2018.02.27 17:25

예전에는 물질입자와 힘이 세상의 구조를 결정하고, 텅 빈 공간은 입자와 힘이 영향을 주고받는 무대일 뿐이라고만 여겼다. 또한 꾸준히 흘러가는 시간도 변화를 잘게 나눈 눈금에 지나지 않는다고 생각했다. 하지만 양자론 이후에 시공간을 바라보는 시각이 완전히 달라졌다. 양자론의 관점에서 진공은 텅 비어 있는 공간이 아니다. 공간도, 시간도 연속적이지 않고 띄엄띄엄할지 모른다.

 

 

양자 진공

고대 그리스 시대에는 우리가 사는 세계가 무수히 많은 원자와 원자가 운동하고 있는 진공으로 이루어졌다고 생각했다. 그러다 근대가 되어서야 원자와 진공의 정체가 실험으로 밝혀졌다. 하지만 양자론의 출현으로 원자를 설명하는 그림이 새로 그려지면서 진공에 대한 개념도 완전히 바뀌게 되었다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의하면 아주 짧은 시간 동안 에너지가 요동치기도 하고 심지어 전자처럼 기본입자가 존재할 수도 있다.

 

양자론에서 설명하는 양자 진공quantum vacuum이란 아무것도 없는 텅 빈 상태가 아니라 양자적으로 끊임없이 요동치고 있는 진공을 말한다. 물리적으로 양자 전공에서는 전자와 양전자, 양성자와 반양성자처럼 입자와 반입자가 쌍생성, 쌍소멸을 끊임없이 반복한다. 하이젠베르크의 불확정성 원리 덕분에 입자쌍의 에너지에 반비례하는 아주 짧은 시간 동안에는 에너지 보존 법칙이 깨져도 상관없다. 허용된 이 시간 동안은 입자쌍이 일순간 존재하더라도 순식간에 사라지기만 한다면 물리의 신도 눈감아 주기 때문이다.

 

이처럼 순간에만 존재하고 인간은 관측할 수 없는 입자를 가상입자virtual particle라고 부른다. 텅 비어 있는 '고전적인 진공'과 가상의 입자쌍이 생성과 소명을 반복하는 '양자적인 진공'은 완전히 다르다. 가상입자는 관측할 수 없지만 순간적으로 에너지가 가장 낮은 상태, 바닥상태의 에너지를 갖기 때문에 진공 전체적으로는 가상입자의 에너지가 존재하게 된다. 이 양자 진공의 에너지를 진공에너지라고 한다.

 

 

카시미르 효과

 

양자 진공의 존재는 이론으로 그치는 것이 아니라 실제 실험을 통해 확인되었다. 양자 진공은 영점에너지를 가진 무수히 많은 광자나 가상입자의 진공으로 가득 차 있다. 이러한 진공에 평평한 2개의 금속판을 가까이 두어 보면, 금속판이 경계 역할을 하므로 금속판 주변에 존재 할 수 있는 진공은 제한되고, 그 결과 두 금속판 사이의 진공은 두 금속판 바깥쪽의 진공보다 에너지가 낮은 상태가 된다. 그러면 바깥쪽의 진공이 안쪽으로 금속판을 민다. 마치 금속판 사이에 인력이 작용한 듯 보이는 것이다. 1948년에 이와 같은 현상을 최초로 발견한 네덜란드의 물리학자 헨드릭 카시미르의 이름을 따서 카시미르 효과라고 부른다.

 

 

 

카시미르 효과는 양자적 현상이라 두 금속판 사이가 멀어지면 효과가 거의 사라지지만 거리가 원자 크기 정도라면 이 효과를 무시할 수 없다. 예를 들어, 원자 크기의 약 100배인 10nm 정도 떨어진 거리에서 카시미르 효과에 의한 힘은 1기압 정도이다. 두 금속판 사이의 거리를 나노 크기만큼 가깝게 제어하기가 쉽지 않기 때문에 카시미르 효과가 실제로 증명되기까지는 시간이 걸렸다. 1997년이 되어서야 미국의 로스앨러모스 국립연구소에서 실험적으로 카시미르 효과의 존재를 입증하였다. 이 실험을 통해 양자 진공이 실제로 존재한다는 사실을 확신할 수 있게 되었다.

