무한 동력

어떻게 하면 손가락 까딱하지 않고 평생 놀고 먹을 수 있을까?

그런 꿈에서 나온것이 바로 "무한동력"!

인류는 이 무한동력을 완성시키기 위해 많은 노력을 하였다.

하나같이 다 망해서 그렇지

아무튼 사람들은 이런 실패를 통해 "경험적"으로 다들 알고 있었다.

솔직히 모든 사람이 다 느끼고 있을것이다.

세상에는 무언가 되는게 있고, 안되는게 있다.

이것이 왜 안되는지, 이에 대한 물리학적으로 생각해보자!

내가 포크를 구부리면 포크는 따뜻해진다.

내가 공을 굴리면, 마찰 때문에 언젠간 공은 멈추게 된다.

물체랑 물체가 엄청 강하게 부딫히면, 멈추면서 따뜻해진다.

즉 이런 현상의 공통점은

내가 "에너지"를 가해주어 생긴 "일"과 "운동"들은 언젠가는 사라지고

남는것은 포크의 온기와 같은 "열" 뿐,

즉 내가 "일"을 해주면, 즉 에너지를 가해주면

남는건 결국 "열"이다.

즉 이 세상은 "일과 에너지" 그리고 "열", 두가지의 개념이 존재한다는 것이다.

하지만 이 열과 우리가 가해주는 "일"에 상관관계가 있다는것을

줄(사람이름임 ㅎ)이 알아내었다.

추가 떨어질때, 터빈이 얼마나 돌아가나에 따라

물이 얼마나 따뜻해지는지, 정확히 계산해낸것이다.

즉 사라지는줄 알았던 에너지가 사실 열의 형태로 변환된다는것을

밝혀낸것이다.

(이 업적을 기리기 위해 에너지의 단위를 J(줄)이라 쓴다.)

즉 에너지는 다른 에너지로 변환될 뿐이지

없어지거나 생기지 않는다는것을 알아내었다.

"열"은 에너지의 다른 형태일 뿐이다.

(지금은 매우 보편화된 개념이지만, 예전에는 열과 에너지는 서로 다른 객체라고 생각했다.)

즉 "열"과 에너지"의 총량은 보존된다.

에너지 보존법칙의 탄생

에너지가 보존된다는 법칙을 찾아냄으로써,

물리학자들은 열역학도 만들어내고

물체의 운동은 기본,

어떤 현상이 물리적으로 가능한지 판별할 수 있었고,

아무튼 그걸로 물리학을 존나 발전시켰다

즉 이 "에너지 보존법칙"이 살아있는 한, 

연료를 넣어주지 않아도 일을 계속하는 나오는 "무한동력"은 불가능한것이다.

그런데, 1900년대 쯤, 에너지 보존법칙이 성립되지 않는듯한 현상이 발견되었다.

중성자가 양성자와 전자로 붕괴될 때, 발생하는 에너지의 양이

마치 에너지 보존법칙과 질량보존법칙을 따르지 않는것처럼 보이는 것이다!

무한동력을 계속 시도하던 사람은 이 결과에 환호하였다.

철옹성과 같던 에너지 보존법칙이 무너진것처럼 보였으니

이게 도대체 어떻게 된것일까?

정말 에너지 보존법칙이 무너진것일까?

한 번 알아보자

원자핵 1개의 질량을 1g이라고 하자.

그럼 원자핵 2개의 질량은 2g이 되어야할것이다.

이건 씨발 원숭이도 알 수 있다.

근데, 원자핵 2개가 "붙은" 질량을 측정해보니 1.99g정도 되는것이다.

질량보존법칙에 의하면 2개를 더하면 질량이 2g가 되어야하는데

1.99g이 된다면 나머지 0.01g어디갔냐?

나머지 0.01g은 바로 원자핵 2개가 붙는 "결합에너지"로써 사용된것이다.

즉 "질량"이 "에너지" 로써 변환된다는것이다.

즉 열이 에너지의 일부인것처럼

"질량"도 에너지와 같은 형태인것이다

이것이 "E=mc^2"

아인슈타인의 질량-에너지 등가원리이다.

이 아인슈타인의 "질량-에너지" 등가원리를 사용하여

없어진 질량을 통해 결합에너지를 살펴보니 딱 떨어졌다!

독일의 물리학자 파울리는 이를 기반으로

위의 중성자 붕괴에서 사라진 에너지가

"중성미자"라는 새로운 입자로 나타날것이라 예언하였고,

이를 1956년 코웬과 라인스가 실제로 중성미자를 검출해내어 노벨상을 수상해낸다

중성미자는 물질과 반응을 매우 적게해서 측정이 어렵다

그래서 에너지가 보존되지 않는것처럼 보였던 것!

실제로 태양에서 방출된 무수히 많은 중성미자들이

그냥 지구를 다 통과해버릴정도다!

이것이 지금까지 인류가 과학으로 밝혀낸 에너지보존법칙이다.

이를 우리는 질량-에너지보존법칙이라 부른다.

에너지는, 질량이라는 형태를 포함하여 보존되는것이다.

이대로 너무 빨리 끝내기엔 아쉽다!

"그래 니 말 잘 알겠고 에너지 보존법칙이 성립하는것도 잘 알겠어"

"에너지가 보존되는한, 무한동력도 안된다는걸 알겠어"

"근데 왜 에너지보존법칙이 성립하는데?"

존나 놀랍고도 경이롭게도, 인류는 이 질문의 답까지 찾아내었다.

그 답은 바로 "대칭성"

대칭성은 말 그대로 쉽다.

변환(뒤집거나 옮기거나)을 해도 그대로이면 그것은 대칭인것이다.

위의 챗바퀴는 아무리 돌려도 그대로다.

즉, 회전변환에 대해 대칭인것이다.

독일의 위대한 여성 수학자 에미뇌터는

"대칭성이 존재하면 불변량(변하지 않는 값)이 존재한다"

라는 사실을 수학적으로 증명해낸다.

물리법칙이 시간에 따라 대칭이라면

즉, 어제의 물리법칙과, 오늘의 물리법칙이 같다면

"에너지"라는 불변량이 존재해서

에너지는 보존된다는것이다.

이 이외에 병진운동(서울에서의 물리법칙과 부산에서의 물리법칙)이 대칭일경우

"운동량"이 보존되어 "운동량보존법칙"이 성립하고

위의 챗바퀴처럼 회전변환에 대해 대칭이라면

각운동량 보존법칙이 성립하는것이다.

우리는 이런 자연의 법칙을 대칭성을 통해 밝혀 낼 수 있다.

따라서 자연에 대칭성이 존재하면 무한동력은 불가능하다.

우주의 아름다운 대칭성을 통해 세상을 바라보는 물리학이 대단하지 않은가?

우리는 이 대칭성의 결과를

또 다른 말로 "열역학 제 1법칙"이라 부른다.

열역학 제 1법칙

"에너지의 총량은 보존된다"