[책꼽문] 책새벽-목 시즌2 : 『최무영교수의 물리학 강의』 4~7강.
모임 정리
책새벽-목
작성자
neomay33
작성일
2023-11-22 18:32
조회
805
< 1x
< 1x
< 1x
< 1x
녹색아카데미 온라인 책읽기 모임 '책새벽-목' 시즌2에서는 현재 『최무영교수의 물리학 강의』를 읽고 있습니다. 매주 읽는 내용 중 참여하시는 분들이 꼽아주신 책꼽문과 질문을 모아 이곳에 정리해두려고 합니다. 책 읽으시는 데 참고해주시고요, 모임 공지는 웹사이트 맨 위 '일정' 메뉴를 참고해주세요.
< 1x
4강. 물리학의 분야
p.109.
물질을 다루는 물리학의 대상은 사실상 모든 자연현상으로서, 물질을 구성하는 궁극적 기본입자부터 우리 자신을 포함한 우주 전체까지 포괄 ... 물리학의 정체성은 지식 추구의 대상이 아니라 성격에서 찾을 수 있습니다. 곧 물리학의 차별성은 앞에서 논의한 대로 보편지식 체계의 추구에 있지요. 물리학은 이론과학이란 면에서 거의 유일하고, 물질세계 전체를 탐구한다는 점에서 자연과학 중에서 가장 기본이 되는 학문이라 할 수 있으며 그동안 모든 자연과학의 모범이 되어 왔습니다.
p.113-114.
물리학의 보편이론 체계는 크게 동역학과 통계역학의 두 가지로 나눌 수 있습니다. 동역학에는 고전역학과 양자역학 두 가지 방법이 있고, 각각 상대성이론에 입각했는지 아닌지로 나눌 수 있습니다. 한편 통계역학은 동역학에서부터 구축되고 고전역학에 기초를 둔 고전통계역학과 양자역학에 기초를 둔 양자통계역학이 있는데 엄밀하게는 양자역학에 기초를 둬야 일관성 있는 이론 체계를 얻을 수 있습니다. 통계역학을 써서 다양한 현상을 기술하는 분야를 흔히 통계물리학이라고 부릅니다. ...
이들과 조금 다른 개념의 방법으로 마당이론이 있습니다. ... 대상을 연속적인 파동의 무더기로 표상하면 이를 적절한 마당으로 나타내서 그 동역학을 다루게 되는데 이러한 방법을 마당이론이라 부르지요.(마당이란 일반적으로 시공간의 각 지점에 값이 주어진 물리량을 가리킵니다.) 알갱이(입자)동역학에서 고전역학과 양자역학 구분과 마찬가지로 고전마당이론, 양자마당이론으로 구분합니다.
5강. 물질과 원자
p.125-126.
근대과학에서 원자론은 19세기에 돌턴이 발표했다고 알려져 있습니다. 어떻게 원자라는 것을 생각하게 되었을까요? 돌턴은 화학자라고 할 수 있는데, 화학반응을 연구했지요. ... 화합물의 성분이 일정한 비율로 결합해 있는 것을 발견했습니다. ... 이같이 성분이 일정한 비율로 존재하는 이유가 무엇인지 생각하게 된 겁니다. ...
원자라는 기본단위가 있다고 생각해서 이른바 원자 가설을 세운 겁니다. 적절한 가설 또는 기본원리를 전제 ... 가설연역 체계라고 부르는데, 가설 - 이건 증명할 수 있는 게 아닙니다 - 에서 출발해 정합성을 유지하면서 논리를 전개하고, 얻어진 결론을 실제 세계와 맞춰 봅니다. ... 실험적으로 검증해서 일치하면 가설을 받아들일 수 있지만, 일치하지 않으면 버리고 새로운 가설을 세워야 합니다.
p.127.
사실은 돌턴도 화학반응과 물질의 다양성 면에서 원자 가설을 세웠지만, 원자의 실재성을 생각하진 않았습니다. 자연과학에서 말하는 정도의 실재성을 부여한 사람은 그보다 훨씬 뒤인 19세기 후반의 볼츠만입니다. ... 통계역학을 창안한 사람인데, 처음으로 엄밀한 의미의 원자를 정립했습니다.
p.137-138.