 

http://muoj.tistory.com/15

'참고 자료' 카테고리의 다른 글

양자진공  (0) 2018.02.27
[퍼온글] 우주의 탄생과 양자진공  (0) 2018.02.27
공간, 우주진공, 양자진공  (0) 2018.02.27
물질은 물질이 아니다.  (0) 2018.02.27
조론  (0) 2017.12.14
삼성(三性)  (0) 2017.12.01
Posted by 성모정신과

우주는 '무'에서 탄생하였다. '무'는 빛도 물질도 시간이나 공간조차도 전혀 존재하지 않는 세계이다.
일상적으로 생각하는 '무'에서는 아무것도 태어나지 않는다. 그러나 미시적인 세계를 생각하는 양자론에서는 '무'는 요동하고 있는 것이다.
지금으로부터 약 150억년 전, '무'의 요동으로 10-34cm의 초미시 우주가 갑자기 탄생하였다.
'무'에서 태어난 우주는 우리 우주뿐인가? 몇 개의 우주가 태어났다 사라진 것으로 생각된다.
이러한 우주의 처음은 'singularity(특이점)'라고 불리울 것이다. 'singularity(특이점)'이란 시간의 시초가 무한히 큰 밀도와 무한히 큰 시공간의 곡률을 가진 점. 다시 말해, 시공간의 곡률이 무한대가 되는 점을 말한다. 이러한 'singularity'는 급속히 팽창하게 되고 이 시기에 우주는 'Big Bang'이라는 대폭발이 시작되었다고 생각할 수 있다.
그렇다면 'sinaularity'에서 탄생한 우주는 어떻게 Big Bang이라는 대폭발을 일으킬 수 있는 energy가 있었던 것일까?
이러한 의문엔 'Quantum Vaccum'이라는 양자진공에 의한 좀 더 정확한 생각이 필요하다.
'진공'이란 무엇인가? 상식적으로는 '아무것도 존재하지 않는 공간'이다. 따라서 '아무것도 존재하지 않는 공간'이라고 정의할 수 있을지도 모른다. 적어도 19세기까지는 그렇게 생각하 고 있었다. 그러나 현대의 물리학은 '진공엔 아무것도 존재하지 않는 것이 아니라, 오히려 그 곳에는 미시의 그리고 복잡한 현상이 숨어 있다'라고 말하고 있다.

우주론을 생각하지 않아도 진공의 숨겨진 성질을 나타내는 현상은 많다. 그 가운데 하나로서 유명한 것이 '카시미어의 효과'라 불리는 것이다. 이것은 두 장의 금속판이 서로 끌어 당기는 현상이다.
두 물체 사이에는 만유인력이 작용하지만 그 것을 말하는 것이 아니다. 이 것은 만유인력 보다 도 훨씬 강한 힘이고, 또 만유인력과는 달리 힘의 크기는 금속판의 무게와 상관이 없다.
이것은 1948년 네덜란드의 물리학자 카시미어가 예언한 현상이다. 그는 두 장의 판의 존재에 의하 여 공간이 분할되면 진공의 성질이 변해 버린다는 점에 주목하고 힘이 작용한다는 결론을 이끌 어 냈다. 이것은 이론 물리학에서는 상당히 널리 알려져 있다.

진공이란 직관적으로는 '아무것도 존재하고 있지 않은 상태'이다. 그렇다면 밀폐된 용기에서 공기를 완전히 빼낸다면 그것은 진공이 되는 것일까?
특별히 어려운 일을 생각하지 않아도 이것은 진공이 아님을 알 수 있다. 거기에는 전자기파가 존재하기 때문이다.
물체를 가열하면 빛난다. 즉 표면에서 빛을 방출한다. 식으면 빛나지 않게 되지만, 그래도 적 외선을 방출하고 있다.
빛은 전자기파의 일종이고 파장이 길어지면 인간의 눈에는 보이지 않는다. 그것이 적외선이다. 따스한 물체의 곁에 서 있으면 만지지 않아도 그 따스함을 알 수 있는데, 그것은 적외선을 몸으로 느낄 수 있기 때문이다. 물체는 전자기파를 방출한다. 전자기파의 세기와 종류는 물체의 온도에 의하여 정해진다. 따라서 용기에서 완전히 공기를 빼냈다고 해도, 거기에는 용기의 벽에서 방출된 전자기파(빛)가 가득하므로 진공이라고 말할 수 없다.

