EBS 다큐 - 빛의 물리학

EBS 다큐 - 빛의 물리학

독서 관련/역사 철학 기타2014/01/12 23:45Posted by sunyzero

EBS 빛의 물리학 6부작

1부 빛과 시간 특수상대성이론 (2013.09.23)

2부 빛과 공간 일반상대성이론 (2013.09.24)

3부 빛의 추적자 (2013.09.25)

4부 빛과 원자 (2013.09.30)

5부 빛과 양자 (2013.10.01)

6부 빛과 끈 (2013.10.02)

오랜만에 정말 잘 만들어진 다큐멘터리를 봤다.

"빛의 물리학"은 아인슈타인으로부터 시작한 20세기의 새로운 물리학의 시작을 조명한 것으로서 현대 물리학을 쉽게 설명한 다큐멘터리다.

총 6부작으로 되어있고, 1~2부는 아인슈타인의 특수상대성이론, 일반상대성이론에 대해 설명한다.

3부에서부터 본격적으로 빛의 본질을 설명하면서 갈릴레오, 뉴턴을 통해 성립된 고전물리학과 맥스웰로부터 시작된 전자기파가 빛임을 알게되는 것을 설명한다.

그리고 4~6부는 빛의 본질을 알아내기 위해 수많은 물리학자들이 시행착오를 거치면서 만든 원자, 전자의 모델이 나온다. 그리고 양자역학을 탄생시킨 베르너 하이젠베르크도 등장하게 된다.

제5차 솔베이 회의 - 아인슈타인과 보어, 로렌츠, 플랑크, 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 드브로이, 보른 , 에렌페스트, 퀴리 등이 보인다.

하이젠베르크와 불확정성의 원리는 현대 물리학 및 각종 사회 현상에도 적용되며 많은 영감을 불어넣어주는 중요한 원리다.

이 다큐멘터리는 복잡한 수식을 사용하지 않고 그림과 비유, 은유로 설명하기 때문에 전공이 물리학이 아니더라도 쉽게 이해할 수 있다. 심지어 문과출신이라고 하더라도 이해하는데 어렵지 않을 것이다.

정말 이는 꼭 봐야 할 유익한

 

*1부 빛과 시간 특수 상대성 이론

아인슈타인은 죽기전에 아무것도 남기지 말라고 하지만 스위스의 아인슈타인 하우스는 지금도 잘 보존되어 있다.

특허국에서 특허를 평가하는 일을 하면서도 물리학을 놓지 않았던 아인슈타인은 생각이 떠오를때마다 메모를 했다고 한다.

교황청앞에는 코페르니쿠스에 동조한 70살의 갈릴레이에 대한 재판을 구경하려는 사람들이 몰려 있는데, 갈릴레이가 쓴 "두 우주 체계에 관한 대화"가 로마 교황청의 심기를 건드렸기 때문이다.

당시는 아스리토텔리스등이 주장한 천동설이 주류를 이뤘는데, 지동설을 주장한 갈릴레이는 배가 움직여도 배안에 있는 사람은 움직임을 느낄수 없다고 말한다.

갈릴레이의 상대성 이론을 아인슈타인은 나와 상대의 움직임을 계산할수 있다고 했는데, 자동차를 50km로 주행할때 100km로 달리는 오토바이를 탄 사람은 50km의 속도를 보게되지만, 정지한 사람이 보는 속도는 100으로 보인다고 말한다,

빛의 속도로 내가 날아가 빛을 본다면 어떻게 될까라고 17살의 아인슈타인은 생각했다.

두사람이 줄을 맞잡고 줄을 움직이면 진동이 생기는데, 파도의 움직임도 물의 힘이 아니고 진동때문에 생긴다고 한다.

멕스웰은 빛이 잠시도 멈추지 않고 앞으로 나아간다고 말했는데, 아인슈타인은 100km로 달리는 오토바이에서 본 빛이나, 50km으로 달리는 자동차에서 본 빛이나 혹은 역주행을 하더라도 빛의 속도는 항상 30만km로 불변한다는 것을 알게 된다.

