안녕하세요 김두환 전문가입니다.
전기·전자
Q. 양자역학이라는 단어를 정학하게 알 수 있을까요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.양자역학은 원자단위에서 발생하는 현상을 설명하기 위한 이론이라고 이해하시면 됩니다.원자는 원자핵과 전자로 이루어져있습니다. 그런데 전자가 원자핵 주변에 어떤 형태로 어떻게 운동하고 있는지 설명하고 싶을 때 양자역학을 사용하여 풀 수 있습니다.이해를 돕기위해 우리가 알고 있는 물리 현상에 대해 언급해보겠습니다. 흔히 잘 알고 있는 예시로 사과가 땅으로 떨어진다는 중력을 받아 사과가 땅으로 떨어진다를 설명할 수 있죠. 그 이상도 그 이하도 아닌 중력에 의해 떨어진다라고 설명합니다. 이것이 고전역학입니다. 무거운 짐을 들기 위해선 물체의 중력 만큼의 힘이 필요하죠.하지만 원자 세계에서는 원자핵 주변으로 전자가 돌고있다를 기술하기위해서는 중력, 만유인력으로 설명이 되지 않습니다. 양자역학으로 설명이 가능하죠.양자역학은 원자 세계를 기술하는데 있어 기본적인 학문이기 때문에 여러 곳에 사용될 수 있습니다. 물리학, 화학, 생물학 등에 있어 미시세계를 연구하는데 사용되며, 반도체, 초전도체, 디스플레이, 베터리 등에 기본이 됩니다. 또한, 양자 컴퓨팅, mri 등에 사용될 수 있습니다.우리가 겪거나 경험하기 힘들고 관찰하기 힘든 원자 단위의 미시 세계에서 나타나는 현상이기 때문에 볼 순 없지만 지금도 신체 내(우리 몸에 세포 내에 원자, 분자)에서나 주변에서 일어나고 있습니다. 양자역학은 미시세계에서 일어나는 현상에 대해 포괄적이라 위와 같이 설명하였습니다.
지구과학·천문우주
Q. 영화속에 자주 등장하는 멀티버스(다중우주)가 이론적으로 가능한 것일까요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.현재의 기술로 연구는 불가능합니다. 왜냐하면 멀티유니버스, 다중우주이론은 언제든지 가설을 설정하여 세울수는 있지만 이 이론을 뒷받침만한 실험이나 관측 데이터를 얻기는 불가능하기 때문이죠. 현재는 우리 우주의 끝을 알지 못하는 상태이며 그 넘어서는 더더욱 모르는 상태입니다. 그래서 연구는 어려우며, 실제로 가능한지는 감히 말씀드리기가 어렵습니다. 미지의 영역이기에 어떠한 가능성이든 열어두고 가설을 세우는 것이 좋기에 반반의 확률이라고 말씀드리겠습니다.평행우주, 다중우주와 같은 개념은 양자역학을 고려하여 생겨난 개념입니다.평행우주, 다중우주는 아직 증거가 없으며 앞으로도 있을지는 의문입니다. 그래서 하나의 가설입니다.먼저, 모든 물질은 입자성과 파동성을 가질 수 있습니다. 이를 물질의 이중성이라고 하죠. 그리고 원자, 전자 단위의 물질은 양자역학을 따릅니다. 양자역학에서는 물질의 상태가 결정되어있는 것이 아닌 확률적으로 존재한다고 봅니다. 잘 와닿지 않으실거 같아 예시를 들자면, 포장된 선물을 받았는데, 그안에는 어떠한 것이 들어있을지 모릅니다. 연필, 지우개, 장난감, 스마트폰 등 여러가지를 고려할 수 있습니다. 이러한 상태가 결정되지 않은 중첩된 상태입니다. 그리고 우리가 상자를 뜯어보았는데 스마트폰이 들어있었다면 이러한 행위를 관측이라고 합니다. 즉, 관측하기전에는 중첩된 상태가 되는 것입니다.추가로 우리의 우주는 빅뱅 이론에 의하면 한점에서 폭발하여 생겨났다고 하죠. 또한, 우린 우리의 우주 안에서만 살고 있으며, 다른 우주를 관측하거나 할 수 없죠. 물론 우리 우주도 아직 파악 못한 상태입니다. 다중우주론에 따르면, 우리는 여러 중첩상태중 하나일 뿐이라고 말씀드릴 수 있습니다. 다른 상태(다른 우주)는 우리와 다른 모습을 하고 있거나 다른 행동을 하고 있는 것이죠. 물론, 이러한 것을 보이기는 현재로썬 거의 불가능에가깝습니다. 양자역학은 여러 중첩 상태끼리는 서로 독립적이기 때문입니다.
토목공학
Q. 방수화장품의 원리는 무엇인가요??
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.방수 화장품의 경우 유분기가 있다고 보시면 됩니다. 보통 물과 기름이 섞이지 않는 다는 것은 익히 알고 계실겁니다. 방수 화장품은 유분기가 있어 물과 섞이지 않으며 잘 닦여 나가지 않게 만든것이죠.
화학
Q. 고체가 기체가 되는것은 어떤 원리로 가능한것인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.고체에서 기체로 바로 상태변화가 일어납니다.승화하는 이유는 증기압(~휘발성) 때문입니다. 증기압은 고체가 기체가 되려고하는 정도라고 생각하시면 됩니다.물질에 따라 승화의 조건이 있으며, 이 조건을 충족할 경우 승화가 잘 일어납니다.(삼중 그래프를 확인하시면 더 잘 이해갑니다.)고체상태는 분자들이 규칙적인 배열을 가지고 결합력을 가진 상태로 존재합니다. 액체는 분자들의 규칙적인 배열이 깨지고 기체보다는 덜하지만 자유롭게 움직입니다. 기체의 경우는 분자들이 아주 자유롭게 움직입니다. 거의 분자 하나의 단위로 각자 움직인다고 볼 수 있습니다.만약 고체상태에서 분자하나가 떨어져 나가면 이 분자는 기체가 되는 것입니다. 그리고 물질마다 고체 상태에서 분자들이 떨어져 기체가 되는 조건이 존재하며 이러한 조건이 강해지면 증기압이 강해진다 생각하시면 됩니다. 물의 경우도 증기압이 존재하며, 얼음에서 수증기가 되기도 합니다. 온도가 낮고 압력이 1기압보다 훨씬 낮게 되면 얼음에서 수증기로 변하죠. 추운 겨울에 온도가 낮아 눈에서 수증기가 되기도 합니다.위 그림에서 보시면 빨간선의 조건은 겨울의 영하의 온도라고 생각하시면 됩니다. 이 때 고체에서 기체로 승화가 일어날 수 있습니다.또한, 일상생활에서는 드라이아이스에서 흔히 승화가 잘 일어나는데, 드라이아이스는 1기압과 드라이아이스가 어는점 이하가 되면 승화가 잘 일어납니다. 드라이아이스의 어는점은 영하 56.6도이며 드라이아이스는 이보다 낮은 온도에서 만들어졌습니다. 그래서 드라이아이스의 승화가 잘 일어납니다.
지구과학·천문우주
Q. 아쿠아리움에 있는 투명창은 무슨 소재로 되어 있는 건가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.아쿠아리움의 투명 창문은 아크릴로 겹겹이 되어있습니다. 아쿠아리움에는 물을 받아 두기 때문에 그 압력이 어마하게 큽니다. 또한, 바닷속 동물이 충격이 가할 때 안전해야합니다. 그래서 일반적인 유리로 설치하면 충격에 깨질 수 있기 때문에 아크릴로 겹겹히 설치하여 강하게 만들어두죠.