파동이란 무엇인가 진동하는 겁니다. 파동에 해당하는 어떤 '물질'이 따로 있는 것이 아니라 주어진 물질의 진동이 퍼져 나가는 현상을 파동이라고 부릅니다. ... 공기가 진동하는 것이 소리이고 물이 진동하는 것이 물결파지요. 그런데 빛이 파동이라면, 빛은 무엇이 진동하는 걸까요? 바로 전자기마당입니다. 빛은 전기마당과 자기마당이 진동하면서 퍼져 나가는 이른바 전자기파라는 겁니다. 이를 이론적으로 규명한 사람이 맥스웰이지요.
p.139.
물질의 구성을 이해하는 데에 대칭성은 중요한 구실을 합니다. ... 기본입자에는 물질입자들과 빛알이 있는데 이런 것들은 밀접한 관련이 있습니다. 이러한 관련은 대칭성을 이용해서 분석하면 편리합니다.
6강. 기본입자와 쿼크 이론
p.142.
실험을 통해서 여러 입자들에 각각 대응하는 반대입자(antiparticle, list of particles)들을 찾아냈고, 결국 대칭성이 완벽하게 존재한다는 사실을 알게 되었지요. 일반적으로 기호로 표시할 때 반대입자는 입자의 기호 위에 막대기를 붙여서 나타냅니다. ... 단지 전자와 양전자는 전기의 부호를 강조하기 위해 보통 e-와 e+로 나타냅니다. ... 빛알(?)은 자신이 입자면서 반대입자.
우리가 알고 있는 모든 물질은 전자, 양성자, 중성자로 이뤄져 있고, 양전자나 음양성자, 반대중성자로 이뤄진 물질은 없습니다. ... 짝만듦과 짝없앰이라는 흥미로운 현상 ... 입자가 그에 대응하는 반대입자와 만나면 둘이 서로 사이좋게 지내지 못하고 없어져 버립니다. 같이 없어지고 대신에 일반적으로 빛알이 생깁니다. 이것의 반대가 일어날 수도 있습니다. 곧, 빛알이 없어지면서 입자와 반대입자의 짝이 만들어질 수도 있어요.
p.145.
전자기력이 빛알을 통해 전해지는 것처럼 이런 핵력, 강한 힘도 뭔가 전해 주는 알갱이가 있을 거라 짐작할 수 있습니다. 이러한 입자를 중간자라 부르는데, 처음 생각한 사람이 일본의 유카와지요. 1935년에 이론적으로 예측했는데 10여 년 후에 실험적으로 검증해서 일본 최초로 노벨상을 받았습니다(1949년).
p.147.
흥미롭게도 이것으로는 뭔가 부족하다는 것을 알게 되었습니다. ... 대칭성이 존재한다고 전제하면 뭔가 더 있어야 ... 나중에 찾았습니다. 실험적으로 검증했는데 극히 작고 전기도 띠지 않아서 찾기가 매우 어려운 입자입니다. 처음에는 빛알처럼 질량이 없다고 생각했으나 현재는 매우 작지만 유한한 질량을 지닌다고 여겨지며 중성이고 워낙 작기 때문에 중성미자(?: 뉴)라고 부릅니다.
p.148-149.
... 기본입자들을 ... 성질에 따라서 분류하면, 이른바 두터운 입자(하드론)과 가벼운 입자(렙톤)로 크게 나눌 수 있습니다. 하드론은 다시 무거운 입자(바리온)와 중간 정도인 중간자로 구분됩니다. 바리온으로는 양성자, 중성자, 그리고 이들의 반대입자은 음양성자, 반대중성자 같은 것들이 있습니다. ...
강상호작용, 곧 핵력은 바리온과 중간자를 합한 하드론에 작용할 수 있으므로 강상호작용을 하드론 상호작용이라고도 부릅니다. 렙톤으로는 전자와 중성미자, 반대입자인 양전자와 반대중성미자 같은 것들이 있습니다. 마지막으로 이들과는 다르게 빛알이 있지요. 그런데 이들로 끝이 아니라 여러 실험을 통해 별별 이상한 입자들을 많이 발견했습니다. ...
p.153-154. 쿼크이론
현재 받아들이는 이론에서는 여섯 가지의 쿼크가 있다고 생각하며, 그 종류를 맛깔이라고 부릅니다. ... 맛깔이 6가지지요. 이를 u, d, c, s, t, b로 표시합니다. 각각 위, 아래, 맵시, 야릇함, 꼭대기와 바닥 쿼크라고 부르지요. (기본전기량을 1이라 생각했을 때 u, c, t의 전기량은 2/3, d, s, b의 전기량은 -1/3)
쿼크의 반대입자로서 반대쿼크도 있습니다. ... 그뿐 아니라 쿼크는 세 가지 빛깔을 가질 수 있다고 생각합니다. ... 이에 따라 바리온과 중간자는 모두 쿼크로 이뤄져 있다고 생각합니다.
