과학잡지추천 뉴턴 그래픽잡지, 우주를 파괴하는 진공붕괴

Newton 뉴턴 2018.3
뉴턴 편집부 지음 / 아이뉴턴(월간지) / 2018년 2월

과학잡지추천 뉴턴 그래픽잡지,

Newton 2018.3

은하와 별들,  원자까지 모든 것이 붕괴할 수 있다

우주를 파괴하는 진공 붕괴

중학생 과학잡지 뉴턴 그래픽 잡지로

중학교 과학교재 내용으로 먼저 살펴보았어요. 

Netwon 2018.3월호에서는

우주의 물리 법칙이 교란되어 원자도 붕괴된다

은하와 별들, 원자 하나하나까지 우주의 모든 구조가 붕괴할

수도 있다...는 내용으로 진공 상태가 극적으로 변함으로써

물리 법칙이 바뀌는 '진공 붕괴'라는 현상이 무엇인지

하나씩 파헤쳐 갈 수 있도록 해줍니다.

과학 잡지 뉴턴에서는 목차에서

2018.3월호에서 어떤 주제를 다루는지

미리 살펴볼 수 있습니다.

뉴턴 과학잡지는 천문학, 의학, 전기 화학, 지구 과학,

환경 과학, 유체 역학, 생물학, 고고학 등과

같이 과학 전분야에 대한 내용을 다루며

배경지식을 넓혀갈 수 있도록 해줍니다.

본격적인 과학 배경지식을 보기전에

'테셀레이티드 페이브먼트', '모에라키 볼더스'의

멋진 풍경을 보여주며 시각적으로 힐링하게 해주네요.

Newton Special 우주를 파멸로 이끄는 진공 붕괴

우주의 물리 법칙이 교란되어 원자도 붕괴된다.

미래의 어느 날... 은하와 태양을 비롯한 별들, 그리고 원자 하나하나까지

우주의 모든 구조가 붕괴할 수도 있다...' 이런 가설이 소립자 물리학자

사이에서 거론되고 있다.

2012년 세계 최대의 가족기 'LHC'를 이용한 실험에서 질량의 기원에

관계된 소립자 '힉스 입자'가 발견되었다. 힉스 입자의 성질을 꼼꼼히

살펴나간 결과, 진공 상태가 극적으로 변함으로써 물리 법칙이 바뀌는

'진공 붕괴'라는 현상이 일어날 가능성이 제기되었다.

진공 붕괴가 일어나면 우주의 모습은 어떻게 될 것인가?

진공붕괴는 막을 수 없을까? 우주를 파멸로 이끄는 진공 붕괴의

수수께끼를 밝힌다.

일반적으로 '진공'이란 대기압보다 기압이 낮은 상태를 가리킨다.

하지만 본래 의미의 진공이란 '물질이 존재하지 않는 공간'이라고

할 수 있을 곳이다. 그렇다면 밀폐한 용기에서 공기나 미세한 먼지 등의

물질을 모조리 제거하면 그 공간을 '진공'이라고 할 수 있을까?

공간에서 기체 분자와 먼지, 더 나아가 빛과 같은 온갖 물질을

제거한 다음에는 무엇이 남을까? 모든 것을 제거한 텅 빈 공간

이라도 어떤 이유에서인지 에너지가 남는다고 한다.

더 이상 제거할 수 없는 가장 낮은 에너지 상태의 것을

'진공 에너지'라고 한다.

제거할 수 없는 이 에너지가 '진공 붕괴'를 일으키는 중요한 열쇠가 된다.

​

아인슈타인이 제창한 일반 상대성 이론에 의하면,

'중력'이란 '공간의 휘어짐'에 의해 생기는 힘이다.

즉 거대한 중력원인 블랙홀 주변에서는 공간이 크게 휘어진다.

최근의 연구에서는 원시 블랙홀을 핵으로 해서

블랙홀과 중심이 일치한 '진짜 진공의 거품'이 생겼을 경우,

블랙홀이 호킹 복사로 증발하는 것보다 빨리

'진짜 진공의 거품'이 우주로 퍼져 나갈 가능성이 있다고 한다.

그런데 원시 블랙홀이 정말 존재하는지,

설사 존재한다고 해도 원시 블랙홀이 우주에 어느 정도

존재하는지는 알려지지 않는다.

