Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 빛보다 빠르면 왜 시간 역행이 가능하다는 건가요?
안녕하세요. 빛보다 빠른 속도로 이동이 가능할 경우 시간 역행이 가능하다는 이론은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 특수 상대성 이론(Special Theory of Relativity)에서 기인합니다. 이 이론은 시공간의 구조와 빛의 속도가 우주의 근본적인 속도 한계임을 제시합니다. 빛의 속도를 초과하는 것이 가능하다면, 이는 시간과 공간의 연속성에 극적인 변화를 초래할 수 있으며, 이론적으로는 시간을 역행하는 효과를 낼 수 있습니다. 빛의 속도(c)는 진공에서 약 299,792 km/s로, 상대성 이론에 따르면 이 속도는 물질이나 정보가 우주에서 이동할 수 있는 최대 속도입니다. 이 속도를 초과하는 것이 가능하다고 가정할 때, 이를 가능하게 하는 가상의 입자를 타키온(Tachyon)이라고 합니다. 타키온은 이론적인 입자로, 만약 존재한다면 시간 축을 역행하여 움직일 것으로 예측됩니다. 타키온이 시간을 역행한다는 개념은 이 입자가 정보를 과거로 전달할 수 있음을 의미합니다. 이는 인과율(Causality)을 위반하는 것으로, 원인이 결과보다 늦게 발생하는 상황을 초래할 수 있습니다. 이와 같은 현상은 현재의 물리학 법칙과 상충되며, 만약 실제로 발생한다면, 우리의 시간에 대한 이해를 근본적으로 재고해야 할 필요가 있습니다. 현재로서는 빛의 속도를 초과하는 어떤 현상도 관찰되지 않았으며, 타키온 같은 입자는 실험적으로 발견되지 않았습니다. 따라서 시간 역행이 실제로 가능한지에 대해서는 과학 커뮤니티 내에서도 여전히 많은 논란이 있습니다. 상대성 이론은 이론적 모델을 통해 다양한 가능성을 제시하지만, 이를 실증적으로 증명하는 것은 미래의 과학 기술 발전에 달려 있습니다.
Q. 에어컨의 작동원리는 열역학? 이라고 하는데 진짜인가요?
안녕하세요. 네, 에어컨의 작동 원리는 열역학의 법칙을 근간으로 하는게 맞습니다. 주로 냉매의 상태 변화와 에너지 이동 과정을 통해 실내 공기를 냉각시키는 과정에 초점을 맞춰서 보시면 될 것 같습니다. 에어컨 시스템의 핵심 구성 요소에는 압축기(compressor), 응축기(codenser), 팽창 밸브(expansion valve), 증발기 (evaporator)가 있습니다. 압축기는 냉매를 압축하여 그 열 에너지를 증가시키고, 응축기에서 냉매가 열을 방출하며 응축되도록 합니다. 이후, 팽창 밸브를 통과한 냉매는 압력이 감소하면서 급격히 냉각되고, 증발기에서는 이 냉매가 실내 공기로부터 열을 흡수하며 증발합니다. 이 증발 과정에서 공기는 냉각되고, 냉매는 다시 압축기로 순환하여 이 과정을 반복합니다. 이러한 과정은 열역학의 첫 번째 법칙 에너지 보존 법칙을 따릅니다. 에어컨 시스템은 에너지를 창출하거나 소멸시키지 않고, 단지 에너지의 형태를 변환시킬 뿐입니다. 또한, 열역학의 두 번째 법칙에 따라, 에어컨은 열을 자연스럽게 높은 온도에서 낮은 온도로 이동시키는 대신, 외부 에너지원(전기)을 사용하여 열을 낮은 온도에서 높은 온도로 강제로 이동시킵니다. 이 과정에서 냉매는 열을 실내에서 실외로 전달하는 매개체 역할을 합니다.