그렇다면, 진공이란? '입자가 없는 상태'이다. 전자파를 구성하고 있는 입자가 바로 광양자다.
그러나 전자기파란 그 이름에 나타나는 것처럼 파와 같은 것이라고 생각하는 것이 일반적이다.
'입자가 없는 상태'가 진공이기 때문에, 입자란 무엇인가를 먼저 알아야만 한다.

여기에 공이 하나 있다고 하자. 그 공이 A라는 사람과 B라는 사람의 손안에 동시에 있을 수는 없다.
공은 A의 손안이거나, B의 손안이거나 어느 한 쪽에만 있을 수 있다. 이와 마찬가지로 어떤 입자가 어떤 시각에 어느 한 군데에 존재한다는 것은 당연하다고 생각될지 모른다. 그런데 양자론에 따르면 이처럼 당연하다고 생각되는 일이 성립되지 않는다. A라는 장소에 존재하고 있는 상태, B라는 장소 에 존재하고 있는 상태 등, 다양한 상태가 동시에 무수히 '공존'하고 있다.
이를테면 원자 안의 전자를 생각해 보자. 전자는 오직 하나밖에 없어도 원자핵 주위의 다양한 장소에 존재하는 상태가 공존하고 있다. 이것은 A의 장소와 B의 장소의 '어느 쪽에 존재하고 있다'고 정해져 있는 것이 아니라, 어느 쪽에 존재하고 있는 상태가 '공존'하고 있는 것이다.
그 '공존의 방식'을 '공존도'라고 하는데, 이것은 다양한 가능성을 가지고 있지만 제멋대로는 아니다. 원자핵 주위의 전자의 경우, 원자핵에 가까운 위치에 있는 상태일수록 공존도가 높고, 멀어질수록 공존도는 0에 가까워진다.
어떠한 공존 방식이 허용되는가를 결정하는 것이, 양자론의 기본법칙이다. 그리고 허용되는 각 각의 공존 방식에 대응하여 그 전자가 가지는 에너지가 결정되고 있다.

왜 복수의 상태가 공존하고 있는 것일까? 그것은 우연히 어느 시각에 하나의 상태밖에 없다고 하면, 다음 순간에는 공간의 '어떤 장소'에 존재하는 상태까지도 공존하는 것이 양자론의 기본 적인 성질에서 유도되기 때문이다.
결국 전자가 어떤 특정한 위치에 있다고 하면 다음 순간에는 전자가 전체 공간으로 퍼져버린다 . 따라서 전자가 존재하는 위치를 원자와 같이 어느 정도 한정된 영역으로 제한하려고 한다면 공존하는 각각의 상태가 서로 영향을 미쳐 그 이상 퍼지지 않게 된다. 이 성질은 '불확정성 원 리'라 불리는 양자론에서의 기본 성질의 하나이다.

이와 같은 양자론의 생각이 어떻게 빛(전자기파)에 적용되는 것일까? 전자의 경우, 여러 장소 에 있는 상태가 다수 공존하고 있다고 설명하였다. 전자기파의 경우는 파이므로 장소가 퍼지고 있는 것은 당연하다. 전자기파를 양자론에서 생각할 때 문제가 되는 것은 장소가 아니라 파의 진폭이다.
진폭이란 파의 높이이다. 예를 들어 수면파를 생각해 보자. 그것이 1m 높이의 파인가, 2m 높이 의 파인가의 차이는 눈으로 보면 알 수 있으며, 더욱 미세한 차이라도 정밀한 기계를 사용하면 조사할 수 있다.
그러나 미시의 수준이 되면 그렇지가 않다. 파는 하나의 진폭만을 진동으로 하고 있는 것이 아 니다. 다양한 진폭을 가진 파가 공존하고 있다. 전자기파의 경우도 마찬가지이다. 매우 세밀하 게 조사하고 나서야 알 수 있는 일이지만, 반드시 다양한 진폭의 파가 공존하고 있다.
공존 방식은 전자기파에 대한 양자론을 써서 정해진다. 그렇다고 해서 하나로 정해지는 것은 아니다. 다양한 공존 방식이 있고 각각에 대하여 그 에너지가 정해진다. 그 에너지의 크기에 의 하여 전자기파에 광양자가 얼마나 포함되고 있는가가 정해지도록 되어 있다.
앞에서 밀폐된 용기에서 공기를 완전히 제거해도 아직 전자파가 가득하다고 말한 바 있다. 실제 로 예를 들면 사방 10cm(가로, 세로, 높이가 각각 10cm)의 상온(약 20도)의 용기 안에는 수천억 개의 광양자가 존재한다. 그러나 용기의 온도를 떨어뜨리면 이 수도 급격히 줄어드는데, 만일 OK라는 이상적인 상태가 실현된다면 광양자의 수도 0이 된다.