그래서 원시 블랙홀을 핵으로 한 진공 붕괴에 의해,

어느 정도의 빈도로 우주가 삼켜질지 정확하게는 알 수 없다.

우주는 진공이라는 '토대' 위에 있는 여러 가지 입자에 의해

성립된다. 그러면 진공 붕괴에 의해 '토대'인 진공의 성질이

극적으로 바뀐다면 우주의 모습은 과연 어떻게 될까?

진공붕괴가 발생했을 경우 우주 공간에는 터널 효과에 의해

지금까지의 우주와는 전혀 성질이 서로 다른 공간이 갑자기

나타날 것이다. 그러나 지금까지의 연구 결과, 우주 초기에

발생한 진공의 상전이에서는 조금씩 연속적으로 진공 상태가

변해서 현재의 모습으로 자리 잡았을 가능성이 높다고 생각된다.

실은 이런 평온한 변화를 진공붕괴라고는 하지 않는다.

'반사반생'의 고양이는 존재하는가?

'양자론(양자 역학)'은 원자나 전자 등 미시 세계 입자의 움직임을

설명하기 위한 이론이다. 양자론의 내용에는 아주 불가사의한

고양이가 자주 등장한다. 바로 '슈뢰딩거의 고양이'이다. 이 고양이는

살아 있으면서 동시에 죽어 있다고 한다. '반사반생(半死半生)' 상태 등

있을 수 없는 것처럼 생각되지만, 근년에 실로 여러 가지 거시적인 물질

에서 그와 동등한 상태가 확인된다.

새로운 시리즈 '양자의 세계'에서는 신기한 양자론의 개념에 대해

매회 하나의 주제를 집중 분석한다. 제 1회에서는 수수께끼 같은

슈뢰딩거의 고양이를 주제로 양자론의 독특한 '해석'을 알아본다.

양자론(양자 역학)이란 원자나 전자 등 미적인 물질의 움직임을

설명하기 위해 만들어진 물리학 이론이다. 실은 전자 등은 슈뢰딩거의

고양이의 '생'과 '사'처럼 복수의 서로 다른 상태를 동시에 취할 수 있다는

사실이 실험을 통해 밝혀졌다.

고양이 같은 큰 물체도 복수의 서로 다른 상태를 동시에 취할 수 있을까?

상자 안을 들여다본 순간 고양이의 생사가 정해진다는 일이 과연

가능할까? 슈뢰딩거의 고양이는 이와 같은 의문을 우리에게 제기한다. ​

슈뢰딩거의 고양이 실험에서 '고양이의 생사가 정해지는 순간'은

엄밀하게 어느 시점일까? 1960년대에 이 물음에 대해 미국의 물리학자

유진 위그너는 고양이의 생사가 정해지는 것은 의식을 가진 관측자가

생사를 인식했을때라고 주장했다.

관측자의 뇌에서 고양이의 생사가 판단되기까지 생사는 확정되지

않는다는 것이다. 이 극단적인 해석은 '그렇다면 인류가 등장할 때까지

우주 전체의 상태는 확정되지 않았는가?' 또는 '고양이는 의식을 가진

관측자가 아닌가?' 등의 큰 비판을 받았다.

양자론의 '표준적인 해석'에서는 복수의 상태가 중첩되어 있다가

'관측'이 일어진 시점에서 하나로 정해진다고 생각한다.

단, 언제 '관측'이 이루어졌다고 간주할지는 애매하다.

슈뢰딩거의 고양이의 사고 실험으로 말하면, 방사선이 나오고 나서

관측자에게 고양이의 생사가 인식되기까지의 어느 시점에서

관측이 이루어졌는지 확실하지 않다.

또 표준적인 해석에서는 수축이 일어나는 메커니즘에

대해서도 명확한 설명이 이루어지지 않았다.

그래서 양자론(양자 역학)의 기본이 되는 식(슈뢰딩거 방정식)에서는

애당초 수축이라는 개념은 들어 있지 않다.

그래서 수축이라는 개념을 사용하지 않고 양자론의 불가사의한

현상을 설명하려는 견해가 등장했다.

그중 하나가 '다중 세계 해석'이다.

