안녕하세요. 이웃집 천체물리학자 이상민 전문가입니다.
전기·전자
Q. 양자컴퓨터와 일반컴퓨터의 차이가 무엇인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.양자컴퓨터와 일반컴퓨터의 가장 큰 차이점은 정보 처리 방식에 있습니다. - 일반 컴퓨터(우리는 이를 디지털 컴퓨터라 부릅니다)는 전기적인 스위치로 이루어진 비트(bit) 단위로 정보를 처리합니다. 비트는 0 또는 1의 두 가지 상태를 갖으며, 이들을 조합하여 복잡한 계산을 처리합니다.- 반면에 양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 데이터를 처리합니다. 양자 컴퓨터에서는 큐비트(qubit)라는 단위로 정보를 처리하는데, 큐비트는 일반 컴퓨터의 비트와 달리 0과 1의 두 가지 상태뿐 아니라 중첩상태(superposition)라는 두 상태가 확률적으로 혼재된 상태도 가질 수 있습니다. 이는 일반 컴퓨터에서는 불가능한 일입니다. 또한, 양자 병렬처리(quantum parallelism)라는 기술을 이용하여 동시에 여러 개의 계산을 수행할 수 있어서 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 이러한 특성들은 양자 컴퓨터가 특정한 문제를 처리하는데 유리하다는 것을 의미하지만, 일반적인 모든 문제에서 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터보다 무조건 우월하다는 것은 아닙니다. 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터와는 달리 양자 상태를 유지하기 위해 매우 냉각된 환경에서 운영되어야 하고, 오차 수정과 노이즈 제거 등의 기술적인 문제들이 아직 많이 남아있어 세계 각국은 이런 문제 해결을 위해 총력을 다하고 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 태양폭풍은 어떤 원인으로 생기는 건가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.태양폭풍은 태양의 흑점에서 발생하며, 이는 태양 플레어 현상과 관련이 있습니다. 이 폭풍은 지구의 자기장을 압축하고, 오로라 현상을 일으키며, 인공위성의 궤도를 교란하고, 장거리 무선 통신을 방해합니다. 태양폭풍으로 인한 피해를 막기 위해, 태양활동을 정확하게 예측하고 이를 관련 기관에 전달하는 것이 중요합니다. 이는 필요한 조치를 취할 수 있게 해주며, 우리의 삶과 생명, 그리고 지구와 생태계를 보호하는 데 필요합니다.
지구과학·천문우주
Q. 초신성 폭발이 일어나는 별의 특징은 무엇인가요
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.초신성 폭발은 별의 핵심에서 핵융합이 중단되면 발생하는 현상으로, 이는 주로 태양보다 10배 이상 큰 별에서 발생합니다. 이러한 폭발은 Type I과 Type II로 분류되며, 각각 백색 왜성과 무거운 별의 진화 과정에서 발생합니다. 백색 왜성은 이웃한 별로부터 물질을 흡수하다가 한계치에 이르면 폭발하며, 무거운 별은 진화 과정에서 별의 중심부에 철 그룹 원소들이 모이게 됩니다. 초신성 폭발의 전조 증상은 아직 확실하게 알려져 있지 않지만, 한국천문연구원의 KMTNet은 폭발 직후 1시간 이내의 빛을 포착하였습니다. 이를 통해 초신성의 색이 붉어진다는 사실을 확인하였으며, 이는 철 성분이 초신성의 가장자리에 집중되어 있기 때문입니다.
