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지난화 3줄요약
1. 1라운드 입자설 우세
2. 2라운드 파동설의 카운터펀치로 입자설 다운. 간신히 버티는 입자설. 파동설 "야! 기분조타"
3. '물리학'이라는 링 전체가 삐걱대기 시작. 물리학에서의 대 혁명의 먹구름이 멀리서 다가옴
혁명전야
에테르를 찾는데 실패했지만 과학자들은 여전히 자신만만했어
전화기도 잘만들고, 전구도 잘만들고 못하는게 없는데 왜 에테르만 안되냔 말이盧!
하며 정신'슨'리로 버티고 있었지
사실 물리학자들이 그럴만도 한게,
뉴턴으로부터 계승된 고전역학 (힘과 운동)
맥스웰이 완성한 전자기학 (전기와 자기현상)
볼쯔만과 여러 천재들의 노력으로 급속도로 발전하는 통계 및 열역학 (매우 다수의 입자들이 이루는 물리학)
이 3대장으로 관찰되는 거의 대부분의 물리현상을 다 설명할 수 있는데
굳이 새로운 이론이 등장할 필요성을 못 느낀 셈이지
대부분의 현상은 다 설명이 되었고 물리학자들의 설명을 기다리는 문제는 크개 다음의 세개로 좁혀져
첫째로, 당시 제철업의 발달로 용광로의 온도를 용광로의 빛으로 알아내는 문제와 관련된 '흑체복사문제'
둘째로, 새로 발견된 현상인 광전현상
셋째로, 빛을 쪼개는 분광학의 발달로 시작된 수소원자의 분광학적 스펙트럼에 대한 설명이 바로 그 세 문제야
이 세 문제를 물리학자들이 풀어 나가면서 빛의 정체에 대한 결론에 이르게 되
하나씩 매우 쉽게 다뤄 보자
대한민국의 3 문제아
1. 흑체복사문제
위에서 말했듯 이 문제는 방출되는 빛으로 그 물체의 온도와 같은 성질을 알아보는 문제야
문제가 어려우니 과학자들은 흑체(black body, 탈모 감추는 흑채 아니야 ㅎㅎ)라는
가상의 물질을 가정하고 문제를 풀어 보았어
흑체는 신박하게도
외부에서 들어오는 모든 에너지를 흡수하고, 자신이 가진 에너지를 절대로 방출하지 않는 가상의 물질이야
우리 눈에 보이려면 빛을 반사하거나 스스로 빛을 내야되는데
들어오는 빛을 족족 흡수하니 빛을 반사가 이루어지지 않고
에너지를 방출하지 않으니 빛을 내지도 않아서 우리 눈에 보이지 않는 매우 시꺼먼 물체란 뜻에서 흑체라 불려
보이盧? 안보이盧?
결국 고생끝에 이 문제를 막스 플랑크란 성님이 딱 풀어버렸지
아! 내가 풀었다!
게르만족 플랑크성님 포스 죽이노?
플랑크 할배는 다행히 늦게까지 고추가 서서
우월한 유전자를 후세에 잘 남겨주셨어
직무유기한 盧턴과 다른점이지
이 아재는 슬하에 6명의 자녀를 두셨고 그중 늦둥이 자녀도 2명에 결혼도 2번 하셨지. 게르만 빠워 죽이盧?
다시 문제로 돌아와서
왼쪽이 바로 플랑크의 결과야 왼쪽 그래프에서 하늘색으로 그려지는게 그때까지의 물리학을 이용한 예측인데 다른 그래프을 보면 차이가 심하지 ㅎㅎ
즉, 기존 방식으로는 실험데이터 설명이 안되 (정확히 말하자면 기존 방식은 실험값의 극한값이였어)
반면에 플랑크 성님은 빨 초 파 그래프를 성공적으로 유도해 낼 수 있었어. 실력 ㅅㅌㅊ?
6명의 자녀로 추측컨데 현자타임을 적극적으로 학문에 활용하지 않았을까 생각해
그런데 이 성님이 딱 답은 냈는데
통수가 얼얼 한게 자기가 푼 답의 물리적 의미를 곱씹어보니 그 답은
"빛의 에너지는 어떤 기본 단위의 배수로써 전달된다"는 걸 시사하는 결과였어
즉, 빛이 에너지를 전달하는 방식이 1,2,3 이런식으로만 가능하고 1.24, 2.5 이런 크기로는 전달이 안되는 거야
이 결과는 빛이 어떤 단위 입자를 가진다는 것을 시사해
아이러니하게도 플랑크는 대표적인 고전물리학의 옹호자이자 파동설 빠돌이였는데
이런 결과에 매우 당황했다고 전해져.