광양자의 수가 0이라는 것은 어떤 상태인가? 여기서 양자론을 생각해야 한다. 극히 미시의 수준 에서 보면, 전자기파의 진폭에는 다양한 크기의 것이 공존하고 있다. 공존의 방식도 다양한데, 그 중에서 가장 에너지가 작은 것이 광양자가 0이라는 상태에 대응하고 있다.
파의 에너지가 그 진폭과 관계가 있다는 것은 누구나 알고 있을 것이다. 파의 산이 높으면 그 에너지도 크다.

그렇다면 에너지가 가장 작은 상태의 경우는 어떠한가?
양자론이 등장하기 전이라면, 진폭이 완전히 0 (즉, 파가 아주 없는 상태)일 때 에너지도 최저 라고 생각했을 것이다.
그러나 여기서 앞에서 말한 불확정성 원리를 생각해야 한다. 입자의 위치에 대하여 이야기한 것 이 파의 진폭에서도 일어난다. 만일 어떤 시간에 진폭이 완전히 0이 되었다면, 다음 순간에도 모든 진폭의 파가 공존하게 되어 버리는 것이다. 즉, 파의 진폭을 될 수 있는 대로 작게 억제하 려면, 처음부터 어느 정도의 미세한 진폭의 차가 공존하고 있다는 것을 인정해야 한다.
그렇게 하면 공존하는 파가 서로 영향을 미쳐, 진폭이 그 이상 커지지 않도록 작용한다. 이 미 세한 파를 '0점 진동'이라고 부른다. 진폭이 0인 상태의 주변에서 일어나는 사소한 움직임이라 는 의미이다.
광양자가 전혀 없는 상태란, 전자기파가 전혀 없는 것이 아니라 이 양자론적인 0점 진동이 충만 해 있는 상태인 것이다. 그리고 사실 이것은 광양자에 한정된 이야기는 아니다. 전자이거나 양 성자이거나 모든 입자의 0점 진동이 이 공간에는 가득차있다. (정확히 말하면, 전자 등의 각 상 태의 공존도의 0점 진동이다.)
결국 진공이란 결코 아무것도 없는 상태가 아니라 이러한 0점 진동이 충만해 있다는 것을 알았 다.

그럼 이러한 것과 앞에서 말한 카시미어 효과와는 어떤 관계가 있는 것일까?
카시미어 효과란 공간에 두 장의 금속판을 놓으면 그 사이에 미소한 인력이 작용한다는 내용이 었다. 그 원인은 금속판을 놓으면 전자기파의 0점 진동에 변화가 생기기 때문이다.
금속판은 전자기파를 차단한다. 예를 들면 금속판으로 덮인 방 안에서는 TV나 라디오를 들을 수 없다. 전자기파는 금속판 위에서는 0이 되어야 하고, 방 안으로 들어갈 수 없다. 그것이 0점 진동에도 영향을 미친다. 전자기파의 0점 진동은 한 종류만이 아닌 여러 종류의 다양한 파장의 것이 있다. 물론 모든 파장에 대하여 각각의 0점 진동이 있다.
공간에 평행하게 놓인 금속판이 두 장 있다고 하자. 그러면 금속판 위에서는 전자기파는 완전히 0이 되어야 하므로, 금속판 사이에서 가능한 전자기파의 종류가 제한된다. 이것은 0점 진동에도 적용된다.
0점 진동의 종류에 제한이 생긴다. 즉 금속판 위에서 진동이 0이 되는 파밖에 존재할 수 없게 된 다. 따라서 이제는 금속판이 없을 때와 같은 진공이라 할 수 없게 된다. 당연히 진공의 상태는 금속판의 간격에 따라서도 변한다.

