[유머] 문과도 쉽게 이해하는 에너지의 정체.jpg +111 [13]

세상에는 운동에너지와 위치에너지 딱 두가지가 있음

핵폭발 같은건 에너지가 아니라 에너지의 결과(작용)인 것임

운동에너지는 쉬움

말 그대로 물체가 이동, 회전, 진동 같은

움직일 때

운동에너지를 가지고 있다고 함

이 천재가 발견한

E=mc^2을 이용하면

운동에너지는 질량으로 변환이 가능하다

흔히 보이는 사례가 바로 우라늄 핵분열이다

핵분열을 일으켜 우라늄이 다른 원자로 변환 되면서

중성자들이 바로바로 다른 우라늄을 연쇄반응 시킴

이 힘이 바로 운동에너지 때문임

따라서 우라늄 핵분열의 80% 정도가 운동에너지로서 소모됨

즉 핵 에너지의 80%가 운동에너지란 말씀

그러면서 저절로 운동에너지=열이라는 공식이 성립됨

그럼 반대로 핵분열 된 입자들을 전부 다 모아보면 어떻게 될까??

물론 질량보존의 법칙에 따라 동일한 무게가 될 것임

하지만 핵분열 후의 입자의 무게가 핵분열 전보다 가벼워짐

따라서 이놈은 운동에너지 값까지 더해야 전후질량이 동일 하다고 하는게

바로 E=mc^2 의 정체임

근데 왜 c의 제곱이 들어가는 걸까?