그리고 자신이 흑체복사 문제의 답을 냈지만, 죽는날까지 자신의 낸 답의 물리적 의미를 인정하지 못했다고해
관뚜껑에 못질 직전까지 갔던 입자설은
플랑크 성님의 소식을 듣자마자 바로 그 순간 옳다구나 하고 예토전생을 하게되
플랑크성님의 주문을 듣고 예토전생하는 盧턴의 입자파
2. 광전효과-불세출의 슈퍼슨타의 탄생
바로 이때, 불세출의 영웅, 천재중에 천재, 물리학계의 슈퍼슨타가 등장하게되
바로 모두가 다 아는 아인슨타인이지!
기적의 물리학자 아인슨타인.
쌀=핵을 칠판의 써놓는 솜씨가 예사롭지 않다
아인슨타인은 플랑크의 연구결과에 영감을 받아 물리학계를 괴롭히던 광전효과 문제를 순식간에 풀어버려
여기서 놀라운 점 몇개를 언급하려해
일게이들 대부분이 아인슈타인 하면 전설의 RICE=HACK 말고도 상대성이론을 떠올릴거야
그런데 정작 아인슈타인에게 노벨상을 안겨준건 상대성이론이 아니라 바로 이 광전효과에 대한 업적이였어
그만큼 광전효과를 순식간에 풀어버린 업적은 일반인들에 잘 알려지지 못했지만 정말 정말 대단한거야
더욱더 대단한건
" 바로 이 광전효과 논문 분량은 겨우 16페이지야"
16쪽 논문내고 노벨상을 수상했지
16쪽이면 시덥잖은 교양수업 레포트정도 분량인데, 학부 졸업논문보다도 짧은수준인데
이정도 분량으로 노벨상을 따버린거야
여담으로 생물학의 역사상 최고의 발견은 아마 DNA 구조 발견일텐데
왓슨과 크릭에게 노벨상을 안겨준 DNA구조에 대한 논문은 겨우 한장! 딱 한장이야
한장의 종이량이면 야동 한두번보면 쓰는양인데
이걸로 인류 최고의 금자탑중 하나를 세운 셈이지
http://e11ie.tistory.com/32 -왓슨 크릭의 논문을 볼 수 있는곳
종이낭비 하면 안되겠제!
대표적인 종이낭비
다시 본론으로 돌아와서
그렇다면 광전효과가 무었인지 쉽게쉽게 알아보자
광전효과는 위 그림에서처럼 금속판에 빛을 쬐어주었더니 전자가 튀어나오는 효과를 말해
광전효과에는 몇가지 특이한 현상들이 있었는데 그중 가장 즁요한건
1. 쬐어주는 빛이 아무리 강력하더라도 빛이 일정 진동수 미만이면 아무리 오랜 시간을 쬐어주어도 전자는 튀어 나오지 않는다
2. 쬐어주는 빛이 일정 진동수 이상이면 쬐어주는 빛이 아무리 미약하더라도 전자는 바로 튀어나온다
는 것이야
전자가 일정 에너지 이상을 받으면 튀어나오는것은 대충 알겠는데
파동설 입장에서 보면 쎈 빛을 쬐어주면 에너지를 많이 줬으니 전자가 튀어나올거 같은데
그런데 실제로는 그렇지 않았어
반면 파동설 입장에서는 빛이 약하면 전자는 일정에너지를 받지 못햇으니 안튀어나올거 같은데
그런데 실험결과는 폭도마냥 튀어나왔지
결국 파동설로는 이 현상을 설명하는데 실패했어
이때, 아인슈타인이 빛은 에너지 알갱이다 라는 광양자설을 주장하며 실험결과를 완벽히 설명해버려
브라이언 그린의 엘러건트 유니버스란 책에 아주 완벽한 비유가 있어서 인용해 볼께
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우리 나라의 지폐에는 천원 오천원 만원권 오만원권만 있습니다
어떤 왕이 있습니다. 왕은 커다란 하나의 방에 무한에 가까운 사람들을 몰아넣었습니다.
그런데 왕은 어린이들을 너무 싫어해서, 15세 이하의 어린이들은 모두 방에서 내보내어, 반지하인 감옥에 집어넣었습니다.
방에 남은 어른들은 창 밖으로 어린이들이 갇혀있는 것을 볼 수 있습니다.
어른들이 왕에게 어린이들을 내보내달라고 항의합니다.
그러자 왕은, 어린이들이 감옥의 간수에게 8천원을 내면 내보내주겠다고 말합니다.