< 1x
p.157.
핵력은 쿼크에 작용합니다. 쿼크끼리 강상호작용을 하는 거지요. 다시 말하면 하드론, 곧 바리온과 중간자에 핵력이 작용하는 것은 결국 쿼크끼리 상호작용하는 겁니다. 약력은 렙톤에 주로 작용하고 일부 쿼크에도 작용할 수 있습니다. 전자기력은 쿼크나 렙톤에 상관없이 전기량만 있으면 작용하지요.
쿼크는 전기를 디고 있고, 렙톤은 전기량이 있는 것도 있고 없는 것도 있습니다. 그중에 전기를 띤 것들에만 작용합니다. 끝으로 중력은 질량이 있으면 모두 작용합니다. 적용 범위가 가장 넓어서 사실상 모든 입자들 사이에 작용한다고 할 수 있습니다.
p.157-158.
전자기력을 전해 주는 게이지입자가 바로 빛알입니다. 질량은 없고 스핀이 1입니다. 약상호작용을 매개하는 게이지입자로 W+, W-, Z0가 있는데, 이들도 스핀은 1이나 질량이 매우 커서 양성자의 100배에 가깝습니다. 이 때문에 약상호작용이 미치는 범위가 매우 짧은 것이지요. ... 한편 강상호작용을 매개하는 붙임알도 스핀은 1이고 질량은 없으나 쿼크처럼 빛깔을 지니므로 하드론에 갇혀 있다고 여겨집니다. 그리고 중력을 매개하는 것이 중력알로서 역시 관측하지 못했으나 스핀이 2이고 역시 질량은 없다고 생각합니다. 이런 것들이 약상호작용을 매개하는 게이지입자들입니다. 빛알은 한 가지지만 약상호작용을 매개하는 게이지입자는 세 가지이고 강상호작용을 하는 붙임알을 여덟 가지가 있다고 생각합니다.
7강. 물리법칙의 대칭성
p.165.
자연의 해석에서 물리법칙, 곧 보편이론에서 진술은 적절한 대칭성이 있어야 한다고 여깁니다. 대칭성이란 시공간을 기술하는 좌표계 등을 '변환'해도 달라지지 않는 성질을 말합니다.
p.166-168.
자연을 해석하는 데에서 중요한 대칭성이란, ... 이론의 대칭성으로서 기본적으로 변환에 대한 성질이라고 생각할 수 있습니다. ... 나란히옮김, 돌림 또는 방향, 그리고 시간옮김에 대한 대칭 ... 이러한 대칭은 모두 연속 대칭, 곧 연속 변환에 대한 대칭입니다. ... 연속 대칭은 그 대칭에 해당하는 물리량의 보존을 의미합니다. ...
이와 달리 불연속 대칭도 중요한 구실을 합니다. 시공간의 불연속 변환으로 널리 알려진 것은 거울비추기입니다. 거울에 비춰 보면 오른쪽과 왼쪽이 서로 바뀌지요. 이른바 홀짝성이 바뀌게 됩니다. ... 변환이 연속적이지 않습니다. ... 그리고 전하켤레라는 것이 있습니다. 이는 입자와 반대입자를 서로 바꾸는 변환을 말합니다. 전자와 양전자, 양성자와 반대양성자인 음양성자, 중성자와 반대중성자, 쿼크와 반대쿼크 등을 서로 바꾸는 거지요. 당연히 전기의 부호도 바뀝니다.
