[도서리뷰] 초딩 인생 처음 물리 – 쉽게 배우는 물리 용어

물리 용어를 배워 교양을 쌓고 싶은 어른에게도 추천하고 싶은 책입니다. 물리 교양을 쌓고 싶어 십여권의 책들을 빌려봤지만 25년 2월 1일 현재 이 책이 가장 쉽고 명쾌합니다. 초딩 인생 처음 물리의 목차를 따라서 용어 정리를 진행합니다.(링크는 스폰서십이 아닙니다.)

PHISICS 01 역학 Mechanics

역학(Mechanics)이란?

역학은 힘과 운동의 관계를 연구하여 물체가 어떻게 움직이고 변하는지를 설명하는 물리학의 한 분야다.

1. 관성의 법칙 (뉴턴의 제1법칙)

• 물체는 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 현재 상태를 유지하려 한다.
• 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으며, 운동하는 물체는 계속 같은 속도로 움직인다.
• 예: 자동차가 갑자기 멈출 때, 탑승자가 앞으로 쏠리는 현상.

2. 가속도의 법칙 (뉴턴의 제2법칙)

• 물체에 힘이 작용하면, 그 물체는 힘의 크기에 비례하고 질량에 반비례하는 가속도를 가진다
• 공식: F = ma / 힘(Force) = 질량(mass) × 가속도(acceleration)
• 예: 축구공과 볼링공을 같은 힘으로 차면, 가벼운 축구공이 더 멀리 나간다.

3. 작용-반작용의 법칙 (뉴턴의 제3법칙)

• 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 가하면(작용), 반대 방향으로 크기가 같은 힘을 받는다.(반작용)
• 예: 사람이 땅을 밟고 서 있을 때, 땅도 같은 크기의 힘으로 사람을 위로 밀어준다.
• 로켓이 연료를 아래로 분사하면, 반작용으로 위로 날아가는 원리도 이에 해당한다.

만유인력의 법칙

• 뉴턴은 질량을 가진 모든 물체가 서로 당기는 힘이 있다고 주장했다. 이를 만유인력(萬有引力, Universal Gravitation)의 법칙이라고 한다.
• 중력(Gravity)은 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘으로, 지구가 물체를 아래로 당기는 원인이며 우주에서 행성과 별이 움직이는 근본적인 힘이다.
• 지구가 사과를 끌어당기듯, 모든 물체는 서로 당긴다.
• 질량이 클수록, 거리가 가까울수록 더 강한 힘이 작용한다.
• ※ 뉴턴은 중력을 힘으로 설명했지만, 아인슈타인은 중력을 시공간의 휘어짐으로 설명했다.

PHISICS 02 열역학 Thermodynamics

열역학(Thermodynamics)이란?

열역학은 열과 에너지의 이동을 연구하는 물리학의 한 분야다. 열이 어떻게 물체 사이에서 이동하고, 온도 변화에 따라 물질이 어떻게 변하는지를 설명한다

1. 분자와 열운동

모든 물질은 아주 작은 입자인 분자로 이루어져 있으며, 온도가 높을수록 더 빠르게 움직인다.

• 분자는 물질을 이루는 기본 단위이며, 눈에 보이지 않을 정도로 작다.
• 분자는 온도가 올라가면 더 빠르게 움직이고, 온도가 내려가면 움직임이 느려진다.
• 같은 분자로 이루어진 물질이라도 온도에 따라 상태가 달라질 수 있다.
• 얼음과 물은 같은 물 분자(H₂O)로 이루어져 있지만, 온도가 낮을 때는 분자가 천천히 움직이며 단단한 구조를 이루어 얼음이 되고, 온도가 높아지면 분자가 빠르게 움직여 액체 상태인 물이 된다.
• 얼음을 뜨거운 물 속에 넣으면 뜨거운 물의 분자가 빠르게 움직이며 얼음의 분자와 충돌하여 열을 전달하고, 이 과정에서 얼음이 녹아 물이 된다.

2. 액체에서 기체로 변화

액체는 온도가 올라가면 기체로 변할 수 있으며, 그 방식에 따라 증발과 비등으로 나뉜다.