'어린이들에게 돈이 있을리가 없지 않느냐'는 말에, 왕은 '어른들이 창 밖으로 돈을 던져주면 되지 않겠는가'라고 이야기합니다.
그 말을 들은 어른들은 어린이들에게 돈을 던져주기로 합니다.
그런데 어른들이 무한에 가깝게 있는 것처럼, 어린이들도 무수히 많이 있습니다.
어린이들은 감옥에서 나가기 위해 서로 돈을 받으려고 할테죠.
그래서 한 번 돈을 받은 어린이는 다른 어린이에게 밀려 다시 돈을 받을 기회를 잡기가 어려워집니다.
이 때, 어린이들이 확실히 감옥에서 나올 수 있도록 하기 위해서는 어떻게 해야할까요?
바로, 8천원 이상의 지폐를 던져주는 겁니다.
8천원이 되지 않는, 각종 동전이나 1천원, 5천원짜리 지폐는 던져줘도 소용이 없습니다.
어린이들이 제각기 1천원, 5천원씩 가지게 되지만, 그 돈으로는 나갈 수도 없고, 돈을 받을 기회가 한 번밖에 없으니 그돈을 모을 수도 없습니다.
그러니, 아예 처음부터 1만원, 5만원짜리 지폐를 던져주면, 그 돈을 곧바로 간수에게 지불하여 나갈 수 있게 됩니다.
여기에서, 어른은 광원, 어린이는 전자, 감옥은 금속, 8천원은 전자가 튀어나가기 위한 최소한의 에너지가 됩니다.
지폐, 동전 등의 화폐는 광자가 되고, 화폐의 액면가는 광자 하나가 갖는 에너지, 즉 진동수를 뜻합니다.
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이처럼 줄수있는 돈(에너지)는 양자화(돈 액면가가 10001원 짜리가 없다는 뜻, 지폐 종류로 띄엄 띄엄 하다는 것)되어있지
이때 빛 알갱이를 아인슨타인은 광양자(photon)이라 불렀어
바로 스타크래프트의 포톤캐논의 어원이지
포톤캐논은 빛알갱이를 쏘는셈이지
이 결과를 듣고 입자설은 완전히 부활하게되
결국 승부는 다시 원점으로 돌아갔을 뿐 아니라
둘다 명백하게 상대방이 설명하지 못하는 부분이 있었기에
누가 이긴다는 승부 자체가 이젠 요단강 건너버린거야
과학자들은 멘붕에 빠졌지
광(光)철수
제 정체는 전자기파로 보면 파동일수도 있습니다. 그런데 광전효과를 보면 입자일 가능성도 존재합니다.
제 정체는 적절한 시기에 적당한 학자여러분의 충분한 민주적인 토론을 통해 결정을..... 하는게 좋을 가능성도 있지만, 국민들의 의견도 수렴해야 하기에.....
3. 수소원자 스펙트럼
일게이들은 지금쯤 "ㅅㅂ 결국 간보다 끝나냐" 하며 손이 민주화 버튼으로 향할거야
조금만 기다려줘 거의 다왔어
마지막 문제인 수소원자 스펙트럼을 핵심만 보자
이게 바로 수소원자 스펙트럼이야
일반적으로 빛은 위와 같이 연속적인 빨주노초파남보 파장들로 이루어 졌다는걸 알수 있을거야
그런데 수소원자에 빛을 쪼여주었더니 아래 그림처럼 검게 나타난 부분에 해당하는 특정 파장의 빛만을 흡수하는것을 발견햇어
쉽게 말해서
수소원자는 마치 명품 아니면 받지 않는다/1++ 한우 아니면 먹질 않는다는 김치녀처럼
빛을 가려가면서 받는거야
수소원자 삼일한이 필요하盧?
과학자들은 열심히 궁리해 본 결과 이런 자연계의 김치녀 현상이 생기는 이유가
보빨남, 아니 전자 구조때문이란걸 알아냈어
그리고 전자구조를 풀어내는 전설적인 방정식을 알아냈지 바로 슈뢰딩거의 방정식이야
이 업적은 진짜 진짜 ㅆㅆㅆㅅㅌㅊ 업적이야
매우 작은 양자세계를 기술하는 가장 중요한 방정식이지
이 슈뢰딩거 성님은 역대급 일화를 가지고 있는데 바로 이 ㅆㅆㅅㅌㅊ 슈뢰딩거 방정식은
슈뢰딩거가 아내 몰래 다른 여자와 바람을 피우던 별장에서 새벽에 아이디어를 떠올렸다고 전해져
저녁에 ㅅㅅ 한판하고 현자타임이 온 새벽에 아이디어가 떠오른게 아닐까?
