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  1. 2010.11.05 E = mc2이 도대체 뭐야?? (6)

E=mc2
카테고리 시/에세이 > 인물/자전적에세이 > 과학자
지은이 데이비드 보더니스 (생각의나무, 2005년)
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아인슈타인이 이끌어낸 유명한 과학공식.
그 이름~!   E = mc2

그런데 대체 이것은 뭘까? 상대성이론인가?
E = mc2
에너지 = 질량 x 빛의속도의 제곱이란 뜻이다.


◎왜 속도에 제곱을 하는 것일까?
당신이 독서용 램프를 향해 2배 정도 가까이 간다고 할 때, 책장에 비친 빛을 2배 정도 밝아지지 않는다.
스흐라베잔데의 실험 결과처럼 빛의 강도는 4배로 증가한다.
다른 예를 들자면, 도로에서 20mph의 속력으로 가다가 80mph로 속력을 높이면, 당신이 내는 속력은 4배가 된다. 하지만 브레이크를 밝고 차를 세우는 데도 단지 4배의 거리로 충분할까? 차에 축적된 에너지는 4의 제곱. 즉 16배만큼 커질 것이고, 그 크기만큼 차가 미끄러지고 나서야 정지하게 될 것이다. p.101

빛의 속도를 따라잡다?
태양계는 너무나 넓어서 어떤 은하를 가려면 빛의속도로 몇만년을 가야한다고 하는데, 나는 과학이 발전하면 빛의 속도를 따라잡을 수 있을 줄 알았다. 근데 우리가 인식하는 빛이란, 서로를 밀어주면서 앞으로 나아가는 전기와 자기의 상호작용을 통해서만 생성된다. 그렇기 때문에 빛은 정지 상태에서는 존재할 수 없으며, 그래서 결코 우리는 그것을 따라잡지 못한다.
우리는 이것을 잘못 이해하기 쉽다. 만약 666,999,999mph의 속도로 비행하는 사람이 있다고 할 때, 연료를 좀더 보충한다면 속도를 더 낼 수 있지 않을까? 그래서 670,000,000에 도달하고 다시 670,000,001이 되어 빛의 속도를 능가할 수 있지 않을까?
이에 대한 대답은 '그렇지않다'이다. 그리고 그것은 우리 기술력의 한계 때문이 아니다.
빛은 단순한 숫자가 아니라 물리적인 과정이라는 점을 인식해야 한다. 만약 내가 -273이 가장 작은 수라고 말한다면? 당신은 틀렸다고 말할것이다. -274가 더 작고 -275가 더 더 작고... 하지만 온도에 대해 생각해보자. 즉, 입자들의 움직임이 완전히 멈추는 시점이 바로 절대온도인 -273도로써 숫자 자체는 더 내려갈 지 모르지만 물리적인 현상은 그럴 수 없다. 빛도 마찬가지다. 670,000,000mph라는 숫자는 빛의 본질에 대한 진술이며 물리적인 실체이다. 빛은 항상 자기에서 전기로 재빨리 전환하며, 또 전기에서 자기로 재빨리 전환한다. 그래서 그것을 따라잡으려는 어떤 것으로부터도 도망쳐갈 수 있게 된다. 그래서 빛의 속도는 속도의 상환이 되는 것이다.


그게 뭐 어쨌는데?

그게 어떤 영향을 끼친다는거야?


성능이 뛰어난 우주선이 빛의 속도와 비슷하게 날고 있다고 가정해 보자. 일반적인 상황에서는, 엔진에 연료를 가하면 속도가 증가할 것이다. 하지만 그것이 빛의 속도에 거의 근접한 경우라면 문제가 다르다. 우주선은 더 이상 빨리 나아갈 수 없다. 조종사는 이 사실을 모르고 우주선의 속도를 높이기 위해 연료를 계속 가해보지만 그는 자기 앞에 있는 광선이 여전히 c의 속도를 유지하며 앞으로 나가고 있음을 보게 된다. 아무리 최선을 다해도 우주선의 속도를 증가시킬 수 없다. 왜냐하면 어떤 것도 빛보다 빠를 수는 없기 때문이다. 그렇다고 에너지가 그냥 사라져버리는 것은 아니다.