중요한 불연속 변환으로 시간되짚기가 있습니다. ... 이 밖에 입자의 순서를 서로 바꾸는 맞바꿈(또는 순열)이 있는데, 기본입자는 맞바꿈 대칭성에 따라 보오손과 페르미온으로 나뉩니다. 보오손은 맞바꿈에 대해 대칭이므로 두 개의 보오손을 맞바꾸면 변화가 없으나 페리미온은 반대대칭으로서 두 개를 맞바꾸면 (-)부호가 생겨나지요. 실제로 렙톤과 쿼크는 페르미온, 게이지입자는 보오손에 해당합니다.
그리고 상태 표현에서 여분에 관련된 게이지 변환이라는 것이 있습니다. ... 자연현상을 이해하고 해석하려면 적절한 기술 방법을 택해야 하는데, 일반적으로 상태의 표현은 한 가지로만 정해지지 않고 여분이 존재하게 됩니다. 이러한 잉여분은 선택의 자유도를 주지요. 선택을 바꾸는 것이 게이지 변환이고, 선택에 대한 불변성이 게이지 대칭성에 해당합니다. 따라서 게이지 대칭성이란 보통의 대칭성처럼 물리계 자체의 성질이 아니라 계를 수학적으로 기술하는 데 나타나는 잉여분에 기인한다고 할 수 있습니다.
p.168-169. 앤더슨-힉스 기전.
게이지 변환에 대한 대칭을 전제하면 기본 상호작용을 매개하는 게이지입자가 있어야 함을 보일 수 있습니다. 따라서 기본 상호작용은 결국 게이지 대칭성으로부터 유래한다고 할 수 있지요. 여기서 게이지 대칭성으로부터 게이지 입자는 빛알의 경우에서 보듯이 질량을 지니지 않아야 합니다. 그러면 W나 Z처럼 질량을 지닌 게이지입자는 어떻게 된 것일까요?
이를 해결하기 위해서 우주 공간에는 이른바 힉스마당이 존재하고 그 (평균)값은 0이 아니라고 가정합니다. (이는 대칭성이 저절로 깨졌음을 의미) 그러면 W와 Z게이지입자는 이 힉스마당의 성분을 흡수해서 질량을 얻게 된다고 해석할 수 있습니다. 이를 흔히 힉스기전이라 부르는데, ... 앤더슨-힉스 기전이라고도 부릅니다.
힉스마당의 들뜸으로서 보오손인 힉스입자를 실험적으로 발견하기 위해서 여러 해 동안 노력하다가 2012년에 유럽의 대형하드론 충돌기(LHC)에서 힉스입자로 여겨지는 자취를 발견했고 2013년에 이를 힉스입자로 조심스럽게 선언했습니다.
p.170-171.
일반적으로 물리법칙이 연속 변환에 대해서 대칭성이 있으리란 것은 당연 ... 그런데 불연속 변환에서는 어떨까요? 거울비추기, 곧 홀짝성 변환을 생각해 봅시다. 오른쪽과 왼쪽을 바꿔도 물리법칙은 그대로 있을까요? 당연히 그렇다...고 믿었습니다. ... 그런데 1956년에 베타 붕괴에서 홀짝성 대칭이 깨진 것을 발견했습니다. 이는 베타 붕괴를 일으키는 약상호작용이 왼손과 오른손을 구분한다는 뜻입니다.
이것은 ... 자연의 대칭성에 대한 근본 관점을 바꾼 겁니다. ... 이런 중요한 발견을 한 사람은 우인데(1912-1997) 당연히 노벨상을 받을 만했지만 받지 못했습니다. 그 이유는 알 수 없지만 중국계이면서 여성이기 때문이라는 소문이 널리 퍼져 있지요. 대신에 약상호작용에서 홀짝성 대칭성이 있는지 불확실하다고 지적한 양과 리가 노벨상을 받았습니다. 역시 중국계지만 남성들이지요.
p.172.
마지막으로 시간되짚기를 생각해 봅시다. 시간되짚기는 시간의 방향을 거꾸로 하는, 곧 과거와 미래를 서로 바꾸는 변환입니다. ... 시간을 되짚을 때 ... 질량 같은 것은 물론 변화가 없습니다. 힘도 마찬가지입니다. 그런데 속도는 위치를 시간으로 미분한 것이니 시간을 거꾸로 하면 부호가 바뀝니다. ... 가속도는 ... 부호가 바뀌지 않습니다. 그렇다면 ... 운동법칙은 시간되짚기 대칭이 있다는 결론입니다.
p.173-174.
