EBS 위대한 수업(여분 차원과 암흑 물질)제1강~5강 요약정리

위대한 열여섯 번째 강연 '여분 차원과 암흑 물질'

 

하버드대 물리학과 교수 리사 랜들

<뉴스위크> 2006년 주목할 인물

<타임> 세계에서 가장 영향력 있는 100인

<롤링 스톤> 변혁의 사자 100인

 

 

 

제1강 보이지 않는 차원

 

 

■ 우주의 '숨겨진 차원'

 

    - 여분 차원에 주목하는 이유

       1. 물리학적 가능성

       2. 이론적 일관성

       3. 기존 연구와의 연결성

 

    - 여분 차원 : 시공간의 본질과 관련, 3차원 공간 외에 여분 차원도 존재할 수 있다

 

    - 이 세상에 영향을 미치는 숨겨진 존재가 있을 수 있다

 

    - 여분 차원에 대해 생각해야 하는 이유

 

      1. 초끈이론 : 양자역학과 중력을 통합하는 이론, 여분 차원이 전제 조건이다

 

       ♣ 초끈(super-string) : 진동하고 있는 끈으로 모든 입자의 근본적인 모습

                                    크기는 10에 -35승 m로 쿼크보다 1억 배 이상 작다

 

       · 여분 차원은 일상에서 확인 불가 

                   

      2. 4차원 시공간만 존재해야 한다는 법은 없다

 

      3. 표준 모형(standard model) : 알려진 모든 입자와 이들 사이의 상호작용을 기술하는 유효 이론

     

    - 차원이란? 

       : 전후, 좌우, 상하 / 위도, 경도, 고도 / 더 많은 차원이 존재할 수 있다

 

       · 공간적 차원 : 물체의 위치를 특정하는 데 필요한 수량

        → 공간 차원을 상상 하는데 도움을 주는 도구 ① 사영

        → 공간 차원을 상상 하는데 도움을 주는 도구 ②단면 자르기

            1884년 에드윈 A. 애벗이 집필한 플랫랜드라는 수학 소설에 나오는 방식으로

            2차원에 산다면 3차원은 어떻게 보일까? (2차원에 살지만 3차원의 존재는 알고 있다)       

2차원의 사람이라면 공이 지나갈 때 원이 점차 커지다가 줄어드는 것처럼 보이지만 나중에 공이라고 깨닫게 될 것이다

 

☞ 물리학에서 여분 차원이란?

 

   테오도어 칼루차(1885-1954)는 여분 차원이 있다는 가설을 내놓는다

   오스카르 클리안(1894-1977)는 여분 차원은 아주 작게 말려 있다고 함

    → 너무 작아서 안 보임. 2차원이 1차원으로 보일 수도 있다

   물리학의 역사는 보이지 않는 영역에서 발견한 것들의 역사(200년 전에는 아무도 몰랐던 원자의 구조)

 

♣ 입자 가속기(particle accelerator) : 원자핵이나 소립자와 같이 작은 입자의 미세 구조를 밝히기 위한 기계

 

   라만 선드럼(1964~) : 미국의 이론 물리학자, 새로운 여분 차원인 막을 제시

 

♣ 비틀린 중력(warped gravity) : 특수한 형태로 휘어진 5차원 시공간에 존재하는 중력

♣ 막 : 여분차원이 있더라도 모든 것이 여분 차원에서 움직이는 것은 아니다. 막에 갇혀 있을 수도 있다

   중력은 여분 차원으로 이동, 중력은 막 세계의 사물에 영향

 

   

 

제2강 스케일의 문제

 

 

  ■ 관측할 수 있는 세상, 관측 너머의 세상을 이해하는 방법

 

    - 해상도가 중요한 이유 : 우리의 사고에 영향을 줌 

                                     인간의 직관은 관찰한 것에 좌우됨

 

    - 큰 스케일

      · 스케일은 달라도 동일한 물리학 법칙 적용

    - 작은 스케일

      · 해부를 통해 인간의 순환계에 대해 앎 → 무엇이 존재하는지 확실히 아는 법은 보는 것

        (적혈구 세포의 크기, DNA의 폭) → 인간은 육안으로 볼 수 없는 도구를 개발해 관찰함

 

    - 스케일에 따라 설명하는 방법도 달라짐 

 

    ★ 모든 과학의 근본 원리로 여겨지던 뉴턴의 역학 이후 20세기 초 발견된 원자 이하의 세계, 양자역학의 세계가 시작

        원자 스케일에서는 양자 역학을 적용, 물리학 자제를 뒤흔든 양자 역학

    ♣ 소립자(elementary particle) : 다른 입자를 구성하는 가장 기본적인 입자

 

   =≫ 우주에 대한 이해는 관찰에 달려 있다

 