결론부터 말하면 초과 주입된 에너지는 '압축되어' 질량으로 변한다. 밖에서 보면 우주선의 질량이 증가하기 시작한다. 처음에는 약간 늘어나는 것에 불과하지만, 계속 에너지를 쏟아 붓는다면 질량은 계속해서 증가할 것이다.
이에 대한 근거는, 작은 양성자에 에너지를 주입하면 점점 더 빠르게 움직이기 시작해 거의 빛의 속도에 근접할만큼 빨라진다. 이를 관찰하면 실제로 양성자의 질량이 변하는 것을 보게 될 것이다. 양성자는 처음보다 2배, 3배… 에너지가 주입됨에 따라 계속 질량이 커진다.
양성자 실험이나 우리가 머릿속에서 그려보았던 우주선의 경우에서 보듯 그 안에 주입된 여분의 에너지는 질량으로 변하게 된다. 아인슈타인의 공식이 보여주는 그대로다. 곧, E 는 m이 되고, m은 E가 될 수 있다.  p. 79~82


에너지와 질량이 서로 바뀔 수 있다.

'질량이 속도의 터널을 지나면 거대한 에너지로 전환된다' 



라부에지에는 '질량보존의 법칙'을, 패러데이는 '에너지보존의 법칙'을 발견했다.
수백년동안 에너지와 질량은 서로 다른 영역이며 아무런 관계가 없다고 생각했었다.

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아인슈타인은 빛의 속도를 이용해서 에너지와 질량을 연결시켰다.
아인슈타인의 연구는 18세기, 19세기의 과학자들이 한때 완전하다고 생각했던 두가지 보존의 법칙의 궁극적인 확장이었다.
에너지와 질량 사이에는 자연스러운 전이가 발생할 수 있으며, 앞의 우주선의 예에서 보듯, 빛의속도(c)가 그 둘을 연결하는 환산 인자라는 사실을 아인슈타인말고는 아무도 감지하지 못했던 것이다.!!!                                    



◎원자폭탄은 어떻게해서 만들어지게 된 것일까?
물리학자들은 계속해서 원자의 세계를 열어나갔고  E = mc2이 말하는, 압축되고 얼어붙은 에너지를 어떻게 방출할 수 있는지 알아냈다. 그들은 핵을 발견했고 곧이어 핵 속을 들락날락할 수 있는 중성자라 불리는 입자를 발견했다. (중성자를 천천히 들여보낼 수 있는 기술을 이용하면 에너지를 얻기가 더욱 쉬웠다.) 그리고 여분의 중성자를 우라늄과 같이 입자들이 과포화 상태인 원자 속으로 들여보내면, 핵 전체가 비틀거리다가 떨기 시작하고, 끝내 폭발한다는 것도 알아냈다. 이런 현상이 일어나는 이유는 핵 속에서 강력한 전기를 띤 물질들이, 스프링이나 아교의 역할을 하는 강한 핵력에 의해 지탱되고 있기 때문이다. 이것은 마이트너가 알아낸 원리이다.
여분의 중성자 하나가 핵을 진동하도록 했을 때, 스프링은 무너지고 내부는 격렬한 에너지 때문에 산산조각 난다. 폭발 전후의 무게를 모두 재어보자. 흩어진 파편들의 무게가 뭉쳐 있을 때보다 가볍다는 것을 알게될 것이다.
사라진 질량은 어디로 갔을까? 그것은 정말로 사라진 것이 아니라 입자들이 고속 탈출하는 데 필요한 에너지로 변한 것이다. 공식대로 그 사라진 질량이 c2(빛의 속도의 제곱)의 막강한 도움을 받아 질량의 450,000,000,000,000,000배(mph2의 단위로)에 달하는 에너지로 전환된다는 것이 입증되었다. 그것은 불길한 발견이었다. 이제 이론상 누구든지 중성자를 이용하여 원자 핵을 깨뜨릴 수 있게 되었고 그것은 위험한 에너지 폭발로 이어지기 때문이다. 때는 1939년… 세계가 최대의 전쟁을 막 벌이려고 하는 시기였다. p.156-157




