양자물리학 입자물리학 그리고 빅뱅에 관하여

 

양자물리학... 

약 4~5년 전쯤 .. 양자물리학이란 것에 대해 처음으로 접하게 되었다.

나는 물리학을 전공한 과학도가 아니라..복잡한 수식.. 이론적 배경은 알지 못하지만..

그 양자물리학이 시사하는 바는 너무도 놀라웠다.

 

양자물리학자들이 알아낸 놀라운 사실의 핵심은 바로 물질을 가장 작은 단위의 입자까지 쪼개고 쪼개면 결국 그 조각들..전자와 양자 등은 더 이상 물질의 성질을 가지지 않는 다는 것이다. 빛이 파동이냐 입자냐란 물음에서 출발하여 .. 입자일수도 있고 파동일수도 있다란 결론에 이르렀으며.. 결국...전자는 관찰자의 의지(?) 에 따라 입자로 나타날수도 있고 파동으로 나타날수도 있다는 사실이다.

 

이 얼마나 엄청난 사실인가? 이것으로 이미 데카르트부터 시작되어온 이원론은 무너져 버린 것이다. 이 세상을 구성하는 물질의 가장 작은 단위의 입자... 우리몸을 구성하는 가장 작은 단위의 입자가 결국은 파동이라는 소리이다.

 

결국 이 세상의 물질=파동이다라는 결론이 가능한 것이다.

 

이것은 학문의 가장 물질적이었던 학문.. 물리학에서 이미100여년전(정확하지 않음^^)에 발견된 이론이다.

 

그후 과학은 홀로그램 우주론, 파동이론 등 이미 물질과 정신의 개념을 넘나드는 여러 이론이 나타나게 되었다. 이미 과학의 정점에서는 물질과 정신의 경계가 허물어지고 있는 것이다.

 

세상을 구성하는 물질의 근본이 파동이라는 것... 이것은 바로 플라톤이 이데아의 세계(현상을 허구의 세계라고 하며 실재의 세계,이데아의 세계를 말했다)와 연결되는 개념일 것이며.... 지금까지 '종교.철학'과 아무리해도 같이 할수 없을것 같았던 '과학'이 그 연결고리를 찾은 것이다.

 

또한 현존하는 최고의 과학자 스티븐 호킹은 기존의 팽창하는 우주론을 뒤엎고 웜홀 이론을 내놓았다. 이것은 팽창과 수축을 반복하는 우주이론(블랙홀과 화이트홀)으로 순환하는 우주의 개념이며.. 불교의 사상 .. 증산도의 성장과 성숙의 우주원리와 일맥상통한다.

 

가장 물질적인 학문이었던 물리학에서 물질의 한계를 보게 된것은..바로 동양에서 말하는 음양의 이치이다... 또한 ... 서로 완전히 다른길을 걷는줄 알고 있던 물리학등의 과학과 종교,철학 은 결국 서로가 하나였음을 알게되는 방향으로 나아가고 있고..이것은 바로 헤겔이 얘기한 '변증법' 정반합의 원리이다.

 

* 헤겔의 변증법: 세상이 발전해가는 원리로 하나의 개념,또는 모든것이 생기면(정)... 그것과 반대되는 개념(반)이 생기게 된다... 서로 다른줄 알았던 이 둘은 결국엔 (합)으로 가게 된다. (동양의 음양이론과 일맥상통..)

 

이원론은 이제 이미 지나간 개념이다. 하지만 아직도 대부분의 많은 사람은 이 이원론에 사로잡혀있다.

 

모든 위대한 과학자들은 그 분리함의 끝에서 이렇게 얘기한다. 이 우주의 질서를 유지하는 어떤 위대한 존재(something greate)를 부정할수 없다고.. 그리고 스티븐 호킹은 이렇게 얘기했다... 머지않은 미래에 그 모든것을 설명하고 통합할 수 있는 이론이 나올 것이며.. 그 이론은 누구나 쉽게 이해할 수 있는 것이 될 거라고

 

 

 

입자물리학이란 

더 자세히 말해서"소립자 물리"를 말하는 것으로서

중학교 단위까지는 물질의 최소단위라고 배웠던 원자를

더 미세하게 쪼개면 중성자, 양성자, 전자 의 단위로 나뉘고

그밖에도 뮤온이나 파이온, 파이 중간자, 카이 중간자

.... 머 수도 셀 수 없는 수의 소립자들이 있습니다.

이러한 소립자들은 6가지의 쿼크로 이루어져있습니다.

이러한 작은 입자들의 성질을 연구하고 예측하고 발견해 내는 것이

이러한 소립자 물리의 대략이라 하겠습니다.

