[알라딘서재]˝빛에 무게가 있다˝

˝빛에 무게가 있다˝ｌ과학

blueyonder l 2021-01-04 17:02

https://blog.aladin.co.kr/746092183/12276487

"빛에 무게가 있다"라는 말은 기억의집 님께서 지적하신 대로 엄밀하게는 틀린 말입니다. 혹시나 해서 원서를 찾아보니 "light has weight"라고 나옵니다. weight를 이탤릭으로 강조하면서 빛이 중력에 의해 휘어진다는 것을 비유적으로 적지 않았나 합니다. 먼댓글만 허용되어 제 서재에 페이퍼로 올립니다.

상대성이론, 물리학

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북다이제스터 2021-01-04 19:28 좋아요

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혹시 광자는 무게가 없는데 빛은 무게가 있는 거 아닐런지요. 저도 항상 궁금했던 것이라서 여쭙습니다. E=mc^2에 따라 광자가 빛의속도로 이동하면 에너지가 질량화 되었다고 생각하면 잘못된 것일까요?^^ 그래야지 빛이 태양같이 중력이 큰 별 옆을 지날 때 질량화 되어야 휘는 것 아닐까요?
고견 부탁드립니다. ^^

기억의집 2021-01-04 19:01 좋아요

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이거 제가 설명해 드릴께요. 동아시아 출간 사이언스 빌리지에 이런 말이 있어요.

실제 빛은 질량을 가지지 않는 파동의 성질을 갖는 전자기파이며 질량이 0이기 때문에 에너지만 가지는 빛 자체는 질량으로 전환되지 않는 것으로 밝혀졌어, 빛이 물질에 에너지를 주면 그 에너지를 받은 물질은 에너지를 질량 단위로 변환할 수 있지만 빛 자체는 질량이 없단다. 라고요!!

빛이 질량을 가지면 30만 킬로미터를 갈 수 없다고 해요. 혹 이 책 읽어보시면 더 자세히 나와 있어요~

북다이제스터 2021-01-04 19:17 좋아요

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답변 감사합니다. 혹시 “실제 빛은 질량을 가지지 않는 파동의 성질을 갖는 전자기파” = 광자 아닌가요? ^^

기억의집 2021-01-04 19:50 좋아요

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아 .. 전자기파안에 광자가 속해 있는 거죠. 전자기파가 빛인데 빛이 입자(광자)이자 파동의 성질 다 가지고 있거든요~

blueyonder 2021-01-04 19:56 좋아요

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제가 아는 대로 말씀드려 보겠습니다. 일단 E = mc^2에 나오는 질량 m은 속도에 따라 달라지는 질량입니다. 이 식을 정지질량 m0를 이용하여 나타내면 E^2 = p^2 c^2 + m0^2 c^4으로 나타내집니다. 광자는 정지질량이 0입니다. 그래서 (E^2 = p^2 c^2에서 양변에 제곱근을 취해서) E = pc 라고 적습니다. 광자는 정지질량은 없지만 운동량과 에너지는 갖는다는 얘기지요.
원래, 파동에 대해서 에너지와 운동량은 정의해도 질량은 정의하지 않습니다. 매질이 있는 역학적 파동(예컨대 음파)도 마찬가지입니다. 빛(전자기파)은 역학적 매질이 없는 파동입니다. 빛 알갱이인 광자는 정지질량이 0인 정말 기묘한 입자입니다.

태양과 같이 질량이 큰 물체 옆을 지날 때 빛이 휘는 것은, 물체의 질량과 빛의 ‘질량‘ 사이에 뉴턴의 만유인력 법칙이 작용하기 때문이 아니라, 물체 주변의 시공간이 일반상대성이론이 예측하는 바와 같이 휘어지기 때문이라고 설명합니다. 빛은 여전히 ‘직선‘으로 진행하지만 빛이 진행하는 시공간 자체가 휘어져 있기 때문에 결국 빛이 휘어진다는 것이지요. 물론 상상은 잘 안 됩니다. ^^ 물체에 의해 휘어진 4차원 시공간이 어떤 모양인지, 차원을 줄여서 나타낸 것들을 인터넷에서 찾아보실 수 있습니다. 부족한 설명에서 조금이라도 도움을 얻으셨기를 바랍니다. ^^

북다이제스터 2021-01-04 20:11 좋아요

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명쾌한 설명 정말 감사합니다. 알듯말듯한 부분은 여전히 제 무지입니다. 책 더 읽고 정진하겠습니다. ^^