물리
Q. 마하는 시속 몇Km를 의미하는 지 알려주세요.
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.마하는 음속에 기반한 속도 측정법이며, 주로 비행기나 로켓의 속도를 나타낼 때 사용됩니다. 1마하는 음속과 같은 속도로, 약 340 m/s 또는 시속 1,224 km/h 에 해당합니다. 음속은 공기의 밀도나 온도에 따라 변할 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 빅뱅이론 무엇인지 알려주세요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.빅뱅이론은 우주가 약 138억 년 전에 한 점에서 폭발적으로 확장하기 시작한 것이라는 이론입니다. 이 한 점은 모든 물질과 에너지, 시간과 공간이 함유된 초고밀도, 초고온의 상태였습니다. 이를 '특이점'이라고 부릅니다. 특이점이 왜 폭발했는지는 아직 밝혀지지 않았습니다. 하지만 이 폭발로 인해 우주는 빠르게 팽창하면서 물질과 에너지, 시간과 공간이 생성되었습니다. 이렇게 우주의 탄생을 설명하는 이론이 바로 빅뱅이론입니다. 빅뱅이론은 우주의 초기 상태와 진화 과정을 상세히 설명하고 있습니다. 빅뱅 이후 첫 10의 -43승초 동안에는 우주의 온도가 10의 32승도에 이르렀습니다. 이때는 물질과 에너지, 시간과 공간이 구분되지 않았습니다. 이를 '플랑크 시대'라고 부릅니다. 그 다음 10의 -35초 동안에는 우주가 급격히 팽창했습니다. 이를 '인플레이션 시대'라고 부릅니다. 이 시대에는 우주의 크기가 10의 26배나 커졌습니다. 이후에는 우주가 점차 식으면서 물질과 에너지, 시간과 공간이 형성되었습니다. 이 과정에서 기본 입자들이 만들어졌고, 그 입자들이 원자핵을 구성했습니다. 이를 '원자핵 시대'라고 부릅니다. 원자핵 시대가 끝난 후에는 우주가 더 식으면서 원자가 만들어졌습니다. 이를 '원자 시대'라고 부릅니다. 원자 시대가 끝난 후에는 우주가 더 식으면서 복사와 물질이 분리되었습니다. 이를 '재결합 시대'라고 부릅니다. 이 시대에는 우주가 투명해졌고, 우주 마이크로파 배경 복사가 발생했습니다. 재결합 시대가 끝난 후에는 우주가 더 식으면서 은하와 별이 만들어졌습니다. 이를 '구조 형성 시대'라고 부릅니다. 이 시대에는 우주의 대규모 구조가 형성되었습니다. 이렇게 빅뱅 이론은 우주의 탄생부터 현재까지의 역사를 설명합니다. 빅뱅이론은 다양한 증거를 통해 입증되었습니다. 예를 들어, 은하들이 우리로부터 멀어지는 속도와 거리의 관계를 나타내는 허블의 법칙, 은하들이 멀어짐에 따라 빛의 색이 빨간색 쪽으로 이동하는 적색 편이, 빅뱅 이후에 우주에 남은 잔광인 우주 마이크로파 배경 복사, 우주에 있는 은하와 은하단의 거대한 구조, 먼 은하계에서 발견되는 일정한 밝기를 가진 Ia형 초신성 등이 있습니다. 이들은 모두 빅뱅 이론이 맞다는 것을 증명하는 강력한 증거들입니다. 허블의 법칙은 우주가 확장하고 있다는 것을 보여주고, 적색 편이는 우주가 과거에는 더 작고 뜨거웠다는 것을 보여줍니다. 우주 마이크로파 배경 복사는 우주의 초기 상태를 반영하는 복사로, 빅뱅 이후 약 38만 년 후에 발생했습니다. 우주의 대규모 구조는 빅뱅 이후 물질의 밀도 차이에 의해 형성된 것으로, 우주의 진화 과정을 보여줍니다. Ia형 초신성은 우주의 확장 속도를 측정하는 표준 촛불로, 우주의 연령과 기하학을 알아낼 수 있습니다. 이 외에도 빅뱅 이론을 뒷받침하는 다른 증거들도 많이 있습니다. 빅뱅이론은 현재까지 우주의 기원과 진화를 가장 잘 설명하는 이론입니다. 