    - 스위스와 프랑스 국경에 있는 대형 강입자 충돌기로 최첨단 연구가 진행 중, 입자 물리학의 표준 모형을 얻음

      양성자가 충돌하면 거대한 에너지(14조 전자볼트)가 발생

      높은 에너지에서 양성자끼리 충돌할 때 새로운 입자가 생길 수도 있다 → 미세한 영역도 관측 가능

 

    ♣ 대형 강입자 충돌기(LHC, Large Hadron Colllider)

        : 인류가 얻을 수 있는 최고 에너지로 양성자를 가속해 충돌시키는 장치

 

    ♣ 표준 모형(standard model) : 알려진 모든 입자와 이들 사이의 상호작용을 기술하는 유효 이론

 

    ♣ 유효 이론(effectiv theory) : 이론이 적용되는 특정 스케일에 한해 측정 가능한 입자와 힘을 기술하는 이론 

 

    

 

제3강 새로운 입자 찾기

 

     - 물질 간의 상호 작용을 알려주는 4가지 힘

       · 중력, 전자기력, 약력, 강력

       · 강력(Strong Force) : 양성자와 중성자 안의 쿼크들을 묶어 두는 힘  

       · 쿼크(quark) : 강입자를 이루는 기본 입자로 쿼크 세 개가 모여 양성자와 중성자를 이룸

     - 1980년대 실험적 검증을 마친 표준 모형 이론

        · 힉스 입자의 발견으로 한 걸음 가까워진 표준 모형의 완성

 

      ♣ 힉스 입자(Higgs boson) : 표준 모형이 제시하는 기본 입자 가운데 하나

                                           2013년 노벨 물리학상 수상자 피터 힉스(1929~)의 이름에서 따옮

      ♣ 힉스 메커니즘(Higgs mechanism) : 양자장론에서 소립자들이 질량을 얻게 되는 과정

 

     - 양자역학과 상대성이론을 합친 양자장론에 따르면 질량은 훨씬 클 수 있다.

        → 힉스 입자의 질량은 125.9GeV/c로 질량이 더 커지지 않는가?

        → 계산한 질량(무거움)과 실제 관측된 질량(가벼움)이 같지 않다(계층 문제)

 

     - 계층 문제를 이해하는 또 다른 방법, 중력

        · 입자의 중량이 작으면 중력이 약해짐

        · 중력의 크기는 질량에 비례 : 예상보다 가벼운 소립자의 질량

 

     - 질량 값의 차이를 보이지 않으려면 표준모형의 변수들이 특정한 값을 갖도록 정밀하게 미세 조정을 해야 한다 

     

      ♣ 미세 조정 : 가벼운 힉스 입자를 얻기 위해 특정 변숫값을 빼는 조정 과정

 

 

  ■ 여분 차원으로 설명하는 계층 문제  

 

     - 여분 차원의 위치마다 다른 특성을 가질 수 있다

 

      ♣ 랜들-선드럼 모형(Randall-sundrum model) : 5차원 시공간이 특수한 형태로 휘어진 물리 모형

 

     - 중력의 크기는 여분 차원의 위치에 따라 달라진다

        · 공간 3차원 + 시간 1차원 : 4차원 시공간 외에도 여분 차원이 하나 더 있다

        · 3차원에 갇힌 존재라도 여분 차원을 통해 상호 작용이 가능, 중력 막을 벗어나면 중력은 약해지고 질량도 작아짐

     - 여분 차원이 있다면 우리는 중력이 약한 곳에서 살게 되고 계층 문제로 설명이 된다

 

     - 크기, 질량, 중력이 여분 차원에 따라 달라진다

       · 힉스 입자, 소립자 스케일에서 실험 가능

       · 에너지가 높을수록 입자를 발견할 확률이 높다       

 

      ♣ 칼루차-클라인 입자 : 입자가 여분 차원에서 운동하면 더 무거운 입자를 수반할 수 있다

                                      진짜 입자는 아님, 입자들이 여분 차원에서 갖는 운동량의 증거

 

     

 

제4강 이름 없는 영웅, 암흑 물질  

    

 

  ■ 암흑 물질이란 무엇인가?  