어쨌든 여기서부터 중요해
이 방정식의 의미는!
"우리가 입자로 생각하는 전자 역시 파동성을 가진다는 뜻이야"
"즉 전자는 관측되지 않았더면 우리가 생각하는 알갱이로서 어딘가 존재하는 것이 아니라,
파동처럼 공간에 넓게 퍼져있는거야"
쉽게말해 일게이가 전자라고 하면 일게이는 누군가가 일게이가 지금 방 컴퓨터 앞에 있는걸 보기 전까지는
방, 거실, 봉하마을 등등 세계 각지에 펑퍼짐 하게 존재가 퍼져있는거야. 납작하게 있다는게 아니라 존재 자체가 퍼져있는거야 ㅇㅇ
그러나 누군가 일게이를 찾으려고 일게이의 방문을 열어 일게이를 발견했다면 바로 그순간 일게이란 존재는 비로소 그 위치에 존재가 특정되는거야
여기서 가장 중요한 사실은
일게이가 평소 이 시간대에 70%확률로 방에 있고 30% 확률로 화장실에서 똥을 눈다고 하자
그러면 일게이의 부모님이
"지금 이순간 일게이는 방 또는 둘중에 어딘가에 존재하고 있다. 방에 있을 확률이 높으니 방을 가보자" 이랬다면 틀린 생각이야
부모님이 "지금 이순간 일게이는 방과 화장실에 모두 가능성으로서 존재하고 있다.
다만 내가 일게이을 찾았을때 방에 있을 확률이 높더라" 이게 맞는 생각인거지
슈뢰딩거의 일게이
뭔가 존나 심오하지? 뭔 노짱이 살아있다는 소리냐 할꺼야 원래 양자역학이 좀 그래
다왔어 다음이 진짜 결론이야 ㅎㅎ
바로 이 점에 착안해서 빛과 물질과 빛의 존재란 어떤 방식인가에 대한 현대물리학의 해석이 완성되
결론 - 코펜하겐 해석과 상보성 원리 및 대응성 원리
아리송한 빛의 정체에 대해 입자설과 파동설은 합의에 실패하고 재판에 가지
고전물리학의 파동설이 새로 고권적으로 깡패짓을 하던 새로운 입자설에 불만을 가지고 취소소송을 제기한거야
즉, 빛의 정체를 둘러싼 해석은 결국 슈뢰딩거의 방정식에 대한 해석을 만든 보어와 코펜하겐 학파에 손에 달린거야
이 새로운 물리학의 창시자들은 정말 모두가 자명히 입자로 여긴전자마저 파동성을 띈다는 점에서
최종 판결문을 작성하지
코펜하겐 학파의 거두 닐슨 보어,
아니 닐스 盧어.
아니 닐스 보어의 판결문을 들어보자
양자역학의 주류 코펜하겐 학파의 거두 닐스 보어
"본 재판부가 심리한 결과 광전효과를 통해 빛이 입자성을 띈다는 사실관계가 인정되어 입자설의 권리가 인정되어
파동설에게 입자설을 받아들이고 수인해야할 의무가 생긴당께"
이를 듣고 파동설측 방청석이 술렁댔지
"그러나, 영의 실험과 무시하고 파동설에게 입자설을 받아들이기만을 강요하는것은 수인한도를 넘는 과도한 처분이랑께"
이를 듣고 이번에는 양측 방청석이 모두 술렁대고 김대중의 사형선고를 들은 7시 폭도들 모냥 재판부에 비난에 쏟아지지
"오오미! 우덜 세금이 이런 간잽이 판결을 낼라고 쓰였당 말이냥께.. 이것은 다 정부의 음모랑께."
이를 괘이치 않고 재판장 보어는 선고를 마무리 하지
"이번에 새로 확정된 대법원 판결 26슈뢰딩거psi에 근거하여 빛을 포함한 전자와 같은 모든 물리적 대상은 모두 이런 입자성과
파동성을 모두 가지는 이중성을 가진당께! 원고의 주장을 인정하나! 그러나 사정판결이랑께"
라고 선고를 마무리해
빨갱이 리석기 판결문 대충 보면서 따라 해보려 했으나 판결문 단어들이 왜이리 어렵盧! 망한 드립인거 같아
이 판결문을 해석해 보자 여기서가 정말 집중해야해
양자역학에 따르면, 빛은 결국 입자이기도 하고 파동이기도 하지만 입자라 불러서도 안되고 파동이라 불러서도 안되
즉, 에너지를 가진 어떤 물리적 대상이 있다고 하자 그 물리적 대상에 대해
우리는 우리 체험에 근거하여 눈에 보이는 세계 혹은 전자 같은 걸 입자라 부르고
그 외에 매질 자체는 고정되어 있지만 에너지를 전달하는 방식을 파동이라 부르지?