대체로 사이클로트론이라는 장치를 통해

강한 속도로 입자를 쏘아 다른 입자를 맞추는 방식으로 실험을 하곤 합니다.

유명한 사람으로는 유가와, 페르미, 양젠닝, 사카다 등...

동양 출신 학자들이 은근히 많지요.

이휘소 박사 역시 이러한 입자물리의 대가였답니다.

 

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“세상은 무엇으로 만들어졌나. 우리는 어디서 왔는가.”

 

미국 시카고대 물리학과 김영기(金령璂·43) 교수는 자신의 연구를 소개할 때 항상 이런 화두를 던진다. 누구나 의문을 품어보지만 속 시원한 해답을 찾기란 힘들다. 김 교수는 이 물음에 매달린 전 세계 물리학자들 중 선두에 서 있다. 그래서 학계에서는 그를 노벨상에 가장 근접한 한국인 과학자 중 한 명으로 평가하고 있다.

 

 

호암재단(이사장 이현재·李賢宰)은 김 교수를 제15회 호암상(湖巖賞) 과학분야 수상자로 선정했다. 서울 중구 호암아트홀에서 1일 열린 시상식에 참석하기 위해 내한한 김 교수는 빠듯한 일정을 마치고 6일 출국했다. 2일 고려대 과학도서관 강당에서 열린 호암상 수상 강연회장에서 김 교수를 만났다.

 

‘충돌의 여왕.’ 그를 한마디로 표현해 주는 말이다. 미국의 과학전문지 ‘디스커버’가 2000년 10월호에 ‘향후 20년간 세계 과학발전을 주도할 20명의 과학자’의 한 사람으로 김 교수를 소개하면서 붙인 별명이다. 무슨 뜻일까.

 

“물질을 이루는 소립자인 양성자와 반양성자를 충돌시키는 게 제 연구과제죠. 여기서 나오는 조각들을 조사하면 150억 년 전 대폭발로 시작된 우주의 비밀을 풀 수 있어요.”

 

김 교수는 지난해 6월 세계 최대 규모의 입자물리 실험기구를 갖춘 미국 페르미국립가속기연구소의 ‘양성자·반양성자 충돌실험그룹(CDF)’ 공동대표를 맡았다. 12개국 62곳의 대학과 연구소에서 모인 전문가 850여 명의 실험을 총지휘하는 사령탑 역할을 하고 있는 것.

 

김 교수는 ‘전문가들의 충돌’을 조정하는 데도 일가견이 있나 보다. 내로라하는 과학자들이니 의견이 엇갈리기 일쑤다. 김 교수는 이런 분위기에서 동료들로부터 투표를 통해 대표로 선발됐다.

 

김 교수의 화려한 경력을 생각하면 천재 소녀로 자랐을 어린 시절 모습이 짐작된다. 하지만 김 교수는 “너무 평범하게 성장했다”며 “다만 많은 사람의 도움으로 여기까지 온 것”이라고 말했다. 김 교수는 경북 경산시에서 1남 5녀의 다섯째로 태어났다. 고려대 물리학과에 입학했지만 처음부터 공부에 몰두하던 과학도는 아니었다.

 

“2학년까지 탈춤반에서 활동하며 신나게 지냈어요. 이때 선후배끼리 진지하게 고민하고 끌어 주던 끈끈한 인간관계를 배웠습니다. 현재 연구팀을 끌어가는 리더십의 비결은 대학시절에 배웠지요.”

 

물리학의 매력에 눈을 뜬 것은 4학년 때 강주상(姜周相) 교수의 ‘양자역학’ 강의를 듣고부터다. 강 교수의 지도로 석사과정을 마치고 미국으로 유학을 떠나 이때부터 우주는 어떻게 시작됐는지, 우리의 몸은 어디서 왔는지 등 근본적인 질문을 ‘물리학의 창’으로 해답을 얻는 일에 빠져들었다.

 

연구에만 몰두해서인지 3년 전에야 결혼했다. 남편은 같은 시카고대 물리학과의 시드니 네글 교수. 결혼식은 대구에서 전통혼례로 치렀다.

 

김 교수가 몸담고 있는 페르미연구소는 한국이 낳은 세계적인 물리학자 고 이휘소(李輝昭) 박사가 이론물리부장을 맡았던 곳. 김 교수의 석사논문을 지도한 강 교수는 바로 이 박사의 수제자여서 이 박사의 학맥을 정통으로 잇고 있다. 김 교수는 “학문적으로는 이휘소 박사의 손녀 격인 셈”이라며 “한국인 첫 노벨상 수상자로 손꼽히던 대선배를 늘 자랑스럽게 생각한다”고 말했다.