그런데 흥미롭게도 시간되집기 T와 홀짝성 P, 전하켤레 C를 모두 변환하면 반드시 대칭성이 있어야 한다고 알려져 있습니다. ... 아인슈타인의 상대성이론을 받아들이면 모든 계는 CPT 대칭성을 가져야 한다는 사실을 보일 수 있습니다(CPT 정리).
그런데 놀랍게도 CP 대칭성을 보이지 않는 경우를 발견했습니다. 두 개의 쿼크로 이뤄진 K중간자, 곧 케이온이 붕괴할 때는 놀랍게도 CP 대칭이 없습니다. 이는 T 대칭, 곧 시간되짚기 대칭도 없음을 의미합니다.
우리가 실제로 시간을 거꾸로 되짚을 수는 없으므로, 시간되짚기에 대한 대칭이 있는지를 직접 알기는 어렵습니다. 대신에 간접적으로 CP대칭성을 조사해서 T 대칭성이 있는지 알 수 있습니다. 지금까지 CP 깨짐을 보인다고 알려진 경우는 케이온과 B중간자 붕괴가 유일합니다.
p.174.
대칭성이란 자연의 해석에 매우 중요한 길잡이 ... 그런데 왜 자연이 보여 주는 대칭성은 완벽하지 않고 조금 깨져 있을까요? 이는 현재 우주의 모습에 관해 중요한 사실을 설명해줍니다. 우주에서 우리가 살고 있는 지구는 반대물질이 없고 물질만 있습니다. ... 물질이 있으면 반대물질도 똑같은 양만큼 있어야 하는데, 우리 우주는 대부분 물질만 있는 것 같으니 반대물질이 어디에 있는지는 수수께끼였습니다. ... 그렇지만 반대우주가 있다는 아무런 증거도 없습니다. ..
그러면 처음에 반대물질이 똑같이 만들어졌을 텐데 어디로 갔을까요? 물질의 구성 요소인 바리온을 만들기 위해서는 쿼크가 필요합니다. 초기우주에서 전자와 양전자가 붕괴해서 쿼크를 만들 수 있습니다. 양전자는 붕괴해서 쿼크를 만들고 전자는 붕괴해서 반대쿼크를 만드는데, 바로 CP 깨짐 때문에 그 붕괴 속도가 조금 다릅니다. 그래서 쿼크는 많이 생기고 반대쿼크는 조금 생기니까, 쿼크와 반대쿼크가 만나 다 없어져도 결국은 쿼크가 남게 됩니다. 그렇게 남은 쿼크가 우주를 이뤘다고 생각하고 있습니다.
p.175-179. 시간 비대칭.
사실상 한 가지 예외를 제외하면 모든 물리법칙은 시간되짚기 대칭성이 있다고 했습니다. ... 왜 우리 일상생활에는 대칭이 없을까요? 왜 과거와 미래가 다르게 시간 비대칭이 될까요? ... 물리법칙에는 시간의 방향이 없는데 일상에는 왜 시간의 방향이 있을까요?
개개의 분자들은 물리법칙을 따릅니다. 그래서 개개 움직임은 시간되짚기 대칭이 있는데 전체로 보면 시간되짚기 대칭이 깨지게 되지요. 예를 들어 물에다 잉크 한 방울을 집어넣어도 잉크 분자들의 움직임은 물리법칙을 따릅니다. 분자 하나하나의 움직임은 완전히 시간되짚기 대칭이 있는데 전체로 보면 시간되짚기 대칭이 깨지는 겁니다. 결국 전체의 현상이 분자 등 구성원 하나하나의 상황과는 다르다 ...
이는 열역할 둘째 법칙과 직결되는 문제인데, 이른바 시간화살이라고 표현합니다. 왜 이렇게 되는지는 아주 흥미롭고 중요한 문제이며 자연현상을 이해하는 데 핵심 문제 중 하나입니다. 5부에서 정보와 엔트로피를 배울 때 이야기하지요.
참고자료
* 차동우교수님(인하대학교) 물리학 강의 유튜브 재생목록입니다. 너무 많은데요, 이 중에 몇 개만 가져와봤습니다.
- 차교수와 기초물리 : 물리량, 스칼라/벡터부터 열역학법칙 등등 기초적인 설명이 다 있네요.
