안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
Q. 구상 번개라고 있던데 이건 뭔지 궁금 합니다.
구상번개란 구 즉 공 모양의 번개입니다. 몇초에서 수십초동안 공중에 떠다니다가 조용히 사라지거나 폭발하는 현상으로 둥근 구체가 10~40cm정도로 밝게 빛나고 떠다니거나 느리게 움직이지만 가끔은 급격하게 튀는 현상이 나타나기도 합니다.일반적인 번개는 길게 뻗는 선이고 대전된 구름과 땅 사이의 전위차로 발생하지만 구상번개는 둥근 구형으로 천둥과 낙뢰 근처에서 간헐적으로 발생하게 됩니다. 일반적인 번개는 잘 연구되어 있고 물리적으로 설명할 수 있지만 구상 번개는 눈으로 본 사람은 많은데 실험실에서 재현하거나 이론으로 완전히 설명한 사례가 극히 드물게 됩니다. 사진/영상으로도 거의 기록되지 않았꼬 목격담만 존재하지요. 이에 대해 설명하는 가설(플라즈마 가설, 나노 입자 연료 가설, 마이크로파 캐비티 가설, 양자적 현상, 새로운 전자기 현상가설)들이 있지만 모두 완벽하게 설명하기엔 역부족인 현상들이지요!
Q. 물질을 확대하면 텅텅 비어 있다는데 우리가 통과하지 못하는 이유가 궁금합니다.
물질은 실제로 거의 빈 공간이라고 알려져 있는데 원자의 구조는 중심에 있는 핵과 바깥을 도는 전자로 이루어져 있죠. 전자 껍질까지의 공간 대부분은 실질적인 물질이 아니라 빈공간이고 비율로 빠지면 원자가 99.9999999999999999999999999999999999% 정도 빈 공간으로 유지되게 됩니다. 그런데 손이 물건을 뚫고 지나가지 못하는것은 전자기력의 전자간 반발력 때문인데, 물체의 표면은 전자들로 이루어져 있고, 우리의 손도 전자들로 이루어진 원자들로 이루어져 있기에 전자는 음전하를 띄고 있고 서로 가까이 가면 전자기적 반발력을 가지게 하여 우리가 물체를 만지는 순간은 실제론 전자간의 강한 반발력에 의해 더 이상 가까이 접근하지 못하는 상태가 되게 되는것입니다. 양자역학의 원리는 파울리 배타의 원리로 원자 내의 전자들이 서로 같은 상태를 가질수 없고 이때문에 두개의원자가 같은 공간을 공유하지 못하고 겹치지 못하게 되는것입니다. 따라서 물질은 대부분 빈공간이지만 전자기력과 양자역학으로 우리가 통과할 수 없는 단단한 실체처럼 느껴지게 되는것입니다.
Q. 양자역학을 이해한 사람이 없다고 하는데 사실인가요?
양자역학을 이해한 사람은 없다는 표현은 많은 유명한 물리학자들 입에서 나온 말이지요. 양자역학은 실험적으로 엄청나게 정확한 예측을 해내기도 하는데 계산하고 예측하고 실용화 하는데는 아무런 문제가 없지요. 모른다는건 수학적으로 이해하지 못한다는 뜻이 아니라양자역학은 직관적으로는 말이 안됩니다. 입자이면서 동시에 파동이다 라는 것을 예로 들자면 입자면 입자고 파동이면 파동이지 어떻게 둘다일수 있으며 측정하면 결과가 정해지지만 측정전에는 확률로 존재할수 있으며 실제로는 존재하지 않은것처럼 보이지만 측정하자마자 뚝 나타나게 되고 두 입자가 먼 거리에서도 즉시 영향을 주고 받는 얽힘과 같은 것들이 나타나기에 말이 안된다고 표현하는 것입니다. 양자역학은 결과를 예측하는 수학도구는 제공하지만 그것이 실제로 어떤 일이 일어나는지는 설명하지 않게 되는것이지요. 이때문에 코펜하겐 해석, 다세계해석, 파일럿 웨이브 해석, 양자 베이지안 해석 등의 여러가지 해석방법이 나오게 되는 것입니다. 양자역학은 정확히 계산할 수 있지만, 우리가 직관적으로 받아들일수 없는 방식으로서 세상이 작동한다는점이 문제다와 같이 수학적으로는 잘 알지만 그게 현실 세계에서 어떠헥 가능한지에 대해서 설명하기가 어렵게 된다는 것이죠!
Q. 양자역학 기술로 일상생활에 적용 가능한 분야가 있을까요?
양자역학은 매우 추상적이고 직관에 반하는 과학이라고는 하지만 이미 우리의 일상생활에 깊숙이 들어와 있답니다. 예를 들어 반도체 분야에서 트랜지스터와 집적회로는 전자의 양자 터널링, 에너지 밴드 구조를 이용해 작동하며 스마트폰이나 컴퓨터 등의 핵심적인 요소로 작용하죠. 또한 레이저는 양자 상태에서의 유도 방출 원리를 이용하며 블루투스나 프린터, 거리측정기 등에 사용됩니다. 자기공명 영상인 MRI는 양자역학적 스핀 개념을 활용해 인체 내부 이미지를 찍으며, 태양광 패널도 광전효과를 이용하여 태양빛을 특정 금속에 닿게하여 전자를 방출하는 원리를 이용하게 됩니다. 이외에도 양자컴퓨터나 양자 암호통신, 양자센서 등을 준비하고 상용화 하고 있다고 알려져 있죠!
Q. 차원이라는 것은 공간을 의미하나요? 아니면 특정 조건을 말하는 건가요?
차원이라는 개념은 단순히 공간을 의미하는것이 아닌 수학적 물리학적 개념으로서 복잡한 정보의 변수를 가지게 됩니다. 차원은 어떤 대상이나 시스템의 상태를 완전히 표현하기 위해 필요한 독립적인 축의 수이며 1차원은 선 위의 위치, 2차원은 평면 위의 위치, 3차원은 입체 공간, 4차원은 x,y,z과 t인 시간까지 합쳐져 다른 특성을 모두 포함하게 됩니다. 시간의 경우 공간처럼 측정 가능하고 방향성이 있는 값이기에 차원이라고 부르며 상대성이론에서 아이슈타인은 공간과 시간을 통합하여 4차원 시공간으로 다루게 합니다. 수학에서너 공간이 아닌 개념도 포함이 되며 기후 모델에서 온도나 습도 기압 풍속 등을 다루게 한다면 4차원 이상의 상태 공간을 의미하게 해 줍니다, 즉 공간을 넘어서 상태나 조건, 변수 등을 설명하는 수단으로 이야기 하게 되는 것이지요!