BBC 다큐멘터리 ATOM. 3부-2탄

ATOM 3부-2탄

2013년 1월 12일 토요일

오후 8:40

   

   

이전 시간에 이어서…

 

   

이 방정식이 뭐길래

또 다른 우주의 존재를 발견 할 수 있게 만든 것일까요?

   

   

반물질 이라고 들어 보셨죠?

디락의 방정식은 바로 이 반물질을 존재를 예측 할 수 있게 해 줬습니다.

   

디락의 이론에 의하면

우리가 아는 우주의 모든 원자, 모든 입자에는

그에 대응하는 반입자가 있습니다.

   

입자와 반입자의 관계는

질량만 같고

질량 이외의 모든 특징이 정확히 반대되는 관계입니다.

   

마치 거울 속의 이미지처럼

반물질로 이루어진 우주는

우리우주와 같은 모습입니다.

   

   

마치 SF소설에나 나올 것만 같은 이 황당한 이론은

실재로 반물질이 존재한다는 것을 밝혀내는 데

매우 중요한 열쇠가 되었습니다.

   

특히 전자의 반물질인 양전자는

현재 실험실에서 만들어지고 있습니다.

   

양전자 (positron) 는 정교한 의료 영상 장치인

PET(Positron Emission Tomography, 양전자 방출 단층 촬영)에 쓰여서

두개골 속 뇌의 영상을 정확하게 볼 수 있게 해 줍니다.

   

이렇게 대단한 이론이지만...

디락의 이론이 처음 세상에 나왔을 때

이를 접한 물리학자들의 반응은 매우 회의적이었습니다.

   

디락 스스로도 자신의 이론을 믿기가 힘들었습니다.

   

반물질은 정말 말도 안 되는 개념처럼 보였으니까요...

   

그런데 디락의 방정식을 증명 해 줄 수 있는 증거가 나타났습니다.

그런데 그 증거는 원자에서 나온 것이 아닙니다.

   

   

1932년 칼텍의 물리학자 칼 앤더슨은 놀라운 발견을 하게 됩니다.

그는 우주선(Cosmic ray)를 연구하고 있었습니다.

우주선은 우주에서 지구로 쏟아져 내리는 고에너지 아원자 입자입니다.

   

우주선을 관찰하기 위해서 칼 앤더슨은 안개상자라는 장치를 썼습니다.

말 그대로 수증기가 가득 찬 상자인데

입자가 지나가면 지나간 경로에 흔적을 남기기 때문에

우주선의 경로를 추적 할 수 있었습니다.

   

그 당시 우리는 전하를 가진 입자가 자기장 속에서

원운동을 한다는 사실을 알고 있었습니다.

로렌츠힘...

2부에서 다룬 적 있죠?

   

이 때 중요한 것은

음의 전하와 양의 전하는 반대방향으로 회전한다는 것입니다.

   

그런데 안개상자에서 우주선의 궤적을 관찰했더니

전자의 이동경로와 정확히 반대되는 궤적이 관찰 된 것입니다.

   

원래 전자는 양성자보다 매우 가볍기 때문에

양성자의 이동경로와 전자의 이동경로는

방향은 반대이지만 회전 반경 자체가 큰 차이가 납니다.

   

그런데 전자와 회전반경이 똑같고 궤적만 반대인 입자가 관측된 것입니다.

이것이 의미하는 바는

전자의 반입자가 실제로 우주에 존재한다는 것입니다.

   

   

디락의 방정식은 엄청난 업적입니다.

오로지 수학적 논리를 통해

한 번도 관측 해 본 적이 없는 입자의 존재를

예언한 것만으로도 엄청난 업적입니다.

   

   

디락의 이론은 너무나 아름다우면서도

미친듯이 어려웠습니다.

   

이 이론을 해석하는데 세기의 천재들이 모두 들러붙어서

30년이 걸렸습니다.

   

지금 당신이 양자역학책을 한 번 보고 이해를 못하겠다고

나는 안 된다고...

자책하실 필요가 없습니다.

   

한번 보고 이해가 안 되는 것이 정상입니다.

   

양자역학을 배우게 되면 한번씩 듣는 말이 있습니다.

"Shut up and calculate."

닥치고 계산이나 하라는 말이죠

   

누구든 양자역학이랑 친해지려면 엄청나게 오랜 시간이 필요합니다.

그 동안 닥치고 계산이나 하면서

양자역학한테 어장관리 당해야합니다.

   

그래도 얘가 완전 나쁜애는 아니라서

진심을 계속 보여주면서 마음을 알아 줄 때까지 계산하면

언젠가 자신의 비밀을 하나씩 털어놓더라고요

   

그런데 이렇게 대단한 디락의 이론에도 큰 문제가 있었습니다.

