무와 유의 물리학/뉴턴 하이라이트잡지/뉴턴앱/그래픽 과학 월간지/뉴턴 단행본/중등추천 과학잡지

무와 유의 물리학 ㅣ 뉴턴 하이라이트 Newton Highlight 113
뉴턴코리아 편집부 지음 / 아이뉴턴(뉴턴코리아) / 2017년 11월

뉴턴 월간지 받아보면서 아이덕분에 저도 과학에 대해서 많이 공부하게 되는것 같아요

학교 다닐때 과포자였는데

아이가 과학에 관심이 많고 과학잡지를 좋아하다보니

자연스레 제가 먼저 읽어보고 아이가 물어보는것에 대해 설명해주려고 하는데요

물론 아직까지도 과고에 재학중인 사촌형처럼 아이가 궁금해하는부분에 대해서

바로바로 피드백 해줄 수 없음이 안타깝지만

그래도 매월 새로운 과학이야기를 접하면서 과학이라는게 참 파면 팔수록 재미있구나 이런생각도 들고

아직까지도 내가 이해하지 못하는 과학 이야기들이 너무나 많다는걸 생각하면

과학자들의 위대함을 다시한번 느끼게 되었어요

어쨋든 아이가 과학에 관심이 많다보니 자연스레 더 좋은 과학 잡지를 보여주고 싶고

그러다보니 주위에 추천을 받아서 보여주게 된 뉴턴이었던것 같네요

뉴턴 하이라이트 잡지 113

무와 유의 물리학

이번에 읽게된 단행본은 물리학..

하~ 학교다닐때 정말 어려워했었던 물리학이였는데

아이는 어떤 이야기가 들어있을지 몹시 궁금해하더라고요

특히나 아무것도 없다 라는것은 어떤 상태인지 궁금해 했어요

수, 공간, 우주 탄생, 소립자의 무와 유에 대해서도 이번 단행본에서 다루게 된다니

그동안 이러한 궁금증이 있었던 친구들에게는 매우 흥미로운 단행본이 아닐까 생각이 들었네요

아무것도 없는 상태라고 하면 흔히 진공을 떠올리게 되는데요

하지만 물질이 전혀 없는 진공을 인위적으로 만들어 낼 수 없기 때문에 실제로는

극히 저압의 상태를 진공이라고 규정 한다고 해요

우주 공간 역시 진공의 정도는 높지만 완전한 진공은 아니라네요

반면에 숫자 0은 아무것도 없음을 나타내고

또 우주는 공간도 시간도 없는 무에서 탄생했다고 해요

뿐만 아니라 모든 물질의 근원인 소립자는 크기가 없는 점이라고 해요

게다가 전자등의 소립자는 어느 위치에 있는지 없는지를 쉽게 정할 수 없다고 하고요

이 체럼 무와 유의 문제는 과학과 수학에서 아주 깊은 수수께끼를 던져주는데요

이번 단행본에서는

수, 존재, 공간, 우주의 탄생 소립자 등의 분야에서

과학자와 수학자를 매료시켰던 무와 유의 세계를 살펴보는 좋은 계기가 도리거라고 하네요

수의 무와 유

아무것도 없는것을 수학에서 나타낼때 사용하는 0

0은 매우 신기한 숫자라고 해요

고대 시대 부터 수학자와 철학자는 그 매력에 사로잡혔으며

0을 둘러싼 어려운 문제와 답이 차례로 제기 되었다고 하네요

그리고 불가사의한 것은 숫자만이 아니라

온도, 저항, 질량, 크기, 속도 등의 물리적인 값이 0이 되면 기묘한 일이 일어난다고 해요

0이란 정말 미스터리하네요

0이란 무엇인가?

많은 수학자드을 괴롭힌 0

당연한듯 사용하는 0이 과거 유럽 사람들을 괴롭혔다고 해요

유명한 수학자 파스칼 조차 0에서 4를 빼도 0으로 생각했다고 하네요

0이란 아무것도 없는 무 이므로 어떤 것도 뺄 수 없다고 말이죠

0이라는 개념이 참 특별한것 같아요

고대 문명의 0

0 덕분에 수의 기호가 줄었다?