상태가 변하면 그 상태가 가지는 에너지도 변한다. 진공에서도 0점 진동이 있으므로, 0점 진동의 모습이 변하면 그 에너지도 변한다. 카시미어는 1948년에 그 변화를 계산하였다. 그리고 급속판 의 간격이 좁을수록, 0점 진동에의한 진공의 에너지도 작아진다는 것을 알아냈다. 물체는 에너지 가 작은 방향으로 움직이려고 한다. 지상의 물체가 낙하하는 것도 낮은 쪽이 위치 에너지가 작기 때문이다.
따라서 금속판의 경우도 에너지가 작고 간격이 좁은 상태로 움직이려 한다. 결국 금속판은 서로 끌어당겨 합쳐지게 된다.
이 효과의 실험은 1958년에 이미 실행되었다. 그러나 극히 미소한 힘을 측정하는 실험이라서 매 우 어렵고, 그 결과는 카시미어의 계산과 모순은 되지 않았지만 그 오차가 컸다. 이번에 발표된 미국의 로스앨러모스 국립 연구소에서 실시한 실험에서는, 5% 이내의 오차로서 계산과 일치하는 결과가 나왔다.
카시미어 효과는 진공 중에서도 일어난다는 의미에서 매우 인상적인 현상이지만, 0점 진동의 효 과는 자연계의 다양한 장소에서 볼 수 있다. 맨 처음에 설명한 것처럼 우주의 물질 발생과 관계 가 있는지도 모른다.
그 의미를 비유를 들어 설명해 보자. 추가 달린 긴 끈이 늘어져 있다고 하자. 흔들이(진자)이다. 얼핏 보면 정지해 있는 것처럼 보이지만 미시적으로 보면 이 흔들이는 0점 진동을 하고 있다. 다음에 이 끈을 똑바로 끌어올렸다고 하자. 요컨대 길이가 짧은 흔들이로 바꾸는 것이다.
만일 흔들이가 완전히 정지하고 있고, 또 정확하게 똑바로 끌어당겼다고 하면 짧아진 흔들이도 움직이고 있지 않다. 그러나 현실에서는 0점 진동이 있으며, 흔들이가 짧아지는 과정에서 그 진 동이 증폭되는 일이 있다. 결국 '짧아졌다'고 하는 '상태로의 변화'로 이제는 0점 진동이 이닌 것이 된다. 그것은 이미 진공에 대응하는 진동이 아니라, 광양자나 그 밖의 입자가 존재하는 상 태가 된다. 이것이 바로 입자의 발생인 것이다.

즉, 진공은 물질을 창조해내는 힘을 갖고 있다는 것이다. 최근 소립자 연구에 많이 사용되는 입 자 가속기는 진공의 한 점에 아주 높은 에너지를 집중시킬 수 있다. 그렇게 하면 진공의 한 점 에서 입자와 반입자가 쌍으로 함께 태어난다는 것이다. 반입자란 어떤 입자와 전하가 반대라는 점 외에는 똑같다. 가령 전자는 음(-)전하를 가진다. 그런데 전자의 반입자인 '양'전자는 다른 적은 모두 같고 (+)전하를 띤다. 입자와 반입자가 충돌하면 에너지를 내고 소멸해 버린다. 이 것을 쌍생성, 쌍소멸이라고 하는데 이러한 '진공'의 특성에서 우리가 알아챌 수 없을 만큼 짧은 시간 동안 무수히 많은 쌍생성-쌍소멸의 과정이 되풀이 된다.
에너지의 근원이 바로 이 쌍소멸인 것이다. 만약 입자와 반입자 쌍이 모두 똑같은 숫자만큼 만 들어졌다면 모든 입자와 반입자들은 소멸해 다시 에너지로 돌아가 지금 우리가 사는 세계는 만 들어질 수 없었을 것이다. 그러나 양자역학에 따르면 우주탄생 초기 순간에 입자와 반입자의 수 는 가령 반입자가 10억개 태어났다면 10억 1개의 입자가 태어났다는 것이다. "왜 그랬는가?"라 는 물음에 대해서는 확률 내지는 우연의 법칙이라는 설명밖에는 할 수 없다.


http://kin.naver.com/open100/detail.nhn?d1id=11&dirId=1117&docId=193970&qb=7JaR7J6Q7KeE6rO1&enc=utf8&section=kin&rank=1&search_sort=0&spq=0&pid=TpRuzwpySDossa6kQ/wssssstZh-518894&sid=/%2Bm%2BKY3lIADpwu0Un8PS8g%3D%3D

'참고 자료' 카테고리의 다른 글

양자진공  (0) 2018.02.27
[퍼온글] 우주의 탄생과 양자진공  (0) 2018.02.27
공간, 우주진공, 양자진공  (0) 2018.02.27
물질은 물질이 아니다.  (0) 2018.02.27
조론  (0) 2017.12.14
삼성(三性)  (0) 2017.12.01
Posted by 성모정신과