1905년 5월 10일 아인슈타인은 친구 벳소를 찾아가 대화도중 상대성 이론에 대한 힌트를 얻었다고 한다.

특허국에서 심사관으로 7년동안 일한 아인슈타인은 당시 시계에 대한 특허 신청이 많았다고 하는데, 멀리 떨어져 있는 기차역의 시간이 다르다는 것을 알게 된다.

아인슈타인은 달리는 기차안에서 같은 거리에 있는 빛을 반사했을때 동시에 빛이 닿지만, 기차 밖에서 바라보면 기차가 가는 방향의 빛이 먼저 당도하고 뒷쪽의 빛이 늦게 당도한다는 것을 알게 된다.

우주선 안에서 수직으로 빛을 내는 광시계의 7초는 우주선 밖에서 볼때 빛이 곡선으로 휘어지며 시간도 10초가 흐른다.

우주에서 지구로 날아와 부딪히는 뉴원이라는 입자는 우주에서 볼때와 지구에서 볼때 시간이 서로 다르다.

*빛의 물리학 2부 빛과 공간 일반 상대성 이론

과학자들이 우주의 비밀을 찾기 위해 추적한 것은 빛이다.

도쿄에서는 170만에 찾아 온 일식(지구, 달, 태양이 나란히 되어 태양을 가림) 을 보는 사람들이 하늘을 보고 있다.

영국 왕립 도서관에는 45살에 뉴턴이 자필로 쓴 "프린 키피아가 있다.

1665년 뉴톤은 달이 왜 떨어지지 않고 지구를 돌고 있는가를 생각하다가, 갈릴에오의 관성의 법칙(움직이는 물체는 계속 움직이려하고 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려 하는것으로, 차안에 있는 사람이 차가 움직일때와 멈출때 앞으로 움직이는 것으로 설명한다)에서 영감을 얻는다.

공이 땅에 떨어지는 것은 중력때문인데, 공이 땅에 닿으려 할때 땅을 계속없에면 공의 운동은 지속되어 지구를 자전하게 된다.

땅의 마찰력이 없는 우주에서는 만유 인력때문에 두 물질이 붙게 되는데, 사과를 우주의 달과 같은 높이에서 놓으면(질량이 있는 물질은 서로 잡아 당긴다) 사과를 지구가 중력으로 잡아당겨 달과 같이 지구를 돈다.

뉴턴은 만유 인력때문에 달이 없다면 밀물과 썰물이 사라진다고 말한다.

아인슈타인은 무중력의 우주선이 계속 가속을 하면, 그안의 사람은 우주선의 뒷쪽으로 밀려나 벽에 붙게 되는데, 이는 지구가 중력으로 잡아당기는 것과 같으며, 그때 사람이 우주선에서 움직이는 것은 중력을 느끼는 것이며 가속도와 중력은 같다는 것을 알게 되는데 상대성 이론을 알게 된 이때가 아인슈타인은 가장 행복했다고 한다.

1909년 아인슈타인은 특허국을 그만두고 취리학의 부교수로 있으며 17편의 논문을 쓰는데 중력에 대한 것은 없다.

원의 둘레를 기차가 빠르게 돌수록 원의 크기는 작아진다.

아인슈타인은 원 운동에 리만의 수학을 적용하는데, 가속을 하며 원을 돌던 열차가 탈선하는 것은, 공간이 휘어져 있기 때문이라는 것을 알고 중력에 관한 논문을 쓰게 된다.

줄로 공중에 메달린 우주선은 땅에 있는 우주선과 마찬가지로 중력을 받게 되는데, 줄이 끓어지면 중력은 사라지고 그 안에서 사과를 밀면 직선으로 움직이게 된다.

이때 가속하면 우주선 바닥이 올라 오면서 사과는 아래로 휘어지면서 떨어지는데, 사실은 사과가 떨어지는 것이 아니고 공간이 휜것이며 빛도 마찬가지다.