그러나 이 이론 역시 완벽하게 모든 것을 설명하지는 못합니다. 아직 해결되지 않은 문제들, 예를 들어 우주의 확장 속도를 설명하기 위한 암흑 에너지의 존재, 물질과 암흑 물질의 비율, 빅뱅 이전의 우주의 상태 등은 계속해서 과학자들의 연구 주제입니다. 또한 빅뱅 이론에 대한 반대 이론도 존재합니다. 예를 들어, 우주가 항상 일정한 상태로 존재해 왔으며, 새로운 물질이 지속적으로 생성되어 우주의 확장을 유지하고 있다는 정상 상태 이론, 우주가 거대한 플라즈마 구조로 이루어져 있으며, 이 플라즈마의 상호작용을 통해 우주 구조가 형성되었다는 플라즈마 우주 이론 등이 있습니다. 하지만 이들 이론은 현재의 우주 관측 결과와 많이 다르므로 널리 받아들여지지 않고 있습니다. 빅뱅 이론은 계속해서 새로운 증거와 발견에 의해 수정되고 보완되고 있습니다. 우주의 미스터리를 완전히 풀어내는 그날까지, 과학자들의 탐구는 멈추지 않을 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 우주가 팽창하고 있는 것은 어떻게 알 수 있나요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.우주 팽창은 우주의 모든 공간이 시간에 따라 늘어나고 있음을 의미합니다. 이는 우리가 살고 있는 우주가 고정된 크기가 아니라, 계속해서 확장되고 있다는 것을 의미합니다. 이러한 우주 팽창은 우리가 관찰하는 은하들의 움직임을 통해 알 수 있습니다. 은하들은 서로 멀어지고 있으며, 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 우주의 공간이 늘어남에 따라 은하들이 떨어지는 것이 아니라, 은하들이 있는 공간 자체가 늘어나는 것입니다. 우주 팽창을 알 수 있는 증거는 다음과 같습니다: - 허블의 법칙: 은하들이 우리로부터 멀어지는 속도는 지구로부터의 거리에 비례한다는 법칙입니다. 이는 우주가 실제로 팽창하고 있음을 의미합니다. 허블의 법칙은 1929년에 에드윈 허블이 은하들의 적색 편이를 측정하면서 발견했습니다. 허블은 은하들이 우리로부터 멀어지는 속도와 거리 사이에 일정한 상수가 존재한다는 것을 알아냈습니다. 이 상수를 허블 상수라고 하며, 우주 팽창의 비율을 나타냅니다.- 적색 편이: 은하들이 멀어짐에 따라 그들이 방출하는 빛의 파장이 늘어나고, 스펙트럼 상에서 빨간색 쪽으로 이동하는 현상입니다. 이는 우주의 공간이 확장되고 있음을 보여줍니다. 적색 편이는 빛의 도플러 효과의 일종으로, 빛을 방출하는 천체가 우리로부터 멀어지면 파장이 길어지고, 가까워지면 파장이 짧아지는 현상입니다. 파장이 길어지면 빛의 색이 빨간색 쪽으로, 파장이 짧아지면 파란색 쪽으로 이동합니다. 은하들이 우리로부터 멀어지는 속도가 빠를수록 적색 편이가 커집니다.- 우주 마이크로파 배경 복사: 빅뱅 이후에 우주에 남은 잔광으로, 우주 전체에서 발견되는 방사선입니다. 이 복사는 우주의 초기 온도와 밀도에 대한 정보를 제공하며, 팽창 이론을 뒷받침하는 중요한 증거로 인정받고 있습니다. 우주 마이크로파 배경 복사는 1964년에 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨이 우연히 발견했습니다. 이 복사는 빅뱅 이후에 우주가 팽창하면서 식어가면서 남은 복사로, 현재는 약 2.7 K의 온도를 가지고 있습니다. 이 복사의 세기와 분포는 우주의 초기 상태와 구조에 대한 많은 힌트를 줍니다.- 우주의 대규모 구조: 우주에 있는 은하와 은하단의 분포는 공극, 필라멘트, 은하단이 있는 광대한 우주 거미줄 같은 구조를 보여줍니다. 