물리적 현실을 포괄적으로 이해하기 위해서는 근본적으로 새로운 발상이 필요하다고 믿는 과학자들이 점점 늘어나는데, 그러한 발상은 사실 바로 우리 눈앞에 놓여있다. 게다가 정말로 새로운 것도 아니다. 그 발상이란 다름 아니라 공간을 우주의 근본적 매질이라 여기는 것이다. 현대물리학의 위대한 선구자들은 이미 이런 발상을 받아들였다. 19세기에, 현대 클리포드 대수(Clifford algebras)의 창안자인 윌리엄 클리포드(William Clifford), 공간의 작은 부분들이 대체로 평평한 표면상의 작은 언덕과 유사하다고 단언했다. 따라서 그 부분들에는 기하학의 일반 법칙들이 적용되지 않는다. 공간이 지닌 구부러지거나 뒤틀리는 특성은 파동식으로 공간의 한 부분에서 다른 부분으로 계속 전달되고 있다. 공간 만곡(彎曲)의 이러한 변화는 물질이 이동할 때 실제로 발생하는 현상이다. 물리적 세계에서는 이러한 파동 같은 변화 말고는 아무 것도 일어나지 않는다.

 

그로부터 반세기 후, [공간의 개념(The Concept of Space)]이라는 논문에서 아인슈타인은 이렇게 썼다. “우리는 이제 공간이 근본적인 것이고 물질은 부차적인 것에 불과하다는 결론에 도달하게 된다. 공간이 자신이 전에 열등한 지위에 놓여 있었던 것에 대한 보복으로 이제 물질을 먹어 치우고 있다고 말해도 무방할 것이다.” 아인슈타인의 이런 생각이 발표되고 나서 몇 년 뒤, 슈뢰딩거는 그 생각에 담긴 기본적 통찰을 다음과 같이 바꿔 말했다. “우리가 물질적 물체와 힘으로 관찰하는 것은 공간의 구조 속에 들어 있는 형태와 변화에 지나지 않는다.”

 

공간의 구조가 과연 형태와 변화를 가질 수 있을까? 물론 그럴 수 있다. 우리가 이제 알고 있는 바에 의하면, 공간은 텅 비어있지도 평평하지도 않기 때문이다. 20세기 하반기에 이용할 수 있게 된 실험적 증거는, 공간이 초고밀도의 요동치는 가상 에너지장[좀 더 전문적으로 말하면, 에너지를 생산하는 작용양자장(field of action-quanta)]임을 보여준다. 공간은 사실상 양자 진공으로 가득 차 있다. 따라서 오늘날 우리는 물질적인 물체와 힘이 양자 진공의 구조 속에 들어있는 형태와 변화에 지나지 않는다.”라고 말할 수 있다. 클리포드와 아인슈타인과 슈뢰딩거가 살아있다면, 틀림없이 그렇다고 말할 것이다.

 

우리는 여기서 더 나아가 진공 속에 들어있는 형태와 변화가 파동이라는 데 클리포드와 견해를 같이 할 수 있다. 진공 속에는 빛을 나르는 광자와 힘을 나르는 보손 같은 진행파들이 존재한다. 그리고 우리가 물질이라고 부르는 외견상 단단해 보이는, 엄청나게 다양한 실체들을 구성하는 정상파(定常波)들도 존재한다. 공간은, 더 정확하게 말해서 공간을 가득 채운 진공은 그 자체가 물질의 움직임을 위한 배경 또는 용기일 뿐 아니라, 시간과 공간에 거주하는 물질이 그것에서 출현하고 그것을 통해 상호작용하는 바로 그런 실체다.

 

진공이 복잡하고 밀도가 극도로 높으며 강력하게 상호작용하는 장()임을 보여주는 새로운 증거가 곧 나타날 것이다. 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기에서 근무하는 물리학자들은 12장에서 이미 언급한 적이 있는 실험들을 통해, 쿼크들을 한데 묶고 쿼크들에 추가적인 질량을 부여하는 글루온장()을 발견했다. 이들은 금의 원자핵으로 이루어진 광선들을 약 4킬로미터 트랙 주위로 가속시켜 1,000억 전자볼트의 온도로 올리는데 성공했다. 이것은 태양의 표면보다 3억 배나 높은 온도다. (이것은 물리학자들이 빅뱅이 일어난 뒤 최초 1,000분의 10초 동안의 우주 온도였다고 믿는 온도다.)