기억의집 2021-01-04 20:32 좋아요

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저녁밥 차려주느냐고 짧게 답변해 드렸는데요. 빛이 전자기파이고 전자기파가 빛입니다. 빛(전자기파)은 입자(광자)이자 파동의 성질 두 가지 다 가지고 있는데요, 아인슈타인이 진짜 천재인게 빛의 입자인 광자가 광전효과를 가지고 있다는논문을 써요. 이 발상 자체가 진짜 굉장한 거거든요. 이 광자에 관한 광전효과에 대한 논문을 읽고 티비가 만들어졌어요. 저는 아인슈타인 광팬인데, 읽을면 읽을수록 전대미문의 천재라는 생각밖에 안 들어요~

북다이제스터 2021-01-04 21:28 좋아요

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제가 읽은 <질량의 기원>에는 이런 글이 적혀 있습니다. 참고로 제가 다음 글을 결코 다 이해한 것은 아닙니까. ^^

물체의 속도가 광속에 비해서 작을 때는 양자(일정한 관계에 있는 두 개의 사물)는 거의 같은 값을 보이지만, 물체 속도가 커짐에 따라서 근사식과 크게 어긋난다. 그리고 물체 속도가 광속이 되었을 때 운동에너지는 상대론적으로 취급하면 무한대가 된다. 특수상대론의 에너지에 대한 관계식은 정지질량과 정지에너지가 비례하는 것을 의미하고 있다. 결국 적절한 수단이 있으면 질량과 에너지는 서로 전화(질적으로 바뀌어서 달리 됨)할 수 있는 것이다.

여기까지 오면 현상은 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 즉 빛은 질량이 제로여도 에너지를 가질 수 있고, 그 에너지가 전자와 양전자의 질량으로 전화했다고 생각하면 이치에 맞는다. 소립자반응에서는 질량 제로(빛)로부터 유한의 질량(전자와 양전자)이 생기거나 그 반대의 현상이 일어나거나 한다. 아무튼, 에너지와 질량은 서로 전화하는 것이기 때문에 반응의 전후에서 질량만을 고려하고 있다가는 생각이 뒤떨어진다. 오히려 질량은 에너지의 하나의 모습이라고 생각하면, 반응을 통해서 불변인 양은 상대론적으로 기술한 <전체에너지, E>라는 것이 된다. 물체가 정지질량을 갖지만 속도가 광속에 접근하면 급속히 커져서 v=c에서는 무한대가 된다. 결국 질량이라는 물질에 고유의 양이라 하여도 그것은 결코 불변의 양은 아니고 물체의 속도에 의존해서 얼마든지 증대하는 것이다.

광자는 전자기파의 입자적인 묘상이다. 이러한 것으로부터도 광자의 질량이 제로라는 것은 바로 알 수 있다. 만일 전자기파가 질량을 갖고 있었다면 빛 속에서 생활하는 인간은 빛의 폭탄에 시달려 몸속이 아파서 어쩔 수 없을 것이다. 사실은 ‘질량 제로‘는 게이지 입자의 가장 기본적인 성질이다. 강력자, 중력자라도 질량 제로가 아닌가. 하지만 ‘같은 게이지 입자이면서 어째서 약력이 질량을 갖는가‘라는 소박한 의문이 생길 것이다. 확실히 이 의문은 소박하지만 본질을 찌르고 있다. 게이지 입자의 질량은 제로이어야 할 것인데도 약력만이 질량을 갖는다-바로 이러한 것에 질량의 기원을 해명하는 열쇠가 잠재하고 있기 때문이다.

광자의 경우가 그러한 것처럼 게이지 대칭성이 성립하고 있으면 게이지 입자 질량은 제로다. 약력이 질량을 가질 수 있게 된 것은 대칭성이 (자발적으로) 깨진 것이다. 대칭성이 유지된다는 점은 어느 방향으로도 같은 확률로 일어난다는 의미다. 그런데 그 대칭성은 때마침 어떤 방향이 선택되었기 때문에 숨겨져 있는 것뿐이다. 이것이 ‘대칭성의 자발적 깨짐’이다. 더구나 이 경우 대칭성은 본질적으로 깨져 있지 않은 -그것은 단순히 숨겨져 있을 뿐이었다- 것이므로 게이지 이론이 가지는 특징을 그대로 유지할 수도 있다. 이 교묘한 수법 속에 질량 창조의 수수께끼가 숨어 있다.

제가 읽은 <질량의 기원>에는 이런 글이 적혀 있습니다. 참고로 제가 다음 글을 결코 다 이해한 것은 아닙니까. ^^

물체의 속도가 광속에 비해서 작을 때는 양자(일정한 관계에 있는 두 개의 사물)는 거의 같은 값을 보이지만, 물체 속도가 커짐에 따라서 근사식과 크게 어긋난다. 그리고 물체 속도가 광속이 되었을 때 운동에너지는 상대론적으로 취급하면 무한대가 된다. 특수상대론의 에너지에 대한 관계식은 정지질량과 정지에너지가 비례하는 것을 의미하고 있다. 결국 적절한 수단이 있으면 질량과 에너지는 서로 전화(질적으로 바뀌어서 달리 됨)할 수 있는 것이다.