 

     - 암흑 물질과 공룡(2015) : 저자 리사 랜들, 우주의 놀라운 상호 연결성에 관한 내용으로 강의 내용과 관련

       · 인간에 의한 지구의 변화(책을 쓴 동기) :  무엇이 영향을 주었는가, 얼마나 시간이 걸렸나, 인간에 의한 변화 속도

       · 우주파이에서 원자는 5%에 불과, 암흑 물질 26%, 암흑 에너지 69%

       · 암흑 물질은 표준 모형의 입자가 아닐 가능성이 높다

 

       ♣ 우주 파이(cosmic pie) : 우주의 에너지 분포를 원형 그래프로 표현한 것

       ♣ 암흑 물질 : 중력과 상호 작용, 빛과 상호 작용하지는 않음

       ♣ 암흑 에너지(dark energy) : 전 우주에 걸쳐서 분포할 것으로 추정되고 있는 가상의 에너지

 

     - 암흑 물질은 중력을 통해 상호 작용을 하지만 다른 상호 작용(전자기력, 강력, 약력)은 거의 없거나 미미함

        · 암흑 물질이 어떤 입자로 구성되었는지 아직 알 수 없으나 보통 물질보다 5배 많음

 

     - 암흑 물질을 직접 볼 수는 없지만 영향은 관찰 가능함

 

        1. 은하 회전 곡선 : 기대한 예상 속도보다 더 빠른 것으로 관측된 은하가 도는 속도 

                                 중력을 만들지만 빛을 내지는 않음

          ♣ 은하단(galaxy cluster) : 수백에서 수천 개의 은하로 이루어진 거대한 은하 집단

 

        2. 우주 마이크로파 배경(cosmic microwave background)

           : 아노 앨런 펜지어스(1933~), 로버트 우드로 윌슨(1936~)이 1963년 우연히 발견한 우주 배경 복사

            관측 가능한 우주를 균일하게 채우고 있는 마이크로파 전자기 복사

            암흑 물질의 양을 말해주는 우주 배경 복사

            균일한 우주에서 시작해 작은 변화가 은하계를 생성 → 은하계 형성에 필요한 충분한 중력을 만든 암흑 물질

        

        3. 중력 렌즈 효과

           : 중력 렌즈 현상 관찰을 통해 암흑 물질의 위치를 추적할 수 있다

          4. 총알 은하단(bullet cluster) : 은하들의 집합인 은하단이 최소 두 개 이상 융합해 만들어지는 은하단

                                                  보통 물질과 암흑 물질은 중력만 제외하면 상호 작용하지 않는다

 

 

 

제5강 암흑 물질과 대멸종

 

      -  암흑 물질은 존재하지만, 알 수 없는 것으로 완벽한 연구 대상임

      -  입자 물리학의 표준 모형과 밀접하게 관련된 윔프 입자

      - 모형 구축을 하는 과정에서 새로운 접근법을 찾을 수도 있다

 

        ♣ 윔프(WIMP, weakly interacting massive particles)

            : 약하게 상호 작용하는 질량을 가진 입자 이론상의 가상 입자  

              특징) 1. 힉스 입자와 비슷한 질량, 2. 보통 물질과 중력 외 상호 작용

              선호 이유) 1. 암흑 물질의 양과 비슷, 2. 실험으로 검증 가능

              방법) 1. LHC(대형 강입자 충돌기), 2. 지하의 직접 검출기, 3. 위성, 망원경으로 우주 관측   

 

       ♣ 모형 구축(model building) : 현상을 설명할 가능성이 있는 후보 이론을 만드는 것

   

      - 암흑 물질도 상호 작용할 수 있다

         보통 입자는 광자를 통해 상호 작용하되 암흑 물질에는 작용하지 않듯 암흑 물질 사이에 상호 작용을

         매개하는 빛 또는 광자가 있을 수도 있다

 

      - 이중 원반 암흑 물질(Double-Disc Dark Matter) 

        · 보통 입자가 아닌 것으로 만들어진 원반이 있다면 암흑 물질을 발견할 수 있다

 

        - 우주의 운석으로 지구에서 많은 충돌이 발생 → 주기적으로 발생

        - 태양계는 은하계에서 공전하며 위아래로 진동한다 → 주기적으로 암흑 물질을 통과하게 된다         

          오르트 구름 속 암흑 물질 원반을 통과할 때마다 천체 이탈할 때 지구의 충돌 발생 가능성이 있음

 

        ♣ 오르트 구름(Oort cloud) : 태양계를 공 모양으로 둘러싸고 있는 가상의 천체 집단

 

        - 공룡의 대멸종 원인이 암흑 물질 원반 때문일 수 있다

 

        - 입자 물리학 현상과 우리가 관측하는 것에는 연관성이 있다

 

        - 암흑 원반 이론은 지금도 진행 중이나 암흑 물질 우주와 생명의 놀라운 연결성이 있다 

 

  

 

 

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위대한 수업

 

 

70원의 기적 EBS에서 전 세계 최고의 지성을 한 자리에 만날 수 있는 프로그램을 기획했다.

 

방송시간 EBS1TV 월~금 23:35~23:55                        EBS2TV 월~금 22:00~22:20(재방)

                        토     09:30~11:00(종합)                            토      22:15~23:45(종합)

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