• 증발(Evaporation)
  • 액체가 표면에서 서서히 기체로 변하는 현상이다.
  • 낮은 온도에서도 일어날 수 있다.
  • 물이 담긴 컵을 오래 두면 물이 점점 줄어드는 것이 그 예이다.
• 비등(Boiling, 끓음)
  • 액체가 특정 온도에 도달하면 내부에서도 기체로 변하는 현상이다.
  • 물이 1기압, 100℃에서 거품을 만들며 끓는 것이 대표적인 예이다.
  • 기포는 액체 내부에서 증기로 변한 물질이 빠져나오는 과정이다.

3. 기체에서 액체로 변화

공기 중의 수증기는 온도가 낮아지면 물방울로 변할 수 있다.

• 이슬(Dew)
  • 공기 중의 수증기가 차가운 표면에서 액체로 변하는 현상이다.
  • 아침에 풀잎이나 창문에 맺히는 물방울이 이슬이다.
  • 공기 중 수증기가 차가운 표면과 만나 응결하여 물방울이 된다.
• 비(Rain)
  • 대기 중의 수증기가 응결하여 액체 상태가 되어 지표로 떨어지는 현상이다.
  • 구름 속 작은 물방울들이 점점 커지면서 비가 된다.
  • 기온이 낮으면 눈이 될 수도 있다.

4. 고체와 기체 간의 변화 (승화)

물질은 액체 상태를 거치지 않고도 고체에서 기체로, 기체에서 고체로 직접 변할 수 있다. 이를 승화(Sublimation)라고 한다.

• 고체 → 기체 (승화, Sublimation)
  • 드라이아이스(고체 이산화탄소)는 액체 상태 없이 바로 기체로 변한다.
  • 겨울철 빨래가 얼었지만, 시간이 지나면 녹지 않고 그대로 마르는 것도 승화의 예이다.

• 기체 → 고체 (응고승화, Deposition)
  • 차가운 날씨에 창문에 생기는 성에(Frost)는 공기 중의 수증기가 액체 없이 직접 얼음이 되는 현상이다.
  • 눈이 녹지 않고 그대로 증발하는 것도 승화의 한 예이다.

PHISICS 03 광학 Optics

광학(Optics)이란?

광학은 빛의 성질과 운동을 연구하는 물리학의 한 분야다. 빛이 어떻게 이동하고 반사되며, 굴절과 분광을 통해 색이 어떻게 형성되는지를 설명한다

1. 빛과 광원

빛을 직접 내는 물체와 그렇지 않은 물체가 있다.

• 눈은 빛을 내거나 반사하는 물체만 볼 수 있다.
• 광원은 스스로 빛을 내는 물체로, 형광등이나 태양이 대표적인 예이다.
• 책상이나 나무처럼 광원이 아닌 물체는 자체적으로 빛을 내지 않지만, 광원의 빛을 반사해 볼 수 있다.

2. 빛의 운동

빛은 일직선으로 이동하며, 매우 빠른 속도로 퍼져나간다.

• 빛의 속도는 초당 약 30만 km로, 우리가 알기로 가장 빠른 자연현상이다.
• 번개와 천둥이 동시에 발생해도 빛의 속도가 소리보다 훨씬 빠르기 때문에 번개를 먼저 보고 나중에 천둥소리를 듣게 된다.
• 우리가 보는 태양은 약 8분 전의 모습이며, 북극성은 약 430년 전의 모습이다. 이는 빛이 아무리 빠르더라도 이동하는 데 시간이 걸리기 때문에, 우리 눈에 도달한 빛은 과거의 것이다.

3. 태양, 낮과 밤, 일식과 월식

태양의 위치와 빛의 방향에 따라 낮과 밤이 결정되며, 때때로 특수한 현상이 나타난다.

• 낮과 밤은 지구가 자전하면서 태양빛을 받는 면과 받지 않는 면이 바뀌면서 생긴다.
• 일식(Solar Eclipse): 달이 태양을 가려 태양빛이 지구에 도달하지 못하는 현상이다. 태양, 달, 지구가 일직선이 될 때 발생하며, 낮에 하늘이 어두워진다.
• 월식(Lunar Eclipse): 지구의 그림자가 달을 가려 달빛이 보이지 않게 되는 현상이다. 태양, 지구, 달이 일직선이 될 때 발생하며, 보름달이 점차 사라지거나 붉게 변한다.