   

디락의 방정식은 단 하나의 입자를 분석하는데는

매우 좋은 방정식이지만

여러개의 입자를 분석하는데는

전혀 쓸모없는 놈으로 변합니다.

   

즉, 여러 입자의 상호작용을 설명 하지 못한다는 것이죠

   

이것은 20세기 중반의 가장 난해한 문제였습니다.

   

우리는 여러 입자의 상호작용을 계산 할 수 있는

새로운 이론이 필요했습니다.

   

이 문제의 해답을 찾아 노력한 결과

예기치 못한 발견을 하게 됩니다.

   

   

리처드 파인만...

물리 전공자라면 당연히 아는 천재.

세기의 천재과학자중에 가장 최근까지 살아있던 역사적 인물

나노과학의 창시자

파인만의 재치있는 아이디어가 없었다면

아마 전 세계 과학수준은 엄청 뒤쳐졌을 것 입니다.

진짜 존경해 마지 않는 과학자입니다.

   

좀... 소문이 문란하긴 하지만

원래 헛소문 퍼뜨리길 좋아하는 성격이라

이걸 장난삼아 퍼뜨린건지

아님 진짜인지도 모르겠습니다 ㅋㅋㅋ

   

그냥 업적 자체가 대단합니다.

   

   

파인만 소개가 너무 웃기네요 ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ

   

고만고만한 천재가 아니래 ㅋㅋㅋㅋㅋ

   

암튼 파인만이 한 일은

양자역학을 다음 단계로 발전시켰다는 것 입니다.

   

뭐가 어떻게 발전 한 것일까요?

   

파인만과 동료들은 폴 디락의 뒤를 이어 양자역학과 상대성이론을

통합하려는 프로젝트를 진행합니다.

   

   

QED : Quantum Electrodynamics, 양자 전기역학

   

이 프로젝트는 시작도 거창했지만 결과도 대단했습니다.

원자보다 더 작은 세계에서 우주까지 다룰 수 있는

과학 역사상 가장 광범위하고 정확한 과학 이론이 탄생하게 됩니다.

   

   

QED의 이 엄청난 정확도는

이 이론이 꽤 잘 맞고 중요한 이론이라는 것을 보여줍니다.

   

QED는 만물의 이론 (TOE : Theory of Everything)에

가장 근접한 형태의 이론입니다.

   

QED는 우리에게 익숙한 자연법칙을 거스르는 것처럼 보이는

원자세계의 운동을 설명 할 수 있습니다.

   

QED는 물질의 모양, 색, 짜임, 만물의 구성과 상호작용을 설명하고

생화학부터 우리가 형태를 유지하고 있을 수 있는 이유까지

거의 모든 것을 아우르는 이론입니다.

   

   

그렇다면 QED의 진정한 의미는 무엇일까요?

아주 정밀한 이론인 QED

하지만 이 이론의 진정한 의미를 설명하려고 하면

갑자기 어려워집니다.

   

   

ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ

만든 사람조차 이해를 못 하는 엄청난 이론입니다.

   

이론이 이해 하기 거의 불가능한...

일종의 수학적 논리 덩어리거든요

   

게다가 QED를 만든 파인만은 아까 영상에서 소개됐듯이

고만고만한 천재가 아닙니다.

지구 역사를 통틀어 손꼽히는 천재입니다.

그런 사람조차 이해를 못 하는 것을

이해하려는 것은 어찌 보면 욕심입니다.

   

하지만 스스로를 지구 역사를 통틀어 최고의 천재가 되려면...

QED를 이해해야 합니다.

   

제대로 이해 한 사람은 없지만

그래도 설명은 해 보도록 하겠습니다.

   

하지만 이 설명을 조금이라도 받아들이려면

지금까지 겪어왔던

직관적이고 익숙한 자연법칙들을

모두 버려야만 합니다.

   

   

아무것도 없는 진공의 공간이

오히려 역동적인 활동으로 꽉 차 있다니...

   

어떻게 이게 가능한 것일까요?

   

   

아.......ㅜ.ㅜ 교수님도 힘드시구나...ㅜ.ㅜ

   

   

어디선가 빌려온 에너지가 물질로 바뀌고

그 물질이 다시 에너지로 돌아가고...

   

이런 역동적인 활동이 끊이지 않고 일어납니다.

   

실제로 디락의 반물질 이론에서처럼

진공은 무수한 물질과 반물질 입자들로 가득 차있고

그것들은 끊임없이 만들어졌다가 사라집니다.

   

   

그리고 바로 이런 아이디어에서

가장 경이로운 이론인 QED가 나온 것입니다.

   

   

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