 

수수께끼에 싸인 만타를 찾아서

'날개'를 펼치고 느긋하게 헤엄치는 바다의 '아이들'

'만타'는 부드러운 성격과 우아하게 헤엄치는 아름다움으로 다이버의

인기를 독차지한다. 만타라고 불리는 물고기에는 세계 최대의 가오리인

'쥐가오리'와 그보다 약간 작은 '모불라 알프레디(학명)' 2종이 있다.

2009년까지 이들 2종은 같은 종으로 여겨져 모불라 알프레디라는

분류는 존재하지 않았다. 전세계 바다에서 모불라 알프레디의 수수께끼에

싸인 생태를 추적한다.

일반적인 만타의 등은 검고 배는 희다. 사진처럼 배도 검은 개체를 '블랙 만타'라고

하는데, 만날 수 있는 해역이 제한된 희귀한 개체이다.

포식에 열중하는 만타에게 초광각 렌즈로 접근 촬영을 시도했다.

렌즈 속의 피사체는 다가오는 우주선을 연상시켰다.

만타의 입 속에 보이는 검은 부분은 해면 같은 조직으로 이루어진 5쌍의 아가미이다.

이 아가미를 사용해 바닷물에서 크릴 등의 동물성 단백질만 걸러서 먹는다.

더 많은 먹이가 입 속으로 흘러들어오도록 입의 양쪽 끝에서 뻗은 지느러미로 움직인다.
 

수수께끼에 싸인 만타의 생태 중에서도 가장 흥미로운 행동을 만났다.

그것은 마타의 배변과 동시에 이루어지는 '장 세척'이다.

사진처럼 원통 모양의 장이 뒤집히면서 밖으로 튀어나와, 배설물을

배출하고 장의 안쪽을 바닷물로 씻는다. 굵고 짧은 장이 리듬을

타듯 몇 차례 튀어나오면서 장을 세척한다.

 

철저 해부 면역 시스템 제2회

알레르기의 정체

화분증은 면역계의 '폭주'로 일어난다.

'면역 시스템'은 세균이나 바이러스 같은 외적으로부터 몸을

지키기 위한 정교한 메커니즘이다. 그러나 이 면역 시스템이 일단

'폭주'하면 아토피나 기관지 천식 같은 '알레르기'를 일으킨다.

특히 일본에서는 3~4명 가운데 1명은 화분증(꽃가루 알레르기)에

걸려 있을 정도로 '국민병'이라고 한다. 일본에서는 그만큼

화분증이 문제를 일으키고 있는 셈이다.

​

맑고 기온이 높은 날이나 공기가 건조하고 바람이 강한 날은

꽃가루가 잘 날아다닌다. 또 도시 부근에서는 정오 전후나

해가 진 후에 특히 꽃가루의 양이 많다고 한다.

이는 오전 중에 삼나무 숲에서 날아온 꽃가루가 해질 무렵 지상으로

떨어지기 때문이라고 생각된다.

알레르기나 자가 면역 질환이 선진국에서 늘어나는 이유는 무엇일까?

최근 화분증에 대한 흥미 있는 연구가 보고되었다. 보통 꽃가루보다

'도시 꽃가루'가 화분증 증상을 악화시킨다는 것이다.

그리고 그 이유는 '도시의 꽃가루'에는 배기가스가 포함된

'디젤 분진'이 붙어 있기 때문이라고 생각된다.

그렇다면 알레르기에 어떻게 대처하면 좋을까? 화분증에 대해서는

꽃가루가 날리기 2주일 정도 전부터 항알레르기제를 계속

복용하면 비염 증상이 억제되는 것으로 밝혀졌다.

또 아토피 대책에 대해서는 무엇보다 중요한 것이 피부 관리이다.

과학잡지 뉴턴 그래픽잡지에서는 전문지식을

통한 새로운 정보는 물론 우리 일상생활과 관련된

과학적 지식도 알아갈 수 있도록 담고 있네요.

그래픽 잡지라는 명성에 맞게

뉴턴 과학잡지에 담긴 사진 하나하나 생생하고

선명해서 직접 보지 않아도 관찰하는데

큰 도움을 주는 것 같네요.

빠르게 변화하고 있는 과학 산업에

아이들이 빠르게 대처하고 반응할 수 있도록

뉴턴 과학잡지 그래픽잡지 읽히면서

배경지식을 많이 쌓아두면 도움이 많이 될 것 같네요.