여기서부터는 모르는 게이들이 많을꺼 같아 차근하게 알려줌

우리는 이 세상을 일반상대성이론과 양자론으로 정의하고 있음

특히 양자론에서는 우주를 장으로 기술하고 있는데

이 양자장은 평소에는 조용하고 아무것도 없음

하지만 양자장으로 엄청 확대해서 보면

장이 엄청나게 흔들리고 있음

그 정체는 바로 쌍입자의 생성과 소멸 때문임

그러나 우리는 이것을 관측할 수 없음

단지 수학적으로만 나타낼 수 있을 뿐임

그러다 어쩌다 양자장이 매우 크게 들뜨는 경우가 있음

들뜸의 정체는 바로 에너지임

따라서 에너지로부터 현실의 입자가 생성됨

이것이 소립자임

소립자를 측정하기 위해서는 반드시 지켜야할 사항이 있는데

그건 바로 소립자가 정지 했음을 생각한다임

왜냐하면 이동 하는 소립자는

운동에너지를 가지기 때문에

소립자가 입자가 아니고 에너지로 변환될 수 있기 때문

전자의 에너지를 보면

0.511 메가 일렉트론 볼트 정도 밖에 없음

이와같이 모든 소립자는 고유의 에너지가 있음

그럼 이제 위에서 했던 방식대로

우리들의 몸은 소립자로 이루어져 있으니

소립자들의 질량을 더하면 물질의 질량을 알 수 있을 것임

예를 들어 양성자를 봐 보자

양성자는 업쿼크 2개 다운쿼크 1개로 구성된 입자임

업쿼크의 에너지는 2.2MeV

다운쿼크의 에너지는 4.7MeV임

따라서 양성자의 질량은 9.1MeV가 나와야 됨

하지만 양성자의 질량은 938MeV임

실측치가 계산치보다 100배나 높게 나옴

이건 오차정도가 아님

사실 이러한 이유가 나오는 이유가 있음

그것은 양자장의 들뜬 상태 때문에 그럼

쿼크장이 들떠서 융기 한 상태가 쿼크라는 입자임

그런데 쿼크장이 위치한 곳에 다른 양자장이 존재함

그것은 글루온장이라고 함

글루온장도 다른 양자장과 동일하게 격렬하게 흔들리고 있음

글루온장에 쿼크가 나타나면

글루온장에 진공이 생겨

쿼크끼리 서로 엮여든다

쿼크끼리를 묶는 진공을 다른말로

플렉스 튜브라고 함

참고로 여기에서의 진공은

양자떨림조차 하나도 없는 진짜 진공임

양자조차 떨림이 없으니깐 에너지도 없을 것 같지만

양자장은 흔들리고 있는게 통상상태임

따라서 진공이 되기 위해서는 에너지가 필요함

장에서 흔들림이 있는곳과 진공인 부분이 기울어지기 시작하니

이것의 기울기가 에너지의 정체임

글루온장에 쿼크가 존재하면

글루온장의 떨림이 기울어지니

그것이 플렉스 튜브가 되어서

쿼크를 엮음

또한 글루온장의 기울어짐은

에너지 그 자체이기 때문에

E=mc^2에 의해 질량으로 변환될 수 있음

즉 양성자의 질량을 구성하는건

1. 쿼크의 질량

+

2. 글루온장의 기울어짐

이라는 것임

참고로 플렉스 튜브는 늘었다 줄었다 할 수 있음

즉 플렉스 튜브로 이어진 소립자는 진동 한다

그 말은 즉슨 운동에너지가 있다라는 이야기이다

즉

+

3.쿼크의 진동

이 세계가 모여 양성자의 질량이 결정된다

또한 이 말은 양성자의 크기는

이 에너지들이 도달하는 범위를 말할 수 있다

에너지 영역안의 질량을 모두 더하면 양성자의 질량과 일치한다

그럼 여기서 의문이 생긴다

광자는 질량이 0인데

에너지가 있다는 모순이다

이 해답을 얻기 위해서는 양성자의 질량을 구할때로 다시 돌아가보자

양성자의 질량을 측정하려면 반드시 정지상태에서 측정을 해야 한다고 했다

왜냐하면 운동에너지가 가입을 해서 실제 에너지 측정값이 변하기 때문이다

광속의1/2속도로 이동을 하면 우리의 몸은 15% 무게가 증가하고

29.9만km/s로 움직이면 우리몸의 무게는 14배나 증가한다

그렇기 때문에 정확한 질량을 알기 위해서는 입자의 운동을 멈추거나

입자와 같은 스피드로 이동하지 않으면 안된다

하지만 빛은 어디서 관측을 해도

초속 30만키로임

심지어 광자를 정지시키는 것은 절대로 불가능함

심지어 광자와 같은 속도로 이동하는 중에 관측을 해도

광자는 똑같이 초속 30만키로로 측정됨

아인슈타인의

E=mc^2은

같은 프레임(공간)에서 관측 했을때에만 유효한 공식이라

그것이 불가능한 광자의 에너지는 계산이 불가능한 얘기며

즉 광자는 질량이 0인 순수한 에너지 덩어리란 얘기다

이번만큼은 아인슈타인이 졌음ㅋㅋㅋㅋ

하지만 광자에 질량이 있는 것처럼 계산하는 것은 가능함

여기 광자를 상자 안에 밀봉해서 집어 넣음

그러면 광자는 초속 30만키로로 벽에 무한하게 부딛치면서

왕복할 것임

그러면 질량은 없지만 광자를 집어 넣은 상자의 영역으로 보면

광자는 정지해 있음

따라서 광자 하나가 들어 있는 상자는

광자 하나분량 만큼 무거워졌음

자 이렇게 너는 광자의 질량을 구했음

광자 하나의 에너지는 너무나 작기 때문에

영역의 질량을 구하는 것은 불가능에 가까움

하지만 광자를 매우 많이 넣으면 어떨까???

참고로 우주에는 대량의 광자가 가둬진 공간이 있음

그곳은 바로 태양임

태양의 중심에선 핵융합으로 대량의 광자가 생성되고 있음

하지만 태양은 플라즈마 상태여서 광자가 직선으로 날 수 없음

광자는 태양 내부에서 17만년동안 갖혀서 겨우 빠져나옴

그렇게 광자는 태양의 질량의 일부가 되고 있음

그게 어느정도냐면 0.000001%정도임

이렇게 보면 얼마 안하는가 싶지만

이는 달의 질량의 1/3 수준임

질량과 에너지는 결정적인 차이가 있음

바로 질량은 움직이기 힘들다는 성질임

이게 관성임

순수한 에너지는 관성이 없이 초속 30만키로로 날아다님

한편 질량있는 양성자를 움직이기 힘들게 만들고 있는게

힉스장임

힉스장은 에너지에게 움직이기 힘듦을 부여하는 것임

힉스장의 유무가 에너지와 물질의 차이를 만들어낸다

이와같이 힉스장은 입자에 질량을 부여하는 성질이 있기에

힉스장에서 생겨나는 힉스입자를 발견하는게 과학계에서는 뜨거운 감자였음

사실 소립자 자체에는 질량이 없다

왜냐하면 빅뱅 초기 1천조도를 넘는 온도에선

힉스입자가 질량을 부여하는 역할을 하지 않고

광자마냥 떠돌아 다녔기 때문

이시절 힉스입자는 전자기력을 가지고 있었음

그러면서 우주가 1천조도 이하로 떨어지면서

힉스입자는 소립자에 움직이기 힘든 성질을 부여하기 시작함

쿼크나 전자는 양자장(필드)의 들뜸 즉 에너지의 덩어리임

광자는 쿼크나 전자와 같이 장에서 태어난 에너지 덩어리임

하지만 힉스장은 광자에 움직이기 힘든 성질을 부여하지 않는다

따라서 광자는 에너지 그자체며 질량이 없기 때문에

항상 초속 30만키로로 이동할 수 있는 것이다