4. 반사와 굴절

빛은 매끄러운 표면에서 반사되고, 투명한 물질을 통과할 때 굴절된다.

• 거울은 빛을 반사하여 우리가 상을 볼 수 있도록 한다. 탁상등의 빛이 거울에서 반사되면 거울 속에도 탁상등이 있는 것처럼 보인다.
• 거친 표면은 빛을 여러 방향으로 흩어지게 한다.
• 굴절은 파동(빛, 소리, 물결 등)이 공기, 유리, 물처럼 다른 물질을 통과할 때 속도가 변하면서 진행 방향이 바뀌는 현상이다
• 공기 중 온도 차이에 의해 빛이 굴절되면 신기루(Mirage: 공기층의 온도 차이로 인해 빛이 굴절되어 실제와 다르게 보이는 현상)가 발생할 수 있다. 뜨거운 도로 위에 마치 물웅덩이가 있는 것처럼 보이는 것이 대표적인 예이다.

5. 빛과 색

빛은 단순한 흰색이 아니라 다양한 파장의 조합으로 이루어져 있으며, 프리즘 같은 ‘분광기(Spectrometer)’를 이용해 이를 분리하고 분석할 수 있다

• 무지개는 태양빛이 공기 중의 물방울에서 반사되고 굴절되며 분광되어 여러 색깔로 나타나는 현상이다.
• 가시광선(Visible Light): 사람의 눈으로 볼 수 있는 빛으로, 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색이 포함된다.
• 빛의 삼원색(빨강, 초록, 파랑)은 다양한 색을 만들어낸다.
• 물체의 색깔은 빛에서 어떤 색을 반사하는지에 따라 결정된다. 빨간색 사과는 빨간색 빛을 반사하고 나머지 색을 흡수하기 때문에 빨갛게 보인다.

PHISICS 04 진동과 파동 Oscillation & Wave

진동과 파동이란?

진동은 어떤 물체가 일정한 규칙을 가지고 앞뒤 또는 위아래로 반복해서 움직이는 현상이다.
이러한 진동이 주변으로 퍼져나가면서 파동(Wave)이 형성된다.

1. 파동의 기본 개념

파동은 진동이 공간을 통해 전달되는 과정을 의미하며, 여러 가지 중요한 특징을 가진다.

• 진폭(Amplitude): 파동의 최대 높이(에너지의 크기와 관련)
• 주파수(Frequency): 1초 동안 반복되는 진동의 횟수(단위: Hz, Hertz)
• 마루(Crest): 파동의 가장 높은 부분
• 골(Trough): 파동의 가장 낮은 부분
• 파장(Wavelength): 파동이 한 번 진동하는 동안 진행한 거리

2. 파동의 종류

• 물결파(Water Waves): 물 표면에서 발생하는 파동으로, 바람이나 돌을 던졌을 때 생기는 물결
• 지진파(Seismic Waves): 지진이 발생할 때 땅속을 통해 전달되는 파동
• 음파(Sound Waves): 공기나 물 같은 물질을 통해 전달되는 소리의 파동
• 빛(전자기파, Electromagnetic Waves): 진동이 아닌 전기장과 자기장이 만들어내는 파동으로, 진공에서도 전파 가능

3. 파동의 성질

• 반사(Reflection): 파동이 경계면에서 튕겨 나가는 현상 (예: 거울 속의 빛)
• 회절(Diffraction): 파동이 장애물을 만나면서 휘어지는 현상 (예: 문 틈 사이로 퍼지는 소리)

4. 소리와 음파

소리는 공기의 진동을 통해 전달되며, 주파수에 따라 다르게 들린다. 파동(빛, 소리, 전자기파 등)은 진동하거나 반복되는 성질이 있다. 주파수는 이 파동이 1초 동안 몇 번 진동하는지를 나타낸다.