여기까지 오면 현상은 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 즉 빛은 질량이 제로여도 에너지를 가질 수 있고, 그 에너지가 전자와 양전자의 질량으로 전화했다고 생각하면 이치에 맞는다. 소립자반응에서는 질량 제로(빛)로부터 유한의 질량(전자와 양전자)이 생기거나 그 반대의 현상이 일어나거나 한다. 아무튼, 에너지와 질량은 서로 전화하는 것이기 때문에 반응의 전후에서 질량만을 고려하고 있다가는 생각이 뒤떨어진다. 오히려 질량은 에너지의 하나의 모습이라고 생각하면, 반응을 통해서 불변인 양은 상대론적으로 기술한 <전체에너지, E>라는 것이 된다. 물체가 정지질량을 갖지만 속도가 광속에 접근하면 급속히 커져서 v=c에서는 무한대가 된다. 결국 질량이라는 물질에 고유의 양이라 하여도 그것은 결코 불변의 양은 아니고 물체의 속도에 의존해서 얼마든지 증대하는 것이다.

광자는 전자기파의 입자적인 묘상이다. 이러한 것으로부터도 광자의 질량이 제로라는 것은 바로 알 수 있다. 만일 전자기파가 질량을 갖고 있었다면 빛 속에서 생활하는 인간은 빛의 폭탄에 시달려 몸속이 아파서 어쩔 수 없을 것이다. 사실은 ‘질량 제로‘는 게이지 입자의 가장 기본적인 성질이다. 강력자, 중력자라도 질량 제로가 아닌가. 하지만 ‘같은 게이지 입자이면서 어째서 약력이 질량을 갖는가‘라는 소박한 의문이 생길 것이다. 확실히 이 의문은 소박하지만 본질을 찌르고 있다. 게이지 입자의 질량은 제로이어야 할 것인데도 약력만이 질량을 갖는다-바로 이러한 것에 질량의 기원을 해명하는 열쇠가 잠재하고 있기 때문이다.

광자의 경우가 그러한 것처럼 게이지 대칭성이 성립하고 있으면 게이지 입자 질량은 제로다. 약력이 질량을 가질 수 있게 된 것은 대칭성이 (자발적으로) 깨진 것이다. 대칭성이 유지된다는 점은 어느 방향으로도 같은 확률로 일어난다는 의미다. 그런데 그 대칭성은 때마침 어떤 방향이 선택되었기 때문에 숨겨져 있는 것뿐이다. 이것이 ‘대칭성의 자발적 깨짐’이다. 더구나 이 경우 대칭성은 본질적으로 깨져 있지 않은 -그것은 단순히 숨겨져 있을 뿐이었다- 것이므로 게이지 이론이 가지는 특징을 그대로 유지할 수도 있다. 이 교묘한 수법 속에 질량 창조의 수수께끼가 숨어 있다.

blueyonder 2021-01-04 21:04 좋아요

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저는 게이지 이론은 잘 모릅니다. ^^ 광자의 정지질량이 왜 0인지를 간단히 설명해보겠습니다. 정지질량은 물체가 정지해 있을 때 가지고 있는 질량입니다. 특수상대성이론에 따르면 물체의 질량은 물체의 속력이 빨라짐에 따라 정지질량에서부터 점점 커지며, 물체의 속력이 빛의 속력(광속)에 도달하게 되면 무한대가 됩니다. 물리적으로 질량이 무한대가 될 수는 없으므로, 정지질량이 0이 아닌 물체는 광속에 도달할 수 없고, 항상 광속으로 움직이는 광자는 정지질량이 0이어야 합니다.

북다이제스터 2021-01-04 21:07 좋아요

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제가 말씀해 주신 핵심을 잘 이해했는지 모르지만, 제 나름대로 해석하면 빛은 정지 상태에서 절대 질량을 갖을 수 없지만 광속에서 에너지가 빛의 ‘질량 같은’ 역할을 한다는 알송달송한 의미인 것 같습니다. ㅠㅠ

기억의집 2021-01-04 19:02 좋아요

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그렇군요. 빛의 휘어짐으로 유명한 실험을 왜 무게로 번역 했을까요 ? 이 번역가가 미국에서 공부한 분입니다 ...

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blueyonder l 2021-01-04 17:02

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