안녕하세요 김두환 전문가입니다.
물리
Q. 찬드라세카르 한계에 대해서 설명해주세요
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.찬드라세카르 한계란 별을 구성하는 물질 중 페르미온(fermion)의 축퇴압과 중력이 평형을 이루는 지점을 뜻합니다. 이 한계 지점에서 별의 질량이 조금만 더 컸더라면 중력이 강하여 축퇴압을 이겨내 중력 붕괴가 일어나 중성자별이나 블랙홀이 될 가능성이 존재합니다.찬드라세카르 한계를 이해하기 앞서 양자역학에 대한 몇가지 용어를 이해할 필요가 있습니다.양자역학에서 설명하는 입자들은 크게 보존(boson)과 페르미온(fermion)으로 나눌 수 있습니다. 우리의 몸을 포함하여 우리의 우주를 구성하는 대표적인 입자들로는 광자(빛, photon), 전자(electron), 양성자, 중성자 등이 있습니다. 이러한 입자들은 스핀(각운동량)이라는 물리량을 지니고 있습니다. 마치 우리가 질량을 가지고 있는 것 처럼요. 스핀은 0, 1/2, 1, 3/2, 2... 등과 같이 정수인 스핀과 반정수인 스핀으로 나뉩니다. 여기서 단순하게 설명드리면 정수의 스핀을 가지면 보존(광자), 반정수의 스핀을 가지면 페르미온(전자, 양성자, 중성자)이라고 하죠. 보존의 경우 같은 상태로 존재가 가능하지만, 페르미온의 경우 같은 상태로 존재가 불가능합니다. 이러한 것을 파울리 베타 원리라고 합니다. 보존의 경우 같은 스핀을 갖는 입자가 같은 에너지, 같은 운동량을 가질 수 있는 반면, 페르미온의 경우에는 같은 에너지라면 다른 스핀, 다른 운동량을 가져야합니다. 여기서 같은 에너지, 같은 상태를 갖는 것을 축퇴라고 하며 보존은 축퇴가 가능하지만 페르미온은 축퇴가 불가능해 축퇴압이 발생하게 되죠. 즉, 특정 공간에 페르미온을 구겨넣을 수 없다는 것을 의미합니다.이제 별에 대해 살펴보겠습니다. 별 또한 광자(빛, photon), 전자(electron), 양성자, 중성자 등으로 이루어져 있으며, 페르미온과 보존으로 구성됩니다. 거대한 별의 경우 강한 중력으로 인해 수축이 일어날 수 있습니다. 질량이 크면클수록 중력이 더 강해져 더욱 수축이 일어날 수 있죠. 그런데, 별을 구성하는 물질 중 페르미온은 축퇴압이 존재하여 한 공간에 구겨넣을 수 없습니다. 하지만 중력이 너무 강하게 되면 이러한 축퇴압도 무시하고 수축이 일어나게 되죠. 이 때 축퇴압과 중력의 크기가 동일하여 축퇴압을 무시하지 못하는 그 한계점을 찬드라세카르 한계라고 합니다.
생물·생명
Q. 드론의 작동 원리가 궁금해서 질문 드립니다.
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.드론은 작용-반작용으로 프로펠러를 회전시켜 뜨게됩니다. 작용-반작용은 프로펠러에서 공기들을 지면으로 밀어내는 힘이나 엔진에서 가스나 물질을 분사하며 지면을 밀어내는 힘으로 비행체가 뜨는것을 의미합니다. 프로펠러를 회전시켜 공기를 지면으로 수직하게 튕겨내며 드론 비행체가 뜨는것이죠. 이렇게 날아가는 비행체로는 드론을 포함하여 헬리콥터, 로켓 등이 있습니다.
기계공학
Q. 헬리콥터는 어떤 원리에 의해서 공중에 뜰수 있나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.헬리콥터는 프로펠러로 공기를 밀어내며 작용-반작용으로 뜨게됩니다.작용-반작용은 프로펠러에서 공기들을 지면으로 밀어내는 힘이나 엔진에서 가스나 물질을 분사하며 지면을 밀어내는 힘으로 비행체가 뜨는것을 의미합니다. 프로펠러를 회전시켜 공기를 지면으로 수직하게 튕겨내거나 엔진에서 가스나 물질을 분사해 비행체가 뜨는것이죠. 이렇게 날아가는 비행기는 헬리콥터, 드론, 로켓 등이 있죠.
지구과학·천문우주
Q. 우주가 한 점이었을땐 이 세상은 “무” 그 자체였나요??
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.
물리
Q. 바퀴나 팽이가 굉장히 빠른속도로 돌면 원래 도는 방향과 반대로 도는것처럼 봅이는데, 이런 현상은 왜 생기는 건가요??
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.우리가 감지할 수 있는 주파수를 넘기게 되면 팽이, 차량 바퀴가 역순으로 이동해 보일 수 있습니다. 이는 우리가 일상에서 경험할 수 있는데 손가락을 펼쳐 좌우로 빠르게 흔들면 잔상이 남는 것과 같습니다. 즉, 가끔 차량을 타고가다 옆에 이동하는 차량의 바퀴를 보면 거꾸로 움직여보일 때 시각으로 감지하는 한계 때문에 뇌의 착각을 일으키는 것이죠. 그리고 이러한 현상을 스트로보 효과라고합니다.