질량이 있는 곳에서 공간은 휘며 에딩턴이 의문을 갖던 별빛이 휜것도 공간이 휘기 때문이며, 아인슈타인은 중력이 잡아 당기서 떨어지는 것이 아니라 공간이 휘는것이라고 일반 상대성 이론을 발표한다.

*빛의 물리학 3부 빛의 추적자

1905년 특수 상대성 이론을 발표한 아인슈타인은 11년후 그때까지 잘못 알려졌던 중력을 밝힌 일반 상대성 이론을 발표해 빛의 중요성이 대두된다.

이탈리아 베네치아에 있는 파도다 대학에 있던 갈릴레오는 18년동안 수학 교수로 근무하며 유리 렌즈로 9배 망원경을 만드는데 오목렌즈와 볼록렌즈를 배열해 효능을 높였다.

베네치아 가장 높은 곳에는 갈릴레오가 만든 망원경이 설치되었고, 1609년 망원경으로 처음 달의 모습을 본 갈릴레오는 울퉁 불통한 모습을 공개한다.

목성 주변의 작고 반짝이는 별들을 살피던 갈릴레오는 달라지는 별의 움직임을 관찰하며 4개의 달이 태양 주변을 돈다는 것을 알게 된다.

갈릴레이는 등불을 들고 산 정상에 올라 건너편 정상의 조수가 든 등불로 빛의 속도를 재려하지만 빛이 너무 빨라 실패한다.

젊은 뉴턴은 망원경을 만들어 영국 왕립학회의 회원이 된다.

대학을 다니다 전염병때문에 고향에 내려온 뉴턴은 색깔에 대한 연구를 한다.

붉은색의 사과는 빛을 차단하면 검은색으로 보이는데, 아리스토 델레스는 사물안에 색이 있어 빛이 없어도 존재한다고 했으며 데카르트등도 색에 대해 지금 생각하면 희한한 주장을 한다.

뉴턴이 살던 시대에는 원래 흰색의 빛이 어둠을 통해서 색이 달라진다고 생각했다.

1665년 뉴턴은 어둠속 공간을 벽에 작고 둥근 구멍을 통해 삼각 프리즘에 빛을 쏘이자 길죽한 모양의 빛을 보고 하나의 빛을 분해하면 7개의 길죽한 색이 나온다고 생각하는데, 빨주노초파남보 색이 빨강은 파장이 짧으며 갈수록 파장이 길어져 길죽한 모양을 한다는 것을 당시에는 알지 못한다.

다만, 뉴턴은 2개의 프리즘에 빛을 반사하여 푸른색이 일정하다는 것을 알게 되어 광학을 발표한다.

전류가 흐르면 자기장이 생기는데, 코일에 자석을 넣어 움직여도 자기장이 생긴다.

멕스웰은 물체와 물체 사이의 공간에 셀이 가득하고, 전류가 셀을 회전시키면 잔물결처럼 파동으로 퍼져 나가는 전자기파가 생긴다는 것을 알게 된다.

전자기파 속도는 초속 31만KW로 빛의 속도와 비슷하다는 것을 측정한 맥스웰은 빛과 전자기파 속도가 같다는 것을 안다.

스펙트럼의 색깔은 파장이 다르기 때문이라는 것과 가시광선보다 파장이 길거나 짧은것은 우리 눈에 보이지 않는데, 자외선, 엑스선(인체를 통과), 적외선(전자레인지), 전파(라디오, TV에 이용)등이 그렇다.

*빛의 물리학 4부 빛과 원자

유럽 합동 원자연구소는 7천명의 연구원이 한해 1조 2천억원을 20개 회원국이 공동 부담하는데 크기가 하나의 도시와 같다.

1803년 돌턴은 물질이 더 이상 쪼개질수 없는 원자로 구성되어 있다고 발표해 노벨상을 받고, 뢴트겐은 X선을 발견하고, 퀴리부인은 라듐을 발견해 노벨상을 받는다.

1897년 톰슨은 진공관의 실험으로 원자의 안에 전자와 양성자가 있다는 것을 알게 된다.

