안녕하세요 김두환 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 백색왜성이 별의가장 마지막단계인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.별의 질량, 크기에 따라 최종적으로 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀 등이 될 수 있습니다. 꼭 백색왜성이 마지막 단계는 아닙니다.중성자별이나 블랙홀로 되는 과정은 다음과 같습니다. 별은 핵융합 과정을 통해 빛과 에너지를 발합니다. 별이 핵융합 반응을 더 이상 할 수 없게 되면 온도가 서서히 떨어지며 자체적인 중력에 수축을 시작합니다. 그리고 수축하면서 마찰에 의해 열이 올라 더 무거운 원자들이 핵 융합 반응을 하게 되죠. 즉, 남은 에너지를 사용하는 것입니다. 그리고 핵 융합에 의해 다시 뜨거워진 별은 다시 팽창합니다. 그래서 백색 거성, 적색 거성 등등의 거성이 되는 것이죠. 이러한 거성의 핵융합 반응이 끝나면 또다시 내부에는 무거운 원자들이 남게 되면서 식게 되고 중력에 의한 수축이 일어납니다. 그리고 수축에 의해 다시 뜨거워지죠. 그런데, 이 때는 무거운 원소들만 남아 핵융합 과정이 잘 일어나지 않기 때문에 더욱 빠르고 강한 수축으로 온도가 급격히 올라갑니다. 그리고 온도가 어느정도 오르게 되면 남아 있는 무거운 원자들의 핵융합 반응이 빠르게 일어납니다. 이 때 발생한 열에너지로 원자핵을 제외한 물질이 별을 떠나 날아가게 되는데, 이러한 폭발을 초신성 폭발이라고합니다. 그리고 초신성 폭발 후 남은 원자핵은 질량에 따라 중성자별이 되거나 블랙홀이 될 수 있습니다. 즉, 중성자별이나 블랙홀 또한 별의 마지막이 될 수 있습니다. 백색왜성의 경우 적색 거성 후의 단계로 적색 거성 단계를 지나며 별에 존재하는 대기, 기체가 우주로 날아간 경우에 생겨날 수 있습니다. 대기를 날려보낸 후 핵만남게 되는데, 이 핵은 산소나 탄소와 같은 것들이 남아 백색을 띠며 백색 왜성이 될 수 있습니다. 이 때에는 백색왜성이 별의 마지막 단계가 될 수 있죠.
지구과학·천문우주
Q. 빅뱅우주론에대해서 질문있습니다.
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.빅뱅이론은 우주의 탄생을 설명할 수 있는 이론들 중 가장 유력한 이론입니다. 하지만 빅뱅 이론이 정확하게 맞는 이론이라고 쳐도 우리는 빅뱅 이전의 세상에 대해 알 수 없습니다. 왜냐하면 현재로썬 빅뱅 이전의 현상에 대해 어떠한 관측을 할 수 없으며, 어떤 이유로 빅뱅이 일어났는지는 알 수 없기 때문입니다. 또한 빅뱅 이전은 우리 우주 밖의 일이라고 할 수 있습니다. 우리 우주에 대해서 아직 전부를 파악한 것이아니고, 우리는 우주의 전 부분을 관측할 수 있는 것도 아니기 때문입니다. 그래서 빅뱅이전은 모두의 궁금증이긴 하지만 현재로썬 답을 알 방법이 없는게 아쉬운 점입니다.
지구과학·천문우주
Q. 블랙홀에 대한 궁금증입니다..
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.1)네, 우주가 팽창하는 정도는 블랙홀의 밀도를 작게만들 수 없습니다. 우주를 팽창하게하는 암흑에너지는 공간을 팽창시키지만 우리가 살고 있는 지구 크기에서는 굉장히 작게 나타나며, 블랙홀이나 원자내 전기력에 비하면 무시할 수 있을 정도라고 볼 수 있습니다.2) 빅뱅이 어떻게 일어난지는 누구도알 수 없습니다. 빅뱅이론에 따르면, 우주 초기에는 질량이 아닌 에너지 형태로 존재하였으며, 우주가 급팽창하게되면서 서서히 질량을 갖는 물질이 생겨나게 되었습니다. 그리고 이 때 질량이 생겨나 블랙홀이 만들어질 수 있습니다. 이 블랙홀의 중력이나 물질들의 중력보다 팽창하는 정도가 컸기 때문에 현재까지 팽창을 이어가고 있습니다.
물리
Q. 질량을 가진 모든 물체는, 빛의 속도에 도달할수없는데요.
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.질량과 에너지가 서로 전환될 수 있는건 맞습니다. 하지만 이러한 것은 산란과정, 전이과정에서 발생하는 말입니다. 예를들어서 전자(-)와 양전자(+) (양전자는 전자의 반입자)가 만나 2개의 광자(빛)이 되는 과정에서 질량이 있는 두 물질(전자와 양전자)이 사라지면서 빛이 되는 경우가 존재합니다. 이러한 경우에는 질량이 있는 물질이 질량이 없는 물질이 되면서 에너지로 전환될 수 있습니다. 물질간에 상호작용 전후에 질량을 비교하여 E=mc^2을 통해 에너지가 전환되는 정도를 계산할 수 있는 것이죠. 빛 자체의 에너지가 갑자기 질량으로 변하여 빛이 질량이 가지는 것은 아닙니다. 다른 물질과 충돌하거나하여 다른 입자로 전환되었을 때 변화된 질량을 통해 에너지를 계산하는 것입니다.
