안녕하세요. 이웃집 천체물리학자 이상민 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 갈색왜성은 다른 행성들과 무슨 차이인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.태양계와 같은 항성계의 구성원으로서의 행성과 갈색왜성은 스스로 에너지(빛)를 내지 못한다는 점은 같지만 이것들의 시작은 사뭇 달랐습니다. 행성은 모 항성계가 만들어지면 함께 만들어지는 과정을 겪으면 탄생됩니다. 그러나 갈색왜성은 처음에 태양 질량의 3~5배 더 큰 별이였습니다. 이 정도 크기의 별은 핵융합으로 중심부 수소를 모두 소진하면 중심부 외곽부(표피층)를 방출하게 되는 과정을 겪습니다. 표피층이 모두 사라지면, 핵융합 반응 없는 높은 온도의 중심핵만 있는 천체가 됩니다. 이를 우리는 백색왜성이라 합니다. 이 백색왜성이 점차 식으면서 종국에는 갈색왜성이 되는 것이지오. 정리하면 행성은 처음 부터 별이 아니지만 갈색왜성은 한 때 별이였던 것입니다.
물리
Q. 경사하강법을 사용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.경사하강법(Gradient Descent)은 최적화 기법 중 하나로, 기울기(gradient)를 이용하여 특정 값의 최대값 혹은 최소값을 찾는 방법입니다.기본적인 아이디어는 현재 위치에서 기울어진 방향으로 일정 거리만큼 이동하고, 다시 그 장소에서 기울기를 구하고, 또 그 기울어진 방향으로 나아가는 것입니다. 이렇게 해서 함수의 값을 점점 줄이는 것이 경사하강법의 핵심입니다.경사하강법의 수식은 다음과 같습니다: 여기서 x_i+1 는 다음 단계의 값이고 x_i는 현재 단계의 값을 의미한다. 그리고 \alpha는 학습률(learning rate)라 부르며 문제에 따라 함수의 최소값을 찾기위해 가장 중요한 매개변수입니다. f'(x_i)는 현재 위치에서 의 기울기를 나타냅니다.이 수식은 현재 위치에서 기울기의 방향으로 일정 거리(\alpha )만큼 이동하는 것을 의미합니다. 기울기가 양수인 경우, x가 증가하면 함숫값이 증가하므로, 함숫값을 감소시키기 위해 x를 감소시켜야 합니다. 반대로, 기울기가 음수인 경우에는 x가 증가하면 함숫값이 감소하므로, x를 증가시켜야 합니다.이러한 과정을 반복하면, 함수의 최소값을 찾을 수 있습니다. 그러나, 이 방법은 초기값과 학습률에 따라 최적의 해를 찾지 못하거나, 수렴하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 따라서 적절한 학습률을 설정하는 것이 중요합니다.
지구과학·천문우주
Q. 발명가 장영실의 해시계는 얼마나 정확 한건가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.장영실의 해시계는 그 당시의 기술로는 매우 정확한 시간 측정 도구였습니다. 하지만 현재의 시계와 비교하면 정확도에서는 차이가 있습니다. 해시계는 태양의 위치에 따라 그림자의 길이를 측정하여 시간을 알아내는 원리를 사용하기 때문에, 날씨가 흐리거나 비가 오는 경우에는 사용할 수 없는 단점이 있습니다.또한, 해시계는 태양의 움직임을 정확하게 알고 있어야 했으며, 이를 위해 장영실은 지동설의 원리를 이해하고 있었습니다. 그러나 아무리 뛰어난 해시계라 할지라도 날씨가 흐리거나 비가 오면 소용이 없었기에, 이를 보완하기 위해 물시계가 발명되었습니다.따라서, 장영실의 해시계는 그 당시에는 매우 혁신적인 발명품이었지만, 현재의 시계 기술과 비교하면 정확도와 편의성에서는 뒤떨어집니다. 하지만 이들은 과학과 기술의 발전에 중요한 역할을 하였으며, 우리가 오늘날 사용하는 정밀한 시계의 발전에 기여하였습니다.