이러한 구조의 존재와 배열은 우주의 팽창과 우주 시간에 따른 물질의 중력 인력으로 잘 설명됩니다. 우주의 대규모 구조는 천문학자들이 은하들의 위치와 운동을 관측하고, 컴퓨터 모델링을 통해 재현한 결과입니다. 이 구조는 우주의 초기에 물질이 어떻게 분포하고, 어떻게 진화하였는지를 보여줍니다.- 초신성 관측: 먼 은하계에서 Ia형 초신성의 관측은 우주 팽창에 대한 강력한 증거를 제공했습니다. 이 초신성은 일정한 고유 밝기를 갖고 있기 때문에 "표준 촛대"로 알려져 있습니다. 천문학자들은 겉보기 밝기와 적색 편이를 측정함으로써 지구로부터의 거리를 정확하게 결정할 수 있습니다. 멀리 있는 초신성이 예상보다 더 희미하다는 (따라서 더 멀리 있다는) 발견은 암흑 에너지로 인한 우주의 가속 팽창에 대한 증거를 제공했습니다. 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 힘으로, 우주의 약 70%를 차지한다고 추정됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 그레고리력과 율리우스력은 무슨 차이인가요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.고레고리역은 현재 전 세계적으로 통용되는 태양력으로, 1582년에 교황 그레고리오 13세가 이전의 율리우스역을 개정하여 시행한 역법을 말합니다. 율리우스역은 4년마다 윤년을 두었지만, 이는 실제 태양년보다 약 11분 14초 길어서 오차가 쌓이게 되었습니다. 그레고리역은 100으로 나누어 떨어지는 해는 400으로도 나누어 떨어지지 않으면 윤년이 아니라고 하여, 400년에서 3일을 빼는 방법으로 오차를 보정하였습니다. 예를 들어, 2000년은 윤년이지만, 2100년은 윤년이 아닙니다. 이렇게 하면 태양년과 더 근접하게 맞출 수 있습니다. 율리우스력의 윤년 추가 규칙은 다음과 같다.4로 나누어 떨어지는 해는 윤년, 그 밖의 해는 평년으로 한다. 그레고리력은 다음과 같은 예외 규칙을 추가하였다.100으로 나누어 떨어지되 400으로 나누어 떨어지지 않는 해는 평년으로 한다. (즉, 끝 두 자리가 00이면서 윗 자리가 4의 배수가 되는 해) 가령 400으로 나누어 떨어지는 2000년은 그레고리력으로 윤년이지만, 100으로는 나누어 떨어지되 400으로는 나누어 떨어지지 않는 1900년은 평년이다. 물론 율리우스력으로는 1900년이든 2000년이든 모두 윤년이다. 이 규칙에 따라 보통 4년에 한 번씩 추가되는 하루 날은 날수가 가장 적은 2월에 추가된다. 이것이 바로 4년마다 2월 29일이 돌아오는 이유다. 윤년이 생기는 이유는 지구의 자전주기와 공전주기가 딱 맞물리지 않기 때문이다. 지구가 태양을 한 바퀴 도는 공전주기는 365.2422일인데, 달력의 최소 단위인 하루는 자전주기를 기준으로 하기 때문에 남는 0.2422일(5시간 48분 46초)을 표기할 방법이 없다. 그러나 이 오차가 4년 모이면 하루에 근접해지기 때문에 4년마다 하루를 추가해서 넣는 것으로, 이것을 윤년이라고 한다. 그리고 이렇게 추가된 날짜를 윤일, 또는 윤년일이라고 부른다. 율리우스력이 나올 때는 아직 천문학이 충분히 발전하지 못했기 때문에 1년을 365.25일로 계산했다. 이 때문에 단순히 4년마다 윤년을 계속해서 추가했는데, 이렇게 할 경우 실제 지구의 공전주기보다 1년마다 0.0078일(11분 14초) 길어지는 오차가 생긴다. 별 것 아닌 것처럼 보여도 128년마다 하루씩 오차가 쌓이기 때문에 이게 천 년 이상 지나면 무시못할 정도의 오차가 된다.