0 기호를 사용함으로써 얻는 이점의 하나는

적은 종류의 기호로 큰수를 간단히 나타낼 수 있다는 점이라고 하네요

수의 자리에 아무것도 없음을 나타내는 0이 매우 중요한 역할을 한다고 해요

고대의 문명 0

마야의 0 기호는 아래턱을 손을 괸 얼굴

마야는 그림 문자로 숫자를 나타내는 방법을 사용하였는데

그 경우 0은 아래턱에 손을 괸 얼굴 모양이었다고 하네요

참 신기해요

이걸 0 이라는 개념과 연관지어 만들어진 그림문자라니..

0의 발견

수로서의 0은 인도에서 태어났다

0을 최초로 정상적인 수로 간주한 곳은 인도라는 설이 유력하다고 해요

인도에서는 0의 기호로 검은 동그란 점(·)이 사용되었다고 해요

인도에서는 수의 자릿수를 정하는 기호로 0이 사용되었고

여기에다 숫자로 계산하는 필산이 자주 이루어졌다는 배경이 있다고 하네요

필산으로 25+10을 하려면 1의 자리에서 5+0을 해야하는데그래서0을 수로 간주할 필요가 생기지 않았을까 생각된다고 해요

인도의 누가 수로서의 0을 발견했는지는 수수께끼로 남아있대요

0과 무한
남은 거리는 결코 0이 되지 않는다?

0과 무한

크기 0인 점이 만들어 내는무한의 신비

무한대는 역사적으로 0과 뗄려야 뗄수 없는관계였다고 해요

칸토어의 무한 집합의 농도 개념으로

무한이라고 해도 빠짐없이 셀수있는 무한과

그렇지 않은 무한이 있다는걸 알았다고 해요

0 의 마력 진짜 대단하네요

미분과 적분

한없이 0에 가까워지는 수학이 현대 사회를 떠받치고 있다

미적분은 0을 둘러싼 시행착오에서 생겨났다고 하네요

절대 온도 0℃

절대 온도 0℃ 보다 낮은 온도는 존재하지 않는다

만자 그대로 절대적인 의미를 가진 온도 절대온도 0℃

질량 0

빛의 입자인 광자는 질량이 0인데도 낙하한다

광자가 중력으로부터 받는 영향에 대해서 정확히 예언한 사람은 아인슈타인이라고 해요

일반 상대성 이론은 빛은 중력에 의해 휘어진다고 했는데

그 휘어지는 정도는 광자가 낙하한다고 생각하고 계산한 궤적보다 2배나 크다고 하네요

이것은 중력에 의해 공간이 휘어지고 공간을 통과하는 광자가 그 공간의 휘어짐에 끌려가는 효과가 더해 지기때문이라고 해요

크기 0

크기 0 , 밀도 무한대를 향해 수축하는 블랙홀

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 우주 어딘가에 있을지도 모르는 매우 기묘한 존재를 예언하고 있다고 ㅐ요

그것은 크기 0, 밀도 무한대를 향해 수축하는 천체가 그 주위 공간에 만들어내는 블랙홀 이래요

블랙홀의 중력은 엄청나게 커서 근처를 지나가는 것은 무엇이든 삼켜버리는데요

일단 삼켜지면 빛조차 탈출할수가없다고 하네요

겉보기 속도 0

블랙홀이 접근하는 탐사선의 겉보기 속도는 0이 된다

탐사선이 블랙홀 경계면(사건의 지평면)의 아주 가까운 곳까지 도달하면

마침내 속도는 0이되고 완전히 멈추어 버린다고 해요

일반 상대성 이론에서 예언한 대로 시간이 느려지는 효과가 나타난것이라는데요

거대한 중력원 근처의 시간은 멀리 떨어진곳에서 봄녀 느리게 흐르고

블랙홀이라는 초거대 중력원인 경우 그 경게면에서 시간이 완전히 멈추어 버리고

그곳에 있는 탐사선의 소도는 0으로 보인다고 하네요

존재의 무와 유

우리가 눈으로 볼 수 없는 작은것,

예컨대 원자나 전자가 존재한다는 사실을 의심하지 않는대요

인류는 볼 수 없는 물질의 존재를 왜 믿으며 어떻게 그모습을추척할 수 있게 되었을까요?

