 생각했을 때 최대 문제점이던 무한대로의 발산을 피할 수 있게 되었다. 또한 점이 아니라 크기를 갖게 되면서 ‘끈’의 진동상태라는 개념도 생각하게 되었다.
‘끈’의 진동상태를 각각의 기본입자에 대응시키면 기막히게 기본입자의 종류를 설명할 수 있다. 이처럼 기본입자가 ‘점’이 아니라 유한한 크기를 가진 ‘끈’이며, 유한한 크기를 가진 덕분에 상호작용의 발산을 피할 수 있게 되었다는 발상을 일반적으로 ‘끈이론 string theory’이라고 부른다. 그리고 이러한 입자를 ‘끈입자’라고 한다.
--- p.180
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