토목공학
Q. 비가 오고 나면 왜 지렁이들은 흙 밖으로 나오는건가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.지렁이는 보통 흙, 토양 밑에서 양분을 먹으며 살아갑니다. 그런데 비가오게되면 흙과 토양이 젖게 되어 지렁이가 숨을 쉬지 못하게 되죠. 그래서 지렁이는 비가 오거나 습함을 감지하면 땅 밖으로 나와 숨을 쉬는 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 태풍이 다가올때 유리창에 테이프를 붙이면 효과가 있나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.창문에 테이프를 붙일 때 X자로 붙이는 것보다 창문틀에 테이프를 붙여 창문이 흔들리는것을 방지하는게 더 도움이 됩니다. 우리가 잘못알고있는 상식중에 하나죠. 태풍이 오기전에 바람이 강할것으로 예상된다면 창문틀쪽에 테이프를 붙여 창문이 흔들리는것을 방지하여 창문이 깨지는것을 방지하시길 바랍니다. 테이프를 붙이게 되면 붙이지 않았을 때보다 창문의 흔들림을 잘 잡아주며, 깨지는 것을 방지하죠. 그리고 커튼을 쳐놓으시는 것을 추천드립니다. 만일에 창문이 깨져 파편이 튀지 않는 역할을 하기 때문입니다.
지구과학·천문우주
Q. 자연현상인 천둥과 번개의 장점이 있다면 무었이 있을까요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.구름에는 전자(-)가 분포하는데, 전자가 많아지면 땅과 구름사이에 전압이 높아져 공기를 타고 전자가 이동(전류 발생)할 수 있습니다.두꺼운 구름이 형성 됐을 때 그 안에 분포하는물과 수증기의 음전하가 강해지면서높은 전압을 형성해 공기를 방전시키게 됩니다. 이 때 공기중에 있는 산소와 질소가 이온화 될 수 있으며, 질소와 산소가 결합하기도 합니다. 결합된 산화질소 NO는 식물을 잘 자라게할 수 있는 비료 역할을 하죠.전자가 지면으로 이동하면서 공기중에 있는 원자, 분자와 충돌하게 되며 빛이 발생하고 주변 공기를 압축시키거나 수축시켜 진동을 일으키며 천둥소리가 나는 것이죠. 사전적으로 천둥이 번개를 내포하고 있습니다. 번개는 단순히 빛의 번쩍임 입니다. 소리가 없습니다. 천둥은 빛의 번쩍임과 소리가 나는 것을 의미한다고 볼 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 오로라현상을 아무곳에서는 볼수가 없는건가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.오로라는 우주에서 날아오는 우주선(하전입자)이 대기의 기체와 부딪혀 생겨나는 현상입니다.하전입자는 전하를 띠는 입자들을 의미합니다. 보통 우주선이라고도 합니다. 우주에서 날아오는 입자인 우주선이 행성으로 들어오는데 이때 전하를 띠고 있으면 행성 자기장에 의해 나선 운동을 합니다. 우주선은 나선 운동을 하며 극지방으로 이동합니다. 그리고 자기장이 강한 고위도에서 나선 운동이 강하게 일어나죠. 나선운동을 하며 대기에 있는 기체와 부딪히며 빛을 발하는데 이를 오로라라고합니다. 그래서 우리나라와 같은 위도에서는 자기장이 강하지 않기 때문에 볼 수 없습니다. 빛이 나는 원리는 기체 분자에 존재하는 전자의 에너지 상태가 외부 우주선과의 충돌로 높은 에너지 상태가 됩니다. 그리고 다시 안정적인 상태로 돌아가려고 낮은 에너지 상태로 돌아가는데 이때 손실 되는 에너지가 빛으로 방출 되어 우리 눈에 들어오게 되는것이죠. 기체의 종류와 에너지의 차이에 따라 다른 파장의 빛을 방출하므로, 빛의 색이 달라져 오로라의 색도 다양하게 나타날 수 있는것입니다.
전기·전자
Q. 양자 역학의 원리 중 양자 얽힘이란 것은 무엇인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.현실에서는 양자 얽힘 현상이 지금도 일어나고 있지만 우리는 알아채지 못합니다. 왜냐하면 양자역학의 현상은 원자, 전자, 양성자 단위의 미시 세계에서 일어나는 현상이기 때문입니다. 피부에 와닿는 실생활적 예시는 제비 뽑기가 있습니다. 1이적인 종이와 2가 적힌 종이가 있습니다. 그리고 질문자님과 저와 만나서 제비뽑기를 합니다. 질문자님이 하나 뽑고, 다른 하나는 제가 뽑습니다. 그리고 저와 질문자님은 다시 집으로 돌아갑니다. 그 상황에서 저와 질문자님께서는 결과를 확인하지 않았기 때문에 1인지 2인지 모릅니다. 단순히 확률만 존재할 뿐이죠. 이러한 상황을 양자역학에서는 1과 2가 중첩된 상태로 표현합니다. 그런데, 만약 질문자님께서 너무 궁금해 종이를 펼쳐보게 되었는데 1이 나왔습니다. 그러면 상태는 더 이상 중첩되지 않고 1로 결정되었죠. 그 순간 저의 결과도 2로 결정된 것이죠. 먼거리에 떨어져 있음에도 불구하고 질문자님께서 하신 행동하나로 저의 상태가 결정되버린 것이죠. 즉, 저와 질문자님은 제비뽑기로인해 얽힌 상태가 된 것입니다. 제비뽑기로 예시를 들었지만 물리학의 물리량중에 보존되는 물리량이 존재합니다. 예를들어 스핀의 합(각운동량), 운동량 등이 보존될 수 있습니다. 특정한 입자가 붕괴하면서 두 입자를 만들어 내는데, 기존 입자가 가진 스핀의 양과 붕괴 후 두 입자의 스핀의 합이 보존되는 성질을 이용하면 제비뽑기와 같은 얽힘을 구현할 수 있습니다. 이러한 것을 양자 얽힘이라고 하는 것이죠.