토목공학
Q. 누수와 관련된, 지구과학 용어인 공극이 무슨 뜻인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.공극이란 비어있는 공간을 뜻합니다. 토양 및 지각의 지하 부분에서 비어있는 공간이 있는데 이러한 부분을 공극이라고 하죠.
물리
Q. 직선운동하는 공이 비스듬한 벽에 충돌할때 입사각=반사각?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.물체에 힘을 가할경우 물체가 찌그러지거나, 움직이게됩니다. 찌그러지는 상황은 배제하고 물체에 힘을 가하면 움직입니다.정지한 물체에 대해 오른쪽으로 힘을주면 오른쪽으로 움직입니다. 이 때 오른쪽으로 3m/s로 움직이게끔 충격을 가한다고 생각하면 오른쪽 방향으로 3m/s로 움직입니다.또한, 앞으로 3m/s로 움직이는 물체에 오른쪽방향으로 3m/s로 움직이게 힘을 주면, 정확하게 대각선으로 움직입니다. 왜냐하면 앞으로 3m/s움직이는 속력은 변화하지않고 오른쪽 방향으로 3m/s의 속력이 추가되기 때문이죠. 그리고 벽으로 3m/s로 정면으로 충돌할 경우(완전탄성충돌) 반대로 3m/s로 튀어나옵니다.이를 고려하면, 비스듬한 경사로 v의 속도(빨간색선)로 움직이는 물체가있을 때 v의 속도를 비스듬한 경사와 나란한방향의 속도(노란색선)와 수직한 속도(주황색선)로 분해할 수 있습니다. 주황색 속도의 경우 벽면에 정면으로 충돌하는 경우로 충돌후에는 반대로 튀어나옵니다. 그리고 비스듬한 경사와 나란한 방향의 속도(노란색선)은 비스듬한 면과 충돌해도 그 속도 그대로 유지됩니다. 왜냐하면 힘을 받는 방향과 움직이는 방향이 수직하기 때문이죠. 즉, 충돌후 속도 v(보라색선)는 충돌전에 비해 방향이 꺽여있습니다. 이 때 입사각과 반사각이 같은 이유가 비스듬한 면과 수직한 성분의 속도의 방향만 변하고 크기가 같기 때문이죠.
화학
Q. 핵분열과 핵융합의 차이와 에너지효율이 궁금합니다
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.핵융합을 구현하기위해서는 고온, 고압의 환경이 갖춰줘야합니다. 핵분열의 경우 고온, 고압의 환경이 갖춰지지 않아도 분열을 통해 에너지를 얻어낼 수 있는 반면, 핵융합은 고온 고압의 환경에서 융합이 일어나 에너지가 생산됩니다. 현재는 핵융합을 통해 에너지를 얻는것보다, 핵융합을 구현할 환경을 조성하는데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 핵분열에 의한 에너지를 사용합니다. 핵분열은 불안정한 원자(우라늄, 플루토늄, 라듐 등)에 중성자를 충돌시켜 불안정한 원자가 다른 원자로 변하며 결손되는 질량이 발생하는데, 이 결손된 질량이 에너지로 전환됨에 따라 에너지를 얻어지는 것입니다. 불안정한 원자에 중성자를 충돌 시킴으로써 붕괴를 시키는데 붕괴시 중성자와 에너지가 발산됩니다. 그리고 충돌한 중성자는 다른 불안정한 원자를 충돌시키고, 붕괴되며 나온 중성자 또한 다른 불안정한 원자를 충돌시킵니다. 그리고 다시 붕괴되어 방출된 중성자와 충돌 후의 중성자가 다른 원자에 충돌하게 되죠. 이 반응(1->2->4->8->16...)이 연쇄적으로 일어나 많은 양에 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 때 질량 손실에 의해 얻어지는 에너지는 E=mc^2에 의해 계산할 수 있습니다. 만약에 1g의 질량 결손만으로 9000만 줄(J)의 에너지가 생성될 수 있어 굉장한 효율을 낼 수 있죠.추가로 핵융합의 경우 원자핵과 원자핵이 만나 더 큰 원자핵을 만들게되면서 손실된 질량으로부터 에너지가 발생됩니다. 그런데, 원자핵(+)과 원자핵(+)이 만나기 위해선 굉장한 에너지가 필요합니다. 즉, 결합하게 하는 에너지를 고온, 고압 환경으로 제공하는 것이죠.
전기·전자
Q. 초전도체를 이용한 전자기기들은 발열이 없나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.네, 초전도체는 특성상 전기저항이 0이되기 때문에 발열이 발생하지 않습니다. 그래서 모니터나 노트북, 스마트폰 등 전자기기 내 회로를 전부 초전도체를 활용한다면 발열이 없을 수 있습니다.
생물·생명
Q. 치킨을 튀기면 더 맛있는 건 어떤 과학적 원리인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.맛있는 것은 과학적이기보다 입맛이 길들여졌거나 맛있다고 느끼는 개인적인 기준 때문입니다. 맛있는 것으로 따지면 치킨보다 백숙이 더 맛있다고 느낄수도 있습니다. 맛은 객관적인 기준이아닌 주관적인 기준이라고 말씀드릴 수 있습니다.
물리
Q. 사람이 물위를 달리려면얼마나빨라야할까요
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.물 위를 달릴 수 있는 속력은 시속 120km로 정도입니다. 이 정도 속도 이상이면 도구 없이도 물 위를 달리실 수 있습니다. 이는 표면장력을 사용한 원리로 사람이 시속 120km 이상으로 달리면 가능한 일이 됩니다!