그리고 원자와 극미의 세계에서는 같은 무렟가 동시에 여러곳에 존재한다는 불가사의한 일이 일어나고 있다고 하네요

원자의 존재

원자가 존재한다는 증거

지난 2000년 동안의 가설은 어떻게 증명되었을까?

원자의 존재를 둘러싼 과학자들의 생각과 발언등과 원자에 대한 추적한 세가지 실험들에 대해 알려주었어요

파동과 입자의 양면성

전자와 빛은 파동과 입자의 성질을 함께 가졌다

파동과 입자의 양면성

빛이 파동임을 보여준 토머스 영의 실험

파동과 입자의 양면성

아인슈타인은 빛은 입자의 성질도 가졌다고 생각했다

전자등의 물질 입자는 파동의 성질도 가졌다

파동과 입자 양면성을 통해서 그동안 파동과 입자에 대해서 궁금했던 부분들이 있었다면

정말 재미있게 읽을 수 있을만한 이야기였어요

원자 속의 전자 궤도

전자는 불연속적인 궤도에 존재한다

상태의 공존

전자는 복수의 장소에 동시에 존재할 수 있다

극미 세계에서는 ㅏ나의 물체가 서로 다른 장소에 동시에 존재하는 상태의 공존이 일어난다고 해요

이러한 공존 상태는 물체의 위치를 관측하면 즉시 사라지고 존재 장소는 확정된다고 하네요

코펜하겐 해석

전자의 파동은 전자의 발견 확률을 나타낸다

관측되면 전자의 파동은 하나의 점으로 축소되어 입자가 된다

슈뢰딩거 방정식

전자의 파동 상태를 나타내는 슈뢰딩거 방정식

슈뢰딩거 방정식이 나옴으로써 더 정확한 원자 모형이 그려지게 되었다고 해요

코펜하겐 해석과 관측

반사반생의 고양이가 존재?

인간이 인식해야만 상태하는 공존이 해소된다면 반사반생의 고양이가 존재한다

다중 세계 해석

시시각각으로 가지치를 하는 우주

다중 세계 해석에 의하면 공존하던 복수의 상태 각각이 존재한다고 해요

이것을 앞에서 언급한 반사반생의 고양이의 예로 생각하자고 하네요

원자핵이 파괴 되었다

파괴되지 않았다는 두상태가 공존하므로

관측을 하면 원자핵이 파괴된 상태를 관측한 세계와

원자핵이 파괴되지 않은 상태를 관측한 세계가 공존하는 셈이라고 하네요

어느 쪽도 실제로 존재한다고 생각한다는데

정말 신기하네요

이번 호는 잘모르는 전문용어가 자주 나오다보니 많이 어렵긴하네요

과학을 좋아하는 아이라면 더 흥미롭겠지만

읽어주면서도 저는 잘모르는데 읽어주는 느낌이고

아이는 뭐가 그리 재미있는지 초집중해서 보고 있었어요

공간의 무와 유

아무것도 드어있지 않은 상자를 우리는 비었다고 생각하는데요

그러나 눈에 보이지 안을뿐 거기에는 수많은 공기 분자가 들어있다고 해요

그러면 분자, 원자, 그리고훨씬 작은 소립자를 제거한 공간은 무의 공간이 될까요?

무의 공간이 존재하는지에 대한 수수께끼를 풀어줄 3장

진공이란 무엇인가?

