모든 물체는 떨린다.

떨림과 울림 - 물리학자 김상욱이 바라본 우주와 세계 그리고 우리
김상욱 지음 / 동아시아 / 2018년 11월

 우주의 모든 물체는 떨고 있으며 고유의 진동수를 가진다. 물체의 고유진동수로 그 물체에 진동을 가하면 엄청나게 진동이 증폭하는데 이것이 공명이다. TV나 라디오는 각 채널에 고유 진동수의 전파를 보내며 수신기는 그와 같은 진동수를 일치시켜 공명을 일으키는데 이 원리로 우리는 스위치로 라디오 채널과 TV채널을 수신한다. 

 전자는 양자역학에 의해 특별한 궤도에만 존재하며 이 특별한 궤도가 원자의 고유진동수의 근원이 된다. 그래서 수소원자는 특정한 주파수의 빛만을 흡수한다. 원자는 양성자의 수에 따라 종류가 정해진다. 그래서 양성자의 수에 따라 원자번호가 정해진다. 원자는 종류가 매우 다양하나 가장 먼저 생겨난 단순한 수소와 헬륨이 거의 100%를 차지한다. 원자는 92번 우라늄까진 자연생성된다. 하지만 3번부터는 자연생성이 안되며 인공물이다. 93번은 넵튬, 94번 플루토늄, 96번 퀴륨, 95번 아메리슘, 101번은 멘델레예프를 기념해 멘델리븀이다. 현재 118번 오가네슘까진 개발되었다. 

 원자 내의 전자는 특별한 반지름을 갖는 궽도에만 존재한다. 한 궤도에서 다른 궤도로는 점프로만 이동한다. 연속적 이동이 아닌 것이다. 전자는 점프를 할 때 빛을 흡수하거나 방출한다. 전자는 입자이면서도 파동의 성질을 갖는다. 우선 전자는 질량을 갖는 입자이며 그래서 한 순간 한 장소에만 존재한다. 하지만 전자를 측정하면 관측자의 영향을 받아 다른 위치로 가게 된다. 그래서 전자는 위치를 측정할 때마다 여기적시 발견되는데 이것이 전자의 파동성이다. 

 산소는 반응성이 매우 큰 원자다. 다른 원자를 만나면 바로 결합하는데 산소가 홀로 몸을 돌아다니면 그래서 문제가 된다. 다른 조직과 결함하여 몸을 파괴하기 때문이다. 그리고 이런 산소를 활성산소라 한다. 이런 위험으로 인체는 헤모글로빈이 폐를 통해 들어온 산소를 결합해서 운반한다. 나머지 원자는 그냥 혈액을 타고 이동한다. 헤모글로빈은 정확히 산소분자에 맞는 빈 공간을 가지고 있는데 문제는 이 공간이 교묘라게도 일산화탄소와도 맞는다는 점이다. 그래서 일산화탄소 중독사고가 발생한다. 산소는 포도당을 산화시켜 에너지를 발생시키는데 포도당의 전자 2개를 빼앗는다. 

 원자간 결합하면 바깥 전자의 껍질끼리 맞닿을 것 같으나 실제로는 아니다. 각 껍질의 전자들이 안개처럼 고체 전체에 스며드는데 이것이 띠이다. 그리고 도체와 부도체는 이 띠의 특성이 결정한다. 띠에 놓인 전자가 전류를 만들기 때문이다. 도체의 띠를 전도띠라 하며 부도체의 띠를 원자가띠라고 한다. 전압을 크게 하면 전류가 더 많이 흐르는데 도체에 따라 그 증가비율이 다르고 이를 전기전도도라고 한다. 그리고 이것의 역수가 저항이다. 공기는 저항이 무한대에 가깝다. 전류는 원자전체게 만든 전도띠에 전자가 있을 때 생긴다. 하나의 전자가 모든 원자의 위치에 동시에 존재하는 기괴한 양자역학적 상태다. 상태자체가 전자의 자유를 보장한다. 전자는 원자라는 규칙적인 방해물들이 있을 때는 마치 아무것도 없는 것처럼 이동할 수 있다. 즉, 저항이 없는 것이다. 하지만 규칙이 깨지면 그 때부턴 저항이 생겨난다. 고체에 불순물이 있거나 온도가 높아지면 저항이 커진다. 온도가 높으면 원자가 요동쳐 규칙이 깨지기 때문이다. 이런 저항이 없는 상태가 초전도 상태다. 절대온도0도가 도되면 저항이 0이 된다. 하지만 오히려 고온일때도 저항이 0인 경우가 있는데 이를 고온초전도라고 하며 아직 그 이론적 설명은 없는 상태다. 

 뇌터정리란게 있는데 이는 대칭이 있으면 그에 대응하는 보존 법칙이 있다는 것이다. 각운동량이 보존되는데 각 운동량은 물체의 질량, 속도, 거리를 모두 곱한 물리량이다. 시간에 대한 대치응로 에너지가 보존되며, 공간에 대한 대칭으로 운동량이 보존된다. 물리학에서는 단진동운동이 중시된다. 단진동 운동은 진자시계에서 진자의 운동으로 원운동도 옆에서 보면 단진동운동이다. 그래서 전자의 운동도 단진동운동이 된다. 파동은 단진동의 모임으로 볼 수 있다. 전파, 빛, 소리는 모두 파동이다. 즉, 모든 것은 단진동운동으로 설명이 된다. 액션-앵글 변수는 모든 운동을 단진동의 조합으로 바꾸려는 수학의 마술이다. 파동은 물질의 운동방식 중 하나가 아니라 물질 그자체의 본질일지도 모른다는 생각이 많아졌으며 그래서 진동하는 작은 끈인 초끈이론이 만물의 이론으로 꾸준히 연구 및 거론되고 있다.