- 차교수 물리 1
물리학 카툰 보실 수 있는 링크 하나 공유합니다. 『아날로그 사이언스: 그냥 시작하는 과학』, 『아날로그 사이언스: 만화로 읽는 양자역학』이라는 책으로도 나왔는데요. 웹에서 다 볼 수도 있더라고요. 다루는 범위가 상당히 넓고요, 가볍게 재밌게 보실 수 있을 것 같습니다.
전체 383
번호 | 제목 | 작성자 | 작성일 | 추천 | 조회 |
공지사항 |
[자료] 자연철학이야기 대담 녹취록, 세미나 녹취록, 카툰 등 링크 모음입니다.
neomay33
|
2023.10.24
|
추천 0
|
조회 2437
|
neomay33 | 2023.10.24 | 0 | 2437 |
370 |
[책꼽문] 책새벽-화/금. 『세계철학사 3』 4장.환원에서 표현으로 : 1절.스피노자의 신-즉-자연
neomay33
|
2024.11.07
|
추천 0
|
조회 40
|
neomay33 | 2024.11.07 | 0 | 40 |
369 |
[자료 모음] 책새벽-월-시즌5 : 『사피엔스』
neomay33
|
2024.10.28
|
추천 0
|
조회 29
|
neomay33 | 2024.10.28 | 0 | 29 |
368 |
[책꼽문] 책새벽-화/금. 『세계철학사 3』 3장.과학혁명의 전개 (1)
neomay33
|
2024.10.24
|
추천 0
|
조회 53
|
neomay33 | 2024.10.24 | 0 | 53 |
367 |
[자료] 『사피엔스』 비평글 모음 / 순서가 바뀐 그림('우리 사촌들의 얼굴') (1)
neomay33
|
2024.10.20
|
추천 0
|
조회 74
|
neomay33 | 2024.10.20 | 0 | 74 |
Re:[자료] 『사피엔스』 비평글 모음 (2)
자연사랑
|
2024.10.21
|
추천 2
|
조회 75
|
자연사랑 | 2024.10.21 | 2 | 75 | |
366 |
[책꼽문] 책새벽-화/금. 『세계철학사 3』 2장.근대적 합리성의 탄생 (p.75-114) (1)
neomay33
|
2024.10.17
|
추천 0
|
조회 69
|
neomay33 | 2024.10.17 | 0 | 69 |
365 |
[책꼽문] 책새벽-화/금. 『세계철학사 3』 1장 - 2절. ‘외물’에의 지향 (p.44-74)
neomay33
|
2024.10.17
|
추천 0
|
조회 55
|
neomay33 | 2024.10.17 | 0 | 55 |
364 |
장회익 저작 읽기 - 소감과 앞으로 공부 계획 (1)
neomay33
|
2024.10.13
|
추천 0
|
조회 110
|
neomay33 | 2024.10.13 | 0 | 110 |
363 |
[책꼽문] 책새벽-화/금. 『세계철학사 3』 1장. ‘과학기술’의 탄생 - 1절. ‘외물’에의 지향 (p.7-43)
neomay33
|
2024.10.07
|
추천 0
|
조회 124
|
neomay33 | 2024.10.07 | 0 | 124 |
362 |
사피엔스-1회-자료/책꼽문 : 고인류 (책새벽-월-시즌5)
neomay33
|
2024.10.07
|
추천 0
|
조회 146
|
neomay33 | 2024.10.07 | 0 | 146 |
361 |
[책꼽문] 책새벽-월-시즌4-2. 『역사란 무엇인가』 6장. (p.183-211)
neomay33
|
2024.09.28
|
추천 0
|
조회 274
|
neomay33 | 2024.09.28 | 0 | 274 |
물리학 카툰 <아날로그 사이언스> 링크를 본문 말미에 달아두었습니다.
차동우교수님 물리학 강의는 유튜브에서 "차동우", "Dongwoo Cha"로 검색하시면 됩니다.
"기본입자" 편은 "차동우", "기본입자" 두 개로 검색하시면 <차교수 물리1 C01I 기본 입자> 편이 나옵니다. 30분 정도 동안 원자 발견부터 표준모형까지 설명해주십니다.(댓글에 유튜브는 잘 걸리네요. 게시판 글 본문에 유튜브 링크 걸면 에러가 나더라고요. 글 올리실 때 참고해주세요. ^^;)