진공이라는 것의 실체를 들여다 보자

우주 공간은 공기가 없는 진공이라는 말을 흔히 듣는대요

진공이라는 말을 문자 그대로 해석하면

정말 비어 있는것

즉 아무것도 없는 공간이라는 뜻이에요

그런데 우주 왕복선의 주위를 보면 실은 극히 희박하지만 공기가 존재한다고 하네요

또 진공팩이나 보온병등에 있는 진공도 실제로는 텅 빈것이 아니며

우리가 진공이라 부르는 것은 공기가 없는 공간이 아니라 공기가 희박한 공간인듯하다고 하네요

형광등 속의 진공

형광드을 점등시키려면 적당한 진공이 필요하다고 해요

형광등이 점등하는 메커니즘

우선 음극에 전류를 흐르게 하면 전자가 튀어나오고

음극과 양극 사이에는 전압이 걸려 있기 때문에

형광등 속에서 날아가는 전자는 양극 방향으로 가속된다고 해요

이때 전자는 긴 거리에 걸쳐 가속될수록 속도가 빨라지는데

충분히 가속된 전자가 수은 원자와 충돌하면 수은에서 새로운 전자가 방출되거나 자외선이 발생한다네요

새로 방출된 전자는 다른 수은 원자와 충돌해 거기에서도 자외선이나 전자가 나오고

자외선은 형광등의 벽면에 칠해진 형광체와 충돌해 가시광선으로 바뀜으로써 형광등 빛이 난다고 해요

스바루 망원경의 진공

스바루 망원경의 주경 증착에 필요한 고도 진공

스바루 망원경은 100억 광년 이상 떨어진 천체에서 오는 희미한 빛도 한 점으로 모아 포착할 수 있는 망원경이에요

이 망원경은 고도의 진공을 이용한다고 하네요

우주 공간의 진공

우주 공간에는 완전한 진공이 존재할까?

원자 속의 진공

원자 주위에는 아무것도 없을까?

가속기의 실험

에너지에서 물질이 탄생한다

불확정성 원리

불확정성 원리란 무엇인가?

무의 공간에 입자를 들끓게 하는 극미 세계의 법칙

카시미르 효과

가상 입자의 쌍생성, 쌍소멸을 증명한다

카시미르 힘은 판 사이의 공간은 가상 입자의 파동이 특정 파장밖에 취할 수 없는데

결국 특정 파장의 가상 입자만 존재할 수 있기때문에 가상 입자의 수는 적어지고

반대로 판의 바깥쪽은 가상 입자의 파장이 자유로울 수 있기때문에 가상 입자의 수는 많아진대요

이러한 가상 입자의 수의 차이가 판 사이와 바깥쪽에서 진공 에너지의 차이를 낳아 생긴고 하네요

장 이라는 개념

무의 공간에서도 자기력과 중력은 전해진다

힉스장

무의 공간은 미지의 장으로 채워지고 있다

진공의 상전이

공간은 그 성질을 급격히 변화시키는 일이 있다

질량을 낳게 하는 계기가 된 진공의 상전이 란?

진공 에너지

우주는 공간이 가진 에너지에 의해 확대되고 있다?

무의 공간의 모습

완전한 무의 공간은 존재하기 어렵다

우리가 무라고 생각했던 공간은 빈 것이 아니라

사실은 북적이는 존재라고 하네요

이들은공간이존재하는한 제거할 수 없는 성질이고

그런 의미에서는 완전히 무의 상태인 공간은 있을 수 없다고도 할 수 있다고 해요

처음 들어보는 용어들도 있고 지금 아이에게 읽어주기에는 어려운 부분도 있었지만

결국에는 무, 완전한 무라는 공간은 없다는거네요

참 알면 수록 신기한 무와 유의 세계

우주 탄생과 무와 유

우주는 시간과 공간 모두가 없는 무에서 거품처럼 탄생했다고 하는데요

무에서 생긴다는 것은 어떤 상태일까요?

우주는 거기서 부터 시작해 어떻게 오늘날의 모습이 되었을까요?

특이점

시간을 거슬러올라가면기묘한하나의 점에 도달한다

우주의 시작은 상대성 이론만으로는 감당할 수 없는 것이었다고 해요

일반 상대성 이론을 바탕으로 생각하면

우주의 시작은 특이점이라는 하나의 점이 되는데

특이점을 출발점으로 해서 시간이 지남에 따라 점차 팽창해서 커지는 우주

안쪽의 구일수록 과거 우주의 모습인데

특이점에서는 물리학의 계산이 파탄되기 때문에

우주의 시작을 과학적으로 규명할 수 없게된다네요

요동에서 생긴 우주

우주의 존재 자체가 흔들리고 있다?