◎태양의 원동력은 무엇일까?
처음에는 태양이 철로 되어있다고 믿어왔는데 여성 과학자 '페인'에 의해 태양은 '수소'와 '헬륨'으로 이루어져 있다는 것이 밝혀졌다.
수소 핵이 빽빽이 압축되어 있는데 여기서 4개의 수소 핵이 압축될 때 어떤일이 발생할까?
4개의 수소 핵의 질량은 1+1+1+1 로 쓸 수 있다. 하지만 그것들이 결합해서 헬륨이 되면 그 합은 4와 일치하지 않는다. 헬륨의 핵을 정밀하게 재면 4개의 수소 핵보다 약 0.7퍼센트가 작다. 즉 3.993밖에 안된다. 그 잃어버린 0.7퍼센트가 휘몰아치는 에너지로 분출되는 것이다.!!!
그것은 대단치 않은 숫자로 보일 수 있지만 지구보다 몇천 배나 큰 태양에서는 엄청난 부피를 가진 수소가 연료로 이용된다. 일본에 떨어진 폭탄은 우라늄이 핵분열하는 과정에서 불과 몇십 그램의 질량이 에너지로 변환되었지만, 도시 전체를 파괴시켰다. 태양은 그보다 훨씬 강력한 힘을 가지므로 매초마다 400만톤의 수소를 핵융합함으로써 막대한 에너지를 방출하고있다.


 E = mc2 이용되고 있는 예
 E = mc2이 생성하는 고도의 마찰열을 이용해 터빈을 돌리는 거대한 원자력 발전소가 건설되었다. 발전소에서는 핵 폭발이 수반되지 않는 폭발을 한다 하더라도 매우 위험할 수 있다. 그리고 모든 원자력 발전소는 방사능 잔여물을 처리해야 할 무거운 책임이 있다. 하지만 현재 프랑스에서는 정부가 그 책임을 떠맡고 있고 원자력 산업에 반대하는 법정 소송을 인정하지 않는다. 프랑스는 전력의 약 80퍼센트를 원자력에 의존하고 있다. 에펠 탑에 불이 켜지면, 과거 히로시마에서 일어났던 우라늄 원자의 폭발이 천천히 재개되고 있는 것이다.

가정) 부엌 천장에 꽉 조여져있는 연기 탐지기 안에는 보통 방사성의 아메리슘이 들어 있다. 탐지기는 아메리슘에서 질량을 빨아들여 공식과 정확히 일치하는 양의 에너지를 생성한다. 그 에너지가 연기에 민감한 전하를 띤 입자다발을 만들어내고 이 과정을 몇 달이고 몇년이고 지속한다.

상가, 극장, 아파트)에 설치되어 있는 비상구 표시등은 일상적인 전력에 의존할 수 없다. 화재로 전기가 나가면 표시등 역시 사라질 것이기 때문이다. 그래서 방사성의 트리튬을 표시등 안에 설치한다. 불안정한 트리튬은 끊임없이 질량을 잃으면서 대신 반짝이는 유용한 에너지를 발생시킨다.

병원) PET(Postron Emission Tomography, 양전자 방출 단층 촬영)라고 알려진 강력한 화상 기구 안에서, 환자들은 산소의 방사성 동위원소를 들이마신다. 원자의 핵은 특정 부위에서 붕괴되고, 줄어든 질량에서 나오는 에너지 광선이 엄청나게 빠른 속도로 몸 밖으로 방출되면서 PET에 기록된다. 그 결과에 따라서 종양이나 혈액의 흐름, 신체 내 약물이 흡수된 정확한 지점을 판독할 수 있다. 이를테면 대뇌에서의 항우울제 작용도 이런식으로 자세히 밝혀낼 수 있다. 암 치료를 위해 사용되는 방사선 치료 물질인 코발트는 미세한 양으로 종양에 쬐어진다. 코발트 핵이 파괴되면서 질량이 줄어들게 되고 그 결과 생성되는 에너지는 암세포의 DNA를 파괴할 수 있는 힘을 가지고 종양을 향해 돌진한다.