 

그리고 이 과학자들은 글루온장의 밀도가 극도로 높음을 발견했다. 글루온장의 밀도는 예상했던 것보다 30배에서 50배나 높았다. 이 장에 있는 쿼크들은 고도로 동시적인 집단행동을 보이며 서로뿐 아니라 주변의 글루온들과도 강력하게 상호작용한다. 이런 특성은 분명 초기의 진공을 기체보다는 액체에 가깝게 만들었을 것이다. 우리 우주가 탄생했을 당시, 진공은 오늘날의 물보다 10배에서 20배나 더 유동적이었던 듯하다.

 

진공이 태양의 표면보다 3억 배나 높은 온도에서도 액체고밀도의 장()임을 입증한다는 것은 상당히 의미심장하다. 이것은, 지금 우주에서 나타나는 극히 낮은 온도에서는 진공장이 초유동체-입자와 원자를 비롯한 물체들이 그 안에서 물속의 물고기처럼 명백한 영향을 거의 남기지 않으며 미묘하게 움직이는 매질-의 특징들을 지니고 있음을 암시한다. 그러나 이보다 훨씬 더 중요한 사실은 입자들과 원자들, 이 밖의 다른 것들이 이 초유동적 매질 속에서 움직일 때, 이것들의 움직임은 흡사 일반적인 유동체 내에서의 움직임처럼 파동을 만들어냄을 이 새로운 발견이 암시한다는 것이다.

 

만약 진공이 우주의 근본적 매질이라면, 게다가 만약 진공이 초유동적이고 그 속의 모든 것이 파동을 만들어낸다면, 입자들을 규정하는 두 가지 측면, 즉 미립자 측면과 파동 측면 중에서, 근본적인 것은 파동 측면이라고 추측해야만 한다. 실제로도 사실이 그렇다고 믿을만한 이유가 있다.

 

젊은 이란계 미국인 물리학자인 샤흐리아르 아프샤르(Shariar Afshar)가 실시한 독창적 실험은, 입자의 미립자 측면이 관찰될 때조차도 파동 측면이 여전히 존재함을 증명한다. 보어의 그 유명한 상보성 원리는 타당하지 않다. 다시 말해서, 입자의 미립자 측면과 파동 측면을 동시에 관찰할 수 없다 해도, 두 측면이 결코 동시에 존재할 수 없다는 것은 사실이 아니다. 미립자 측면을 관찰할 수 있도록 설정해 놓는 때조차도 파동 측면은 존재한다.’ 반면에 파동 측면을 조사할 때는 미립자 측면이 존재하지 않는다.

 

클리포드와 아인슈타인과 슈뢰딩거가 옳았다. MIT의 물리학자였던 밀로 울프(Milo Wolf)의 말대로 파동매질, 즉 파동들이 출현하는 우주진공은 우주에 존재하는 물질과 자연법칙의 유일한 원천이다. 울프는 이렇게 결론지었다. “각 입자의 파동들이 다른 물질의 파동들과 섞여 있고 모든 것은 매질의 밀도에 기여하므로, 하전입자 하나하나는 우주의 일부를 이루고 우주는 각 하전입자의 일부를 이룬다.”

 

그렇다면 실제로는 진공 속의 파동들인데 왜 우리 눈에는 단단한 물체로 보이는 것일까? 진공 파동들은 솔리톤들(solitons)’[소위 고립파(孤立波) -외견상으로는 별개의 분리된 물체들로 보이지만 그것들이 나타나는 매질 속의 파동들임-과 유사하기 때문이다.

 

솔리톤 현상이 최초로 보고된 것은 1845, 영국과학진흥협회에서였다. J. 스콧 러셀(J. Scott Russell)은 좁다란 수로 옆을 말을 타고 지나가다가 관찰하게 된, 엄청난 속도로 굽이치는 파도에 대해 상세하게 이야기했다. “홀로 커다랗게 솟아올라 둥글고 매끄러우며 윤곽이 뚜렷한 물 더미의 형태를 띠고 있는 그 파도는 수로를 따라 계속 나아가도 형태가 바뀌지도, 속도가 줄어들지도 않았습니다.” 그 후로 솔리톤들은 다양한 조건하에서 관찰되었다.