터널 효과

에너지의 산을 넘는 터널효과가 우주 탄생에 도움이 되었다

무에서 우주가 탄생

시간도 공간도 없는 무에서 우주가 시작되었다?

허수 시간

우주가 태어난 순간에는 기묘한 시간이 흐르고 있었다?

무가 터널 효과를 이용해 급팽창하는 우주로 바뀐다는것은 필연적으로 어떤 기묘한 시간이 흐르고 있었다는 뜻이 되는데

그 시간은 우리의 일상생활에서 흐르는 시간과는 전혀 다른 허수 시간이라고 하네요

양자론에서는 계산의 테크닉으로 허수 시간이 쓰이고 있다고 해요

허수는 우리가 일상적으로 쓰는 수(실수)와는 다른 성질을 갖죠

허수 시간의 세계에서는 힘을 받는 물체가 운동하는 방향이 실수 시간과는 반대가 된다고 해요

실수 시간의 세계에서 공이 언덕을 자연스럽게 내려가는 운동이

허수 시간의 세계에서는 언덕을 자연스럽게 올라가는 운동이 된다고 하네요

무경계 가설

우주의 시작은 특별한 순간은 아니었다?

우주의 역사

1초라는 짧응ㄴ 시간에 우주의 재료가 만들어 졌다

위 그림은 시간의 경과와 더불어 우주가 어떻게 변해왔는지를 나타내는 모식도)시공을 함께 나타내는 그림)인데

이 시공도의 끝에서 끝까지 우주의 나이인 138억년을 의미한다고 해요

최초의 1초가 경과할 무렵에 원자의 재료가 갖추어졌다고 하네요

우주 탄생으로 부터 1초 뒤에 원자의 재료가 되는 양성자와, 중성자, 전자가 생겼고

3분 뒤에는 양성자와 중성자가 들러붙어 원자핵이 생겼으며 38만 년 후가 되자 원자핵이 전자가 붙잡혀 원자가 탄생했대요

이에 따라 그때 전자와 부딪쳐 곧바로 직진하지 못했던 빛이 직진할 수 있게 되었고

우리가 관측할 수 있는 우주는 이때부터의 우주라고 하네요

인플레이션과 빅뱅

우주는 초기에 초급팽창과 고온 고밀도를 경험했다

가속 팽창

우주를 가속 팽창시키는 정체불명의 암흑 에너지가 있다

우주항

암흑 에너지의 원형은 20세기 초기에 제시 되었다

부활한 아인슈타인의 우주항

암흑 에너지의 성질

우주가 아무리 팽창해도 줄어들지 않는 기묘한 에너지

암흑 에너지의 정체

공간 그 자체가 가진 에너지가 유력한 후보 일까?

암흑 에너지의 정체는 현재 밝혀져 있지 않다고 해요

후보로 가장 유력하다고 생각되는것이 진공 에너지 인데요

공간은 모든 물질을 제거한 텅빈 상태, 진공이 되어도 에너지를 가지고 있으며

이것이 암흑 에너지의 정체일 가능성이 있다고 하네요

알렉산더 빌렌킨 박사 인터뷰

무는 광대한 우주와 무수한 세계를 낳았다

무는 무엇일까?

무에서 우주의 탄생이라는 저서 발표이후 어떤 진화를 이루었을까?