지구과학·천문우주
Q. 지구의 대기에는 어떤 기체가 포함되어 있나요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.지구의 대기는 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며, 그 외에 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등의 희소 기체가 포함되어 있습니다. 수증기를 제외한 공기 성분은 약 80 km까지 거의 일정하며, 다음과 같습니다: - 질소: 78.08%- 산소: 20.95%- 아르곤: 0.93%- 이산화탄소: 0.04%- 헬륨: 0.0005%- 수소: 0.00005% 수증기의 함량은 장소와 시간에 따라 다르며, 평균적으로 0.25% 정도입니다. 또한, 대기에는 오존, 메탄, 질소산화물, 황화물, 오존층 파괴물질 등의 기체도 존재합니다. 지구의 대기는 높이에 따라서 다른 온도와 구성을 가지며, 다음과 같이 다섯 층으로 나눌 수 있습니다: - 대류권: 지표면에 가장 가까운 층으로, 대부분의 기상현상이 일어나는 곳입니다. 고도가 높아질수록 온도는 낮아집니다.- 성층권: 대류권 위에 있는 층으로, 오존층이 존재하는 곳입니다. 고도가 높아질수록 온도는 상승합니다.- 중간권: 성층권 위에 있는 층으로, 고도가 높아질수록 온도는 다시 낮아집니다. 야간운이 형성되기도 합니다.- 열권: 중간권 위에 있는 층으로, 전리층이라고도 불립니다. 고도가 높아질수록 온도는 다시 상승합니다. 오로라나 유성이 관측되기도 합니다.- 외기권: 지구 대기의 최외곽 층으로, 우주 공간과 접하는 곳입니다. 수소와 헬륨이 주로 존재하며, 온도는 매우 높습니다. 지구의 대기는 우리의 생존과 기후에 매우 중요한 역할을 합니다. 대기는 태양으로부터의 열을 흡수하고 반사하며, 지구의 온도를 적절하게 유지합니다. 또한, 대기는 해로운 자외선으로부터 우리를 보호하고, 숨쉴 수 있는 산소를 제공하며, 물의 순환을 돕습니다
지구과학·천문우주
Q. 명왕성은 왜 행성의 지위를 잃게 되었는지가 궁금합니다!
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.명왕성은 태양계의 가장자리에 있는 작고 얼어있는 천체입니다. 1930년에 미국의 천문학자 클라이드 톰보가 로웰 천문대에서 천체 사진판을 비교하면서 우연히 발견했습니다. 톰보는 퍼시벌 로웰이 예측한 행성 X를 찾고 있었는데, 명왕성은 그와는 다른 천체였습니다. 하지만 당시에는 명왕성이 태양계의 아홉 번째 행성이라고 인정되었습니다. 명왕성의 발견은 우연과 인내의 결실이라고 할 수 있습니다. 그러나 2006년에 국제천문연맹(IAU)이 행성의 기준을 새로 정했습니다. 행성은 다음의 세 가지 조건을 모두 만족해야 합니다: - 태양의 중력에 의해 공전하는 천체- 자신의 중력에 의해 구형 또는 거의 구형으로 유지되는 천체- 자신의 궤도 주변을 청소하고 다른 천체들을 제거하거나 흡수하는 천체 명왕성은 첫 번째와 두 번째 조건은 충족하지만, 세 번째 조건은 만족하지 못합니다. 명왕성의 궤도에는 카이퍼대라는 얼음과 암석으로 이루어진 수많은 천체들이 있습니다. 명왕성은 이들을 제거하거나 흡수할 수 있는 충분한 질량과 중력이 없습니다. 또한 명왕성의 궤도는 해왕성의 궤도와 겹치기도 합니다. 따라서 명왕성은 자신의 궤도를 독점할 수 없다고 판단되었습니다. 이에 따라 명왕성은 행성에서 왜행성으로 분류되었습니다. 명왕성이 행성에서 왜행성으로 분류되는 것은 명왕성의 특성이나 중요성이 바뀐 것이 아니라, 행성의 정의가 바뀐 것입니다. 명왕성은 여전히 태양계의 흥미로운 천체로서 많은 연구와 관심을 받고 있습니다. 2015년에는 뉴 허라이즌스 탐사선이 명왕성을 가까이에서 관측하면서 명왕성의 표면과 대기, 위성들에 대한 새로운 정보를 얻었습니다. 명왕성은 행성이 아니더라도 태양계의 중요한 구성원입니다.
지구과학·천문우주
Q. 별은 사라지기도 하지만 새롭게 만들어지기도 하나요?
안녕하세요. 이상민 과학전문가입니다.밤 하늘에 보이는 별동별은 일반적으로 우리가 알고 있는 '별'이 아니고, 태양계 내 지구 공전 궤도에 있는 소행성 잔해가 지구 대기로 진입하여 지구 대기와 마찰로 인해 지면에 떨어지기 전에 소멸하거나 타다 남은 운석으로 발견되는 천체입니다. 지구는 '별'이 아니고 행성이며 이러한 행성은 별이 탄생할 때 만들어질 수 있습니다. 이러한 항성계를 찾는 과학 캠페인이 진행되고 있습니다.