 

솔리톤들은 별개의 물체들처럼 행동한다. 다시 말해서, 정해진 궤도를 따라 움직이다가 서로 만나면 서로를 비껴가게 한다. 솔리톤들은 물에서만 나타나는 게 아니다. 신경계, 복잡한 전기회로, 조수의 만조, 대기의 압력파, 고체의 열전도에서도 임펄스로서 나타난다. 솔리톤들은 초유동적인 매질들에서도 나타난다. 그러므로 초유동적 우주 매질인 양자 진공에서도 나타난다.

 

진공에 나타나는 솔리톤들은 관찰 가능한 우주의 물질 및 힘 입자들이다. 관찰되지도 간섭받지도 않은 처녀 상태에 있을 때, 이 입자들은 어떤 의미에서는 진공 속 어디에나 있다고 할 수 있다. 이 입자들은 홀로그램에 들어있는 정보처럼 분산되어있는 것이다. 그러나 관찰되고 상호작용을 하면, 이 입자들은 분산된 파동측면을 잃고 외견상 별개로 보이는 물체가 된다. 이때 입자들은 고전적인 물체들의 형태를 띤다. 양자물리학자들은 이것을 그 입자들의 파동함수가 붕괴한다고 말한다.

 

우리가 우리의 감각들로 지각하는 것은 텅 빈 공간 속을 돌아다니는 단단한 물체이지만, 물리적 현실은 그렇지가 않다. 입자와 항성, 행성, 암석 및 살아있는 유기체를 포함하는 물질적 우주는 종국에는 물질적이지 않다. 이런 물질처럼 보이는 것들은 양자 진공 속의 복잡한 파동들이다.

 

우리는 최신 발견에 입각해서 진공, 즉 물리적 현실의 근본적 요소인, 공간을 가득 채우고 있는 매질의 적절한 특징들을 다음과 같이 열거할 수 있다. 이 매질은

 

-모든 공간을 채우고 있고, 모든 시간 내내 지속한다.

-초고밀도이며, 요동치는 영점에너지들로 가득 차있다.

-초유동적이어서 입자들 및 입자들로 이루어진 물체들이 그 속을 움직여도 분명한 마찰을 일으키지 않는다.

-명백한 우주를 구성하는 입자들의 기원지다.

-입자들이 블랙홀에서 증발할때 입자들을 담는 용기다.

 

우주 진공은 다음과 같은 것들을 발생시킨다.

 

-입자들 및 입자들로 이루어진 물체들 간 중력의 인력

-하전입자들과 관련된 전자기파

-원자핵 내의 근거리 인력 및 척력

-입자들과 원자들 및 우주의 한 지역 전체의 모든 것을 거의 즉각적, 영구적으로 연결하는, 간섭을 일으키는 파동.

 

영점에너지, 중력장, 전자기장, 핵장, 아카샤장은 통일진공의 구체적 현현들이다. 대통일이론과 초()대통일이론이 아직도 개발단계에 있기는 하지만, 통일진공이 모든 공간을 가득 채우고 있다는 것, 통일진공은 초고밀도이고 초유동적이라는 것, 통일진공이 지역 우주들을 장식하는 입자들을 넣으며 진화주기가 끝나면 입자들을 도로 받아들인다는 것, 통일장은 중력장, 전자기장, 핵의 강 약 상호 작용장 같은 역장(力場)들뿐 아니라, 입자들과 원자들 및 그것들로 이루어진 모든 것을 시간과 공간에서 즉각적이고 영속적으로 상호 연결하는 홀로그램장도 발생시킨다는 것만큼은 지금도 단언할 수 있다. 과학에서 지금 부상하고 있는 현실에 대한 비전은 상호 연결되어 있고 전일적인 현실에 대한 비전이다. 그것은 현실에 대한 통합적 비전이다.

 

[에르빈 라슬로 저, 변 경옥 역, 과학, 우주에 마법을 걸다, pp140-146]

[출처] 공간, 우주진공, 양자진공|작성자 송죽

https://blog.naver.com/kym4951/150149384299


'참고 자료' 카테고리의 다른 글

양자진공  (0) 2018.02.27
[퍼온글] 우주의 탄생과 양자진공  (0) 2018.02.27
공간, 우주진공, 양자진공  (0) 2018.02.27
물질은 물질이 아니다.  (0) 2018.02.27
조론  (0) 2017.12.14
삼성(三性)  (0) 2017.12.01
Posted by 성모정신과