인류가 태고부터 생각해온 우주의 시작 그 수수께끼에 도전하는 빌렌키 박사

소립자의 무와 유

모든 물질을 잘게 분해해 나가면 결국은 소립자에 이르는데

물질의 근원인 소립자는 크기가 0, 무인 입자라고 생각 되어 왔지만

최신 이론인 초끈 이론에 의하면 그 정체는 크기를 가진 아주 작은 끈이라고 한다네요

소맂밪의 존재 방식을 바꾸는 이 이론은 세계의 차원이나 우주 탄생에도

참신한 사고를 제시할거라고 해요

5장에서는 소립자와 초끈 이론에 대해서 알게 되었어요

물질을 구성하는 소립자

자연계에서 가장 작은 알갱이의 정체

힘을 전다하는 소립자

소립자가 전달하는 4가지의 힘

중력

전자기력

강한핵력

약한 핵력

소립자의 종류

지금까지 확인된 많은 종류의 소립자

네 가지 힘의 통일

소립자의 네가지 힘을 통일 하려는 힘의 통일 연구

초끈 이론

크기 0인 점에서 길이가 있는 끈으로

우주 끈

100억 광년 이상의 긴 끈이 우주에 가로 놓여 있다

양자 중력 이론

초끈 이론은 우주 탄생, 힘의 통일에 도전한다

초끈 이론이 완성되면 우주가 어떻게 탄생했는지 규명할 수 있을것으로 기대된다고 하네요

초끈 이론의 차원

이 세계는 10(11)차원의 시공인가?

보이지 않는 차원을 찾는다

고차원 공간의 존재를 실험으로 확인하려는 시도가 주목받고 있다

부모 우주에서 자식 우주가 탄생

우주 안에서 새로운 우주가 탄생한다?

이론에 따르면 어느 순간 부모 우주 공간속의 조그만 영역에서 자식 우주가 탄생한다고 해요

자식 우주 안에는 부모우주와는 다른 물리법칙을 가진 세계가 펼쳐져 있고 자식 우주는 점점 확대된다고 하네요

그러나 부모 우주도 팽창하고 있으므로 자식 우주가 부모우주 전체를 차지하는 일은 없다고 하네요

부모우주, 자식우주라니

우주는 정말 신비롭네요

과학자들은 어떻게 이런 연구를 계속하고 있을까요?

읽어보면서도 대단하다는 생각을 계속 했어요

보이지 않는 차원을 계속 찾고..증명하고..

물리학이 상당히 어려워서 저도 학교다닐때 싫어했는데

사실은 정말 재미있네요. 전문용어나 그 개념을 제대로 이해못해서 어렵기는 했지만

SF 영화와 같은 이야기를 듣는것 같았어요

그리고 우리가 알고 있던 지식이 다가 아니라는것

아직도 밝혀지지 않은 차원, 공간, 우주의 비밀이 있다는걸.. 배우게 되었네요

아이에게 읽어주면서 매번 제가 새로운 과학지식들을 얻게 되네요

미국드라마를 좋아했는데 그 당시에 특정 시간이 되면 다른 차원을 넘나들게되고 그 비밀을 풀기위한 드라마가 있었는데

저는 이번 단행본 보면서 그 드라마가 참 많이 생각이 났네요

부모우주, 자식우주가 있다는것도 처음알았고.. 무 라는것이 실제로는 존재하지 않을거라는것도 배웠네요

내용이 너무 방대하다보니 한번에 다 정리하지 못하고 타이틀만을 소개했어요

열거된 타이틀에 관심을 가지고 있는 아이라면 뉴턴 과학 잡지를 통해서 직접 자신의 궁금증을

풀어보게하는것도 스스로 공부할 수 있도록 만드는 하나의 방법같아요

그리고 이제 뉴턴에서는 뉴턴앱이라고 출시되어서

다양한 과학기사들을 앱을 통해서 만나 볼 수 있는데요

언제 어디서든, 그리고 VR을 통해 더 멋진 영상을 확인할 수 있으니 많은 도움이 되실거에요

오늘 뉴턴앱에 들어가보니 감사이벤트 하더라고요

뉴턴앱 회원가입 감사 추첨 이벤트

기간은 12월 1일 ~ 12월 31일 까지

기간중에 유료 컨텐츠 (100포인트 이상) 구매 회원 대상으로 구매시 자동응모 된다고 하네요

1등이 무려 신세계 상품권 10만원 이라니..

보고 싶거나 소장하고 싶던 유료 컨텐츠 구매후 응모해볼만하네요~

휴대폰 기종마다 앱 설치 URL이 다르니 본인에게 맞는 앱으로 설치하시면 될것 같아요

아이폰 앱 설치 : https://itunes.apple.com/kr/app/newton/id1295604050?mt=8

안드로이드 앱 설치 : https://play.google.com/store/apps/details?id=inewton.lusoft.android