지구과학·천문우주
Q. 우주에서는 시간이 어떻게 흐를까요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.========================우주에서 시간의 흐름은 상대성 이론에 의해 설명됩니다. 이론은 물체의 상대적인 운동에 따라 시간이 서로 다르게 흐르게 된다는 것을 말합니다. 상대성 이론에 따르면, 시간과 공간은 서로 연결되어 있으며, 빠르게 움직이는 물체는 그 시간의 흐름이 느려지며, 공간의 크기도 변화합니다. 또한, 중력이 강한 장소에서도 시간이 느려지며, 공간도 왜곡됩니다. 따라서, 우주에서 시간을 측정하려면 이러한 상대성 이론을 고려해야 합니다. 예를 들어, 지구로부터 멀어지는 우주선에서 시간이 더 느리게 흐르게 됩니다. 이러한 시간의 차이를 보정하기 위해서는 매우 정확한 시계를 사용해야 합니다. 우주에서 시간을 측정하는 방법으로는, 아주 정확한 원자시계를 사용하는 것이 일반적입니다. 이러한 원자시계는 원자의 진동 주파수를 측정하여 시간을 계산합니다.그리고 아직까지 우주에서 어떤 생명체도 발견되지 않았습니다. 다만 지구상의 생명체를 구성하는 유기화합물은 우주 공간에서 다수 발견되었습니다. 그 중 일부는 생명체를 이루는 데 필요한 기본 구성 성분이 될 수 있는 물질들입니다.
전기·전자
Q. 초전도체와 일반 전도체의 차이점이 무엇인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.초전도체와 일반 전도체의 가장 큰 차이점은 전기 저항입니다.초전도체는 전류가 흐를 때 전기 저항이 0이 되어 전력 손실이 없습니다. 초전도체는 일반 전도체와 달리 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 흐를 때 전력 손실이 없습니다. 또한, 초전도체는 자기장이 발생하지 않습니다. 이 때문에 초전도체는 전력 생산 및 저장, 자기 부상 열차 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.반면에, 일반 전도체는 전류가 흐를 때 전기 저항이 발생하여 전력 손실이 발생합니다. 일반 전도체는 전기 회로, 전기 모터, 전기 발전기, 전기 히터 등 다양한 전기 기기에 사용됩니다. 전기 회로에서 일반 전도체는 전류를 전달하는 역할을 합니다. 전기 모터에서 일반 전도체는 전류를 회전 운동으로 변환하는 역할을 합니다. 전기 발전기에서 일반 전도체는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 합니다. 따라서, 일반 전도체는 전기 저항이 있어 전력 손실이 발생하는 반면, 초전도체는 전기 저항이 없어 전력 손실이 없다는 것이 가장 큰 차이점입니다.
전기·전자
Q. 공학과 과학의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.공학과 과학은 서로 관련이 있지만, 그들의 목표와 방법론에서 중요한 차이가 있습니다. 과학은 우리 주변의 세상을 이해하려는 노력입니다. 과학자들은 자연 현상을 관찰하고, 이론을 만들어, 실험을 통해 그 이론을 검증합니다¹. 과학의 주요 목표는 지식을 확장하고, 우리가 살아가는 세상에 대한 이해를 깊게 하는 것입니다. 반면에, 공학은 이러한 과학적 지식을 사용하여 실제 문제를 해결하고, 새로운 기술을 개발하는데 초점을 맞춥니다. 공학자들은 과학적 원리를 적용하여 제품, 시스템, 또는 프로세스를 설계하고, 구축하며, 유지 관리합니다. 간단하게 말하면, 과학은 우리가 세상을 어떻게 이해하는지에 대한 질문에 답하려고 하며, 공학은 그 지식을 어떻게 사용할 수 있는지에 대한 질문에 답하려고 합니다. 이 두 분야는 서로 상호 작용하며, 과학은 새로운 기술의 가능성을 열어주고, 공학은 그 기술을 실현시킵니다.