러더퍼드는 조수와 알파 입자를 금박지에 쏘아 뜅겨져 나오는 것을 발견하는데, 원자안에 전자가 있으며 중심에 있는 원자핵은 진공속에 떠있는 좁쌀과 같다는 것을 알게 된다.

인간의 몸에서 진공을 빼면 소금 한알 크기보다 작아지고, 지구도 사과 크기로 작아진다.

20세기 초 제철소 용광로의 온도를 잴수 없었다.

오븐안의 에너지는 일정해 무한대로 커지지 않는데 진동수가 낮으면 파장의 폭이 작고 진동수가 높으면 파장의 폭이 넓어진다.

에너지는 최소 단위로 이어져 양자학으로 보면 우리에게 메끄럽게 들리는 바이올린 소리는 뚝뚝 끊어지게 들린다.

보어는 전자가 원자핵으로 끌려들어가지 않고 계속 도는것에 의문을 갖고 평생 원자를 연구하겠다고 마음을 먹지만, 원자의 비밀을 풀지 못하다가 코펜하겐 대학에 들어가 1913년 27살때 우연히 스펙트럼 공식을 보게 된다.

선 스펙트럼은 빛의 순서를 나열한 공식을 보고 전자가 원자안에서 불연속적으로 탁탁탁 튀며 간다는 것으로 생각해 검증을 시작한다.

위로 올라 갈수록 높이가 낮아지는 건물이 있다고 가정할때, 아래에서 위로 갈때는 에너지를 흡수하고, 위에서 아래로 내려갈때는 에너지를 잃으면서 빛이 나는데 맨 아래층은 가장 안정적이다.

원자안의 세계는 우주처럼 넓으며 보어가 발표한 원자 구조와 양자 역학에 대한 학문을 이해하는데 당시 물리학자들은 2~3년이 걸렸으며 보어도 잘 모르겠다고 말할 정도로 논문은 복잡했다고 한다.

*빛의 물리학 5부 빛과 양자

1927년 벨기에 브뤼셀에서 전자와 광자를 주제로 5차 솔베이 회의가 열리는데, 48살의 아슈타인과 42살의 보어는 7일간 치열한 토론을 했다.

하이젠베르크는 닐스 보어의 부름을 받고 코펜하겐에서 세계에서 모인 젊은 학자들과 만나는데, 보어의 원자 모델에 대한 의문을 갖는다.

원자의 중심에 원자핵이 있고 전자가 정해진 궤도를 따라 돌면서 에너지를 흡수하면 위로 이동하고 에너지를 방출하면 빛을 내면 아래로 내려온다는 보어의 주장에서 하이젠베르크는 궤도를 빼 버린다.

전자의 진동수와 세기를 계산하려면 기존의 공식을 벗어나야 한다고 생각해 횡렬 수학을 통해 순서가 의미를 갖는다는 것을 알게 된 하이젠베르크는 공식을 만들어 낸다.

하이젠베르크의 횡렬 역학은 학회에서 주목을 받게되고, 아인슈타인의 집에 초대를 받아 질문을 받는데, 하이젠베르크는 전자에서 궤도를 무시한것은 그릴 수 없기 때문이라고 대답한다.

전자의 궤도를 공식으로 표현한 40살 슈뢰딩거의 책을 본 보어는 그를 연구소로 초청해 왜 전자가 궤도를 뛰어 넘냐고 묻지만 슈뢰딩거는 대답하지 못한다.

전자가 파동을 갖는 물질파라는 아인슈타인의 논문을 본 슈뢰딩거는 파동 방정식을 만들어 원자를 설명한다.

보어는 전자가 궤도를 돌고있다고 하고, 하이젠베르크는 그 궤도를 없앴지만 슈뢰딩거는 전자가 파동으로 이글어지며 원의 궤도를 돈다고 말했다.

가정을 하면 한사람이 문이 하나 있는 건물에 들어가려 할때 갑자기 문이 두개가 되며 두 사람이 되어 통과하는 것과 같다.