Q. 사이클로이드의 증명 원리위주의 해설 부탁드립니다
안녕하세요. 중학교 2학년때 삼각함수에 대해서 배우는 과정이 있는지 모르겠습니다. 요즘의 교과 과정을 제가 잘 모르고 있기 때문에 기본적으로 사이클로이드의 증명을 이해하기 위해서는 삼각함수의 지식이 필요하지만, 삼각함수에 대한 이해 없이도 직관적으로 설명해보겠습니다. 사이클로이드는 원이 일정한 직선 위를 굴러갈 때, 원의 한 점이 그리는 궤적을 말합니다. 이 곡선은 수학적으로 흥미로운 성질을 여러 가지 가지고 있습니다. 특히, 고전역학에서 중요한 역할을 하며, 공학, 물리학 등 다양한 분야에서 응용됩니다. 사이클로이드의 기본 정의와 공식을 우선 설명드리면, 사이클로이드 곡선은 원의 반지름이 r이고, 원이 굴러가는 직선(기준선) 위의 한 점에서 출발하여 그린 궤적입니다. 원이 굴러가면서 그리는 경로를 좌표 평면에서 파라메트릭 방정식으로 나타낼 수 있습니다 : x(θ) = r(θ−sinθ) y(θ) = r(1−cosθ) 여기서 θ는 원의 중심이 움직인 각도를 라디안 단위로 나타냅니다. 증명의 원리 원이 회전하면서 원점에서 θ만큼 회전했다고 가정합니다. 이 때, 원의 중심은 수평 방향으로 rθ 만큼 이동합니다. 원 위의 한 점도 이와 같은 각도로 회전하며, 원의 중심으로부터의 수직 거리는 r입니다. 수평 위치 x(θ) - 원점에서 출발한 원이 θ라디안만큼 회전했을때, 원의 중심은 기준선을 따라 rθ 만큼 이동합니다. 그러나 원 위의 점은 원의 회전으로 인해 원점으로부터 약간 뒤로 이동하는 효과가 있습니다. 이 뒤로 이동하는 거리는 r sinθ입니다(원의 수직 성분). 따라서 실제 x 위치는 rθ - r sinθ가 됩니다. 수직 위치 y(θ) - 원 위의 점은 원의 중심으로부터 r의 거리를 유지하며 움직입니다. 기준선에서 r의 높이에 있던 원의 중심으로부터, 원 위의 점은 추가로 r cosθ의 높이만큼 위로 올라가거나 내려갑니다. 따라서 실제 y위치는 기준선에서 r - r cosθ입니다. 이러한 수학적 모델은 사이클로이드의 기하학적 성질과 그 움직임을 설명하는데 사용됩니다. 이 원리를 이해하는 것은 원의 움직임과 곡선의 특성을 탐구하는데 중요한 시작입니다. 이와 관련된 더 심도있는 학문적 탐구를 원하는 것으로 이해가 되어, 소개를 해드리면 'The Geometry of the Cycloid'와 같은 학술 논문을 참고할 수 있습니다. 또 구글 스칼라로 들어가서 Cycloid를 검색해보면 다양한 학술적 논문들을 찾아 보실 수 있습니다. 여러 번역 프로그램들이 많아서 외국 페이퍼들도 쉽게 이해할 수 있을 것으로 예상됩니다.
Q. 아인슈타인은 어떤 업적으로 노벨상을 받았나요?
안녕하세요. 알베르트 아인슈타인은 1921년에 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그러나 흔히 오해하듯 아인슈타인의 상징과 같은 상대성 이론(relativity theory)으로 노벨상을 받은 것이 아니라, '광전 효과(photoelectric effect)에 대한 그의 해석'으로 노벨상을 받았습니다. 광전 효과는 빛-특히 자외선-이 금속에 충돌할 때 전자를 방출시킬 수 있는 현상으로, 이 현상을 통해 빛이 입자성을 갖는다는 것을 아인슈타인이 1905년에 제안함으로써, 양자론의 발전에 중요한 기여를 했습니다. 아인슈타인의 이론은 플랑크의 검은체 복사(black-body radiation)에 대한 이론과 볼츠만의 통계 역학(statistical mechanics)을 통합, 확장한 것이었습니다. 그는 빛이 에너지를 양자화된 패킷(광자, photons) 형태로 전달한다고 설명하였으며, 이 광자가 금속의 전자와 충돌하여 전자가 금속을 떠나게 하는 현상을 수학적으로 모델링하였습니다. 이러한 아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명은 양자 역학의 발전에 결정적인 역할을 하였으며, 후에 로버트 밀리컨(Robert Millikan)에 의해 실험적으로 확인되었습니다.
Q. 물의 끓는점과 고도에 대해서 궁금합니다.
안녕하세요. 물의 끓는점은 대기압에 따라 변화합니다. 해수면에서의 표준 대기압(1 기압 또는 1013.25 밀리바)에서 물의 끓는점은 100°C입니다. 고도가 높아질수록 대기압이 낮아지고, 이에 따라 물의 끓는점도 낮아집니다. 한라산 정상은 약 1950m의 고도에 위치해 있습니다. 고도에 따른 대기압 감소를 고려할 때, 이 고도에서의 물의 끓는점은 해수면보다 낮을 것입니다. 일반적으로 고도가 약 300미터 올라갈 때마다 물의 끓는점은 대략 1°C씩 떨어집니다. 이를 근거로 한라산 정상에서의 물의 끓는점을 추정해 보면, 약 1950m의 고도에서는 물의 끓는점이 대략 94°C정도가 될 것으로 예상할 수 있습니다. 이러한 고도에 따른 물의 끓는점 변화는 등산객이나 캠퍼들이 물을 끓여 식수를 정화하거나 식사를 준비할때 고려될 사항이라 생각됩니다.