다시 정리하면 어떤 물리적 대상이 에너지를 가지고 있다면, 공처럼 물질이거나
파동의 형태로 에너지를 가지는 거라고 여기는게 일반적인 경험칙이야
그러나 실제 우주는 이런 이분법이 아니고, 그냥 짬뽕인 것도 아니야
예를 들어 일게이가 부모님께 선물을 드리면서 효도하면 그순간 착한 일게이야
그러나, 부모님 등골을 빼먹을때면 나쁜 일게이기도 하지
그런데 소위 파동파/입자파란 학파는 일게이의 한 면만 보고 일게이는 착한 존재다/ 나쁜 존재다 라고 하는거지
그렇다고 단순이 짬뽕해서 일게이가 3번은 착한일 3번은 등골브레이킹 했으니
또이또이해서 일게이는 착하지도 나쁘지도 않다 이게 아니란거야
일게이가 효도도 안하고 등골도 안빼먹고 걍 숨만 쉬는 간철수가 아니잖어
"일게이는 어떤 조건이 맞으면 효도도 하고, 어떨때는 불효도 하는거지"
이처럼 모든 존재는 단순히 파동과 입자 중간이 아니라
"입자에 조건이 맞으면 입자성을 보이고, 파동으로의 조건이 맞아 떨어지면 파동성을 보이는 그냥 그 존재 자체인겄이며
입자냐 파동이냐로 나눠서 볼 수 없다는게 결론이야
이를 물질의 이중성과, 보어의 상보성원리라고해
모든 존재는 입자도 파동도 아니다.
다만 조건이 입자에 맞아 처럼 행동하면, 이름하여 그럴때는 입자라 하고
조건이 파동성에 적합하여 파동처럼 행동하면, 이름하여 그럴때는 파동이라 한다
마치 불교의 가르침과 비슷하당께
시발 왜 갑자기 불교드립이노 하면서 민주화를 줄지도 모르겠지만
저 글귀는 닐스 보어의 주장을 조금 바꾼거야 닐스 보어는 스스로 "양자역학과 불교사상과는 놀라운 유사성이 있다"고 했고 스스로
"양자사상은 동양의 전통에서는 그리 놀라운 주장이 아니다."라고 말했어
마지막으로 최종 결론을 다시 점검하자
에너지를 가지는 물리적 존재들은 입자/파동이라 생각하는건 우리의 경험칙에 근거한 이분법이야
그러나 우리 경험은 양자세계에서는 잘 맞지 않아
진정한 물리적 존재는 입자/파동의 상태의 정반합과 같이 두개를 아우르고 있는거야
다만 우리는 장님이 코끼리 더듬는것처럼 우리의 경험에 따라 코끼리를 뱀이네/노짱이네 이렇게 싸웟던 거야
입자냐 파동이냐 하는것은 단지 그 조건이 맞으면 하나의 방식으로 그렇게 행동할 뿐이야
이게 바로 상보성 원리지
그렇다고 물리적 존재가 꼴리는대로 어떨땐 입자/파동 이렇게 변덕부린다고 오해하진마 ㅎㅎ
outro
마지막으로 " 그럼 왜 우리 일상생활에는 그리 신기한 일이 안일어 나냐" 이 문제에 대한 닐스 보어의 해답을 말해주고 끝내려해
닐스보어는 수학적으로
양자스케일을 상징하는 해당하는 플랑크 상수가 0으로 수렴하는 경우
양자역학의 결론은 고전역학의 결론과 같다는 것을 보였어
이것이 바로 보어의 대응원리야
실제로 플랑크상수는 10 마이너스 34승으로 매우 작지. 그래서 고전역학이 일상스케일 에서는 잘 맞는거야
단 양자스케일, 즉 10의 마이너스 34승과 견줄수 잇도록 작은 스케일에서는
우리의 상식은 전혀 맞지 않고
양자역학이 보여주는 요상하고 괴상한 논리가 지배하는 세계가 되는거지
글 봐주어서 정말 고맙고
마지막에 체력 방전으로 드립치기 너무 힘드네 ㅎㅎ
최대한 물렁하게 쓰려했지만 전편보다는 딱딱한거 같아
그래도 일게이가 무언가 양자의 오묘함을 느낄수 있었다면 정말 좋겠어 ㅎㅎ
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