여객기)의 유리창 바깥에서는 불안정한 탄소의 동위원소가 끊임없이 형성된다. 이 물질은 대기로 들어오는 우주 광선에 의해 생성되는데, 우주 광선 중에는 아주 먼 은하계 끝에서부터 오는 것도 있다. 우리는 일생 동안 그 물질을 마시고 있다. 예민한 '가이거 계수기'를 손으로 쥐어보라. 그러면 자동표시기에서 클릭 소리가 나면서 숫자를 가리킬 것이다(가이거 계수기에서 나는 소리는 그때마다  E = mc2의 작용이 일어난다는 표시이고 그 작용은 새로운 탄소 원자의 불안정한 핵이 베타 붕괴를 통하여 전자를 방출함으로써 일어난다). 하지만 우리가 숨을 멈추면- 혹은 나무가 죽거나 식물이 더 이상 자라지않으면- 더이상 신선한 탄소는 들어오지 않고, 클릭 소리도 점점 희미해져간다. 이 불안정한 탄소가 그 유명한 C- 14이며 이것은 고고학계에 대대적인 혁명을 일으켰다. 탄소 연대 측정을 통해 연대를 정확히 추정할 수 있기 때문이다.







빅뱅 - 우주 창조의 가장 처음 순간. 우주는 엄청나게 조밀했고 엄청나게 압축되어 있었다. 그 높은 밀도는 거대한 양의 방사선이  E = mc2의 'E' 쪽에서 'm'쪽으로 밀어넣어졌음을 의미한다. 순수한 에너지로부터 우리가 익숙한 일반적인 물질들이 형태를 얻고 궁극적으로 우리가 아는 별과 행성과 생명체의 형태들을 창조했다. 우주의 종말은 우주가 시작되었을 때와 완전히 자리가 바뀐 모습일 것이다. 그때는 남아있는 모든 물질은 'm' 쪽에서 애초의 'E'의 자리로 여행을 떠나게 될 것이다. 최후의 질량은 에너지만을 남겨두고 사라져가게될 것이다. 그때 존재하는 것은 우리가 상상할 수도 없는 공간 위에 흩어져 있는 방사선이다. 앞으로

       100
10    년 이상이 지나면 말이다. ^^ㅎ






알베르트 아인슈타인 [Albert Einstein, 1879.3.14~1955.4.18] 
 
독일 태생의 이론물리학자.

광양자설, 브라운운동의 이론, 특수상대성이론을 연구하여 1905년 발표하였으며,

1916년 일반상대성이론을 발표하였다.

아인슈타인은 수학을 잘 못해서 조금?고생했다고한다.

 



 
Posted by 임토리

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  1. 창조리 2010.11.05 07:18 Address Modify/Delete Reply

    메롱금지 슈타인님

  2. 초짜 2011.02.04 20:17 Address Modify/Delete Reply

    음.. 램프를 2배 가까이 하면 빛의 세기(에너지)가 4(2의 제곱)배가 된다고 했죠
    그러면 2배 가까이 한 거리가 c가 되는건가요?.. c는 빛의 속도만 말하는 것이 아닌가요?
    이해가 안되요..ㅠ

    • 임토리 2011.02.05 21:07 Address Modify/Delete

      안녕하세요~ 정확히는 모르지만 그래도 조금이라도 도움이 되고자 글을 남깁니다. 네~ 다 빛의 속도에 포함되는 것 같아요. 빛의속도하면 추상적으로 빛의 질주만 생각하게되는데 램프를 향해 2배 가까이간것도 공식에 대입을 해보자면 빛의속도에 해당되는것같습니다. 답변을 드리면서 저도 갑자기 궁금해지는게 빛은 무조건 태양의빛만 해당되는가도 궁금해지는군요.. 어쩌면 스흐라베잔데의 실험을 자세히 읽어보시면 도움이 될수도 있을것같군요. 그 부분이 길어서 아마도 제가 생략해서 블로그에 내용을 올린것같습니다. 기회가 되면 이 책을 읽어보시면 좋을 것 같아요^^

  3. 초짜 2011.02.08 13:01 Address Modify/Delete Reply

    스탠드 빛의 질량은 같고 거리가 2배 가까워져서 세기가 세져야하는데 E=mc^2의 공식에 대입하면 그 가까워진 거리 2배가 c에 대입되서 빛의 세기가 2의 제곱(가까워진 거리의 배의 제곱)배 세진다는 얘기인데.. 거리가 c가 될 수 있는건지 이해가 안되더라구요..ㅠ

    스흐라베잔데의 실험을 한번 자세히 읽어봐야겠어요^^

  4. 수영이 2011.03.18 16:20 Address Modify/Delete Reply

    자동차는 어느정도의 속도로 달리면 현재 길이의 1/2만큼 줄어드나요??