 

 

이 박사가 못 푼 노벨상의 꿈이 언젠가 김 교수에 의해 이뤄지지 않을까. 하지만 김 교수는 “과학의 진보는 수많은 과학자의 땀방울로 이뤄지는 것이기에 한 개인이 노벨상을 탐내는 것은 도리에 어긋난다”고 말했다. “전 세계 물리학자들은 새로운 입자가속기를 2010년경 착공하는 것을 추진하고 있습니다. 소립자 세계의 밑그림을 완성할 장비를 마련하는 데 6조 원 정도의 예산이 필요해요. 하지만 어느 나라에 세워질지는 정해지지 않은 상태입니다. 이 입자가속기가 한국에서 만들어지고 제가 귀국해 연구에 참여하기를 꿈꾼다면 너무 큰 바람일까요.”

 

▼김영기 교수는▼

 

△1962년 경북 경산시 출생

 

△1984년 고려대 물리학과 졸업

 

△1986년 고려대 물리학과 석사

 

△1990년 미국 로체스터대 박사

 

△1990∼1996년 미국 로런스 버클리 국립연구소 연구원

 

△1996∼2002년 미국 버클리 캘리포니아대 교수

 

△2003년∼현재 미국 시카고대 물리학과 교수

 

△2004년∼현재 미국 페르미국 립가속기연구소 CDF 공동대표

 

△좌우명: 결과에 솔직하게 임하자

 

 

 

 

 

 

 

빅뱅이란?

 

빅뱅이란 우주초기 즉 이모든 우주세상의 초기입니다

우주가 깔대기모양으로 올라간다는건 아시죠

우주초기엔 우주가 작았다가 점점 올라가면서 팽창하죠

그러다가 균형이 깨저서 일어난 대폭발이 빅뱅입니다

빅뱅한방으로 우주가 커젔죠

지금도 우주는 팽창중입니다

빅뱅이 일어날려면

밀도가 1세제곱cm당 10의 94제곱g으로 압축하고 온도는 10의 34제곱도로 올려야된데요

빅뱅초기에는 온도가 2000억도였나 그랬던걸로 책에서 봣어요

 

 

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우주가 태초의 대폭발로 시작되었다는 이론. 빅뱅론이라고도 한다.

 

1920년대 A.프리드만과 A.G.르메트르가 제안하였으며, 40년대 G.가모에 의하여 현재의 대폭발론으로 체계화하였다.

이 우주론은 멀리 떨어진 은하일수록 우리 은하계로부터 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실과 3 K라는 우주배경복사에 근거한다.

 

29년 미국의 H.허블은 외부은하의 스펙트럼에 나타난 적색편이로부터 외부은하들이 우리 은하계로부터 빠른 속도로 후퇴하고, 후퇴속도는 외부은하까지의 거리에 비례한다는 사실을 밝혔다.

 

그리고 거리가 100만 pc(파섹) 증가할 때마다 은하의 후퇴속도가 50 ~ 100 km/s씩 증가하는 것을 알아냈다. 이는 우주가 팽창하고 있음을 의미하고, 역으로 계산하면 약 200억 년 전에는 우주가 하나의 점과 같은 상태였으며, 이 점에서 일어난 대폭발로부터 현재의 우주가 만들어진 것으로 볼 수 있다. 대폭발 전의 크기가 0이고, 밀도와 온도가 무한대인 상태를 특이점(特異點)이라고 한다.

 

대폭발설은 현재 '표준 우주론'으로 널리 받아들여지고 있다. 특이점의 대폭발로 생긴 원시우주는 폭발 후 짧은 시간 동안 지수함수적으로 급격히 팽창하면서 온도와 밀도가 빠르게 떨어졌다. 그 후 백만 년 동안 우주에서는 각종 소립자들이 만들어졌고, 우주의 온도가 3,000 K에 이르자, 마침내 양성자와 전자가 결합하여 수소원자가 만들어졌다.

 

G.가모는 이때 생긴 마이크로파가 우주에 널리 퍼져 있을 것이라고 예견했는데, 65년 A.펜지아스와 R.윌슨이 우주배경복사(2.7 K)를 발견함으로써 가모의 예견을 증명하였다.

 

이 설은 그 이전의 우주상태를 제대로 설명하지 못하는 문제가 있지만, 81년 A.구스가 제안한 인플레이션우주론은 이 점을 다소나마 해결하고 있다.

 

구스에 따르면 대폭발 이전의 우주는 에너지만으로 가득 차 있었고, 거품 같은 형태의 에너지가 대폭발을 일으켰다는 것이다. 구스의 이론은 현재의 불균일한 우주의 모습을 잘 설명하는 이론으로 받아들여진다