지구과학·천문우주
Q. 달모양은 왜 바뀌는거죠? 무슨 원리죠?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.달의 모양이 변하는 이유는 달이 지구 주위를 공전하면서 태양빛을 받는 면이 달라지기 때문입니다. 달은 지구 주위를 공전하는 데 약 29.5일이 걸리며, 이 공전하는 동안 태양빛을 받는 면이 달라지기 때문에, 지구에서 보는 달의 모양이 매일매일 바뀌게 됩니다. 달은 항상 같은 면을 지구를 향하고 있습니다. 따라서, 지구에서 보았을 때 달의 모양은 달이 지구 주위를 공전하는 동안 태양의 빛을 받는 부분이 달라지기 때문에 변합니다. 달이 지구를 중심으로 공전하면서 위치가 달라지면 지구, 달, 태양이 만드는 각도가 달라집니다. 그래서 지구에서 보는 달의 밝은 부분이 달라져 달의 모양이 변하는 것입니다.
전기·전자
Q. 양자 컴퓨터는 어떻게 동작하나요??
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.양자 컴퓨터는 '중첩'과 '얽힘'이라는 두 가지 특별한 양자 현상을 활용하여 동작합니다.- 중첩(superposition): 양자 입자는 0과 1 둘 중 한 상태로만 존재하는 것이 아니라 동시에 여러 상태로 존재하는 원리- 얽힘(entanglement): 두 개의 양자 입자가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 신비하게도 서로 연결을 유지하는 현상을 말하며, 이는 한 입자가 변경되면 다른 입자도 물리적인 연결 없이 즉시 변경됩니다.이 두 가지 현상을 통해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 동작하며, 매우 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 동작은 양자 게이트 연산을 통해 이루어집니다. 양자 게이트는 큐비트(quantum bit; qbit)에 대한 변환을 수행하며, 이러한 게이트 연산을 조합하여 복잡한 계산을 구현할 수 있습니다.그러나 양자 컴퓨터의 동작 원리는 이론적으로 다소 복잡하고 직관적으로 혼란스럽습니다. 양자 컴퓨터의 주요 단점은 그 강점과 동일합니다: 양자 결맞음. 큐비트 연산은 양자파동함수가 상태 사이에 중첩된 상태에서 수행되기 때문에 1과 0 상태를 동시에 사용하여 연산을 수행할 수 있습니다. 그러나 양자 시스템에 대해 모든 유형의 측정이 이루어지면 결맞음이 무너지고 파동 함수가 단일 상태로 붕괴됩니다.
전기·전자
Q. 진공청소기는 어떤 과학적 원리로 작동되는지요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.진공청소기의 원리는 공기의 압력차를 이용하는 것입니다. 진공청소기 내부의 모터가 빠르게 회전하여 공기를 밖으로 뽑아내면, 내부의 기압이 외부보다 낮아집니다. 그러면 외부의 공기가 호스를 통해 내부로 빨려들어오게 되는데, 이때 먼지나 이물질도 함께 들어오게 됩니다. 들어온 공기는 먼지봉투나 원심분리기 등의 장치로 먼지를 걸러내고, 깨끗한 공기는 다시 밖으로 나가게 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 은하수가 특정 나라에서만 보이는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.은하수가 보이지 않는 나라는 없습니다. 왜냐하면 은하수란 태양계가 살고 있는 우리은하가 밤하늘에서 하늘을 길게 가로지르며 보이는 무수히 많은 별들의 집합체이기 때문에 지구상 어디서든 볼 수 있습니다. 그러나 광공해가 심하면 보이질 않습니다. 광공해란 인공적인 빛이 밤하늘의 별빛을 가리는 현상을 말합니다. 광공해가 심하면 은하수는 물론이고, 밝은 별들도 잘 보이지 않습니다. 은하수를 보기 위해서는 광공해가 적고, 달이 뜨지 않고, 날씨가 맑은 곳을 찾아야 합니다. 우리나라에서는 지리산이나 화천 광덕산 등이 은하수를 관측하기 좋은 곳으로 알려져 있습니다. 은하수는 우리 은하의 면을 지구에서 본 모습이며, 약 2천억에서 4천억 개의 별들로 이루어져 있습니다. 은하수의 나이는 약 132억 년으로, 우주의 나이(약 138억 년)와 거의 비슷합니다. 은하수는 막대나선은하의 형태를 하고 있으며, 은하의 중심은 궁수자리 방향에 있습니다.