상자를 원자라고 가정할때 그 안에 전자라고 가정한 움직이는 공을 넣은후 칸을 막으면 한쪽 공간에는 전자가 있지만 다른 공간에는 전자가 없다.

원자의 세계에서 전자의 위치를 확률적으로 알수 있다는 것을 알려면 상식을 버려야 한다.

독가스가 나오는 방안의 고양이의 생사를 보지 않았을때 알수 없듯이, 관측을 하지 않았을때는 확률로만 존재한다는 것이다.

하이젠베르크는 원자를 볼수 없다는 결론을 내리는데, 원자를 보려면 빛을 비추면 볼수 있지만 전자의 위치와 운동을 관측할수가 없다는 것이 불확정성의 원리다.

즉 인간이 불완전해 볼수 없다는 것이다.

아인슈타인은 죽을때까지 하이젠베르크의 불확정성의 원리와 양자 역학을 받아들이지 않아 오점을 남겼으며 하이젠베르크는 노벨상을 수상한다.

*빛의 물리학 6부 빛과 끈

미국 동부 프린스턴에서 말년을 보낼때 아인슈타인은 구시대의 인물로 여겨지고, 당시는 양자 역학 연구가 주류를 이뤘다.

질량이 있는 것은 서로 잡아 당기며 달이 직선으로 떨어지는 것을 지구의 중력이 잡아 당긴다는 뉴튼은 궁극의 이론으로 모든것을 설명하려 하지만 실패한다.

아인슈타인의 상대성 이론이 통하지 않는 곳은 양자의 세계로 그 공간은 난장판이 되어 양자 역학외에는 설명할 수가 없게 된다.

힘은 4가지로 설명할수 있는데, 중력(중력이 없다면 지구는 분해되고 우리는 우주 공간의 미아가 됨), 전자기력(빛의 일종으로 원자의 세계 ) 약력, 강력이며, 현재 물리학자들은 전자기력,약력, 강력을 하나로 합치는데 성공하지만 중력을 같이 합하지는 못한다.

원래 하나의 점이었던 우주가 빅뱅으로 대폭팔되면서 4가지의 힘으로 분리되어 지금의 우주가 된다.

엄청난 중력을 가진 블랙홀(중력이 무한대, 빛도 빠져 나오지 못함)...

유럽 통합 연구소는 우주가 최초로 만들어진 실험으로 쿼크 6종과 렙톤 6종의 12 입자를 발견하는데, 우주는 점이 아니라 하나는 둥글고 하나는 긴 끈이었다는 주장의 끈 이론이 나온다.

강력을 연구하던 베네치아스는 처음으로 끈이론을 발견하는데, 강력과 상관없는 입자 중력자가 발견되면서 문제가 된다.

점이 아닌 끈은 길이가 있어 공간을 가진다는 의미로 양자 역학과 상대성 이론을 통일해 설명할 수 있다.

모든 입자는 열려있는 끈과 닫혀 있는 끈으로 진동한다는 초끈이론은 불확정성의 원리와 상대성 이론을 설명할 수 있지만 방법이 5개가 된다는 문제가 있다.

10차원에서 봤을때 보였던 5사람이 11차원에서 보니까 하나로 보이는 M이론이 나온다.

과거와 현재등이 존재하는 여러개의 막이 있다는 M이론은 설명을 할수 있지만 초끈이론이 아니면 왜 안되는지는 설명을 못하고 있다.

궁극의 이론은 모든 물리학자가 찾는 해답이이지만 아직 우리는 물질의 비밀을 완전히 풀지 못하고 있다.

우주에 대한 이야기를 볼때에는 학교 다닐때 공부를 하지 않았던 것이 아쉽다고 생각되며, 농사를 지을때도 과학을 잘 알지 못하는 아쉬움이 있기는 마찬가지다.

지금 학교를 다니는 사람에게 말하고 싶은 것은 다른 과목은 낙제를 하더라도 과학을 알면 살아가면서 여러가지로 이롭다는 것이다.