• 낮은 목소리: 주파수가 낮고 파장이 길다.
• 높은 목소리: 주파수가 높고 파장이 짧다.
• 악기의 음파
  • 높은 음: 주파수가 높은 소리(바이올린, 플루트)
  • 낮은 음: 주파수가 낮은 소리(더블베이스, 튜바)

5. 빛과 전자기파

빛은 전기장과 자기장이 직각 방향으로 진동하며 만들어지는 전자기파(Electromagnetic Wave)이다.
음파와 달리 공기가 없는 진공에서도 전파될 수 있으며, 파장의 길이에 따라 색이 달라진다.

• 진공에서의 차이
  • 음파(Sound Waves): 공기나 물 같은 매질이 필요하며, 진공에서는 전달되지 않는다.
  • 빛(전자기파): 매질 없이도 전달될 수 있어 우주에서도 볼 수 있다.
• 빛의 파동과 색깔
  • 파장이 긴 빛: 빨간색
  • 파장이 짧은 빛: 파란색
  • 가시광선의 범위(400~700nm) 내에서 색이 달라진다.
• 전기장(Electric Field): 양전하(+)나 음전하(-)가 존재할 때, 그 주변 공간에서 다른 전하에 힘을 미치는 영역
• 자기장(Magnetic Field): 움직이는 전하(전류)가 존재할 때, 그 주변 공간에서 자기력을 발생시키는 영역

▲ [참고] 전자기파(Electromagnetic Waves, 電磁氣波)의 종류

• 감마선 – X선 – 자외선 – 가시광선(사람 눈에 보임: 빨주노초파남보) – 적외선 – 마이크로파 – 전파
  

전자기파 종류	파장 범위(짧음~큼)	주파수 범위 (주파수 높음~낮음)	특징 및 활용
감마선 (Gamma Rays)	0.01nm 이하	10²⁰ Hz 이상	방사선 치료, 핵반응
X선 (X-Rays)	0.01 ~ 10 nm	10¹⁶ ~ 10²⁰ Hz	엑스레이 촬영, 공항 보안 검색
자외선 (Ultraviolet Rays)	10 ~ 400 nm	10¹⁵ ~ 10¹⁶ Hz	햇빛, 피부 태닝, 살균
가시광선 (Visible Light)	400 ~ 700 nm	4 × 10¹⁴ ~ 8 × 10¹⁴ Hz	사람이 볼 수 있는 빛
적외선 (Infrared Rays)	700 nm ~ 1 mm	3 × 10¹¹ ~ 4 × 10¹⁴ Hz	열화상 카메라, 리모컨
마이크로파 (Microwaves)	1 mm ~ 1 m	3 × 10⁸ ~ 3 × 10¹¹ Hz	전자레인지, 통신(5G, Wi-Fi)
전파 (Radio Waves)	1 m 이상	3 × 10⁶ ~ 3 × 10⁸ Hz	라디오, TV, 휴대전화 통신

PHISICS 05 전자기학 Electro magnetics

전자기학이란?

전자기학은 전하, 전류, 자기장, 전자기파의 관계를 연구하는 물리학의 한 분야이다. 자연에서 발견되는 정전기, 자기력, 발전소에서의 전기 생성 원리, 전자기파의 생성과 전파 등을 설명한다.

1. 전하와 전기장

전하(Charge)는 물체가 띠는 전기의 성질로, 크게 양전하(+)와 음전하(-)로 나뉜다. 전하가 있는 공간에는 전기장(Electric Field)이 형성되며, 전하는 전기장의 영향을 받아 힘을 받는다.

• 양전하(+): 양성자(Proton)가 가지는 전하
• 음전하(-): 전자(Electron)가 가지는 전하
• 전류(Electric Current) : 전하가 이동할 때 발생하는 현상. 전자의 실제 이동 방향은 음극(−)에서 양극(+)이지만 역사적으로 전류의 방향은 반대(양극 → 음극)로 정의된다.
• 정전기(Static Electricity) : 마찰 등에 의해 전하가 한쪽으로 몰려 발생하는 전기적 현상
• 전기장(Electric Field) : 전하가 존재하는 공간에서 다른 전하에 전기력을 미치는 영역이다

2. 전류와 자기장

전류는 전하의 흐름이며, 전류가 흐르면 자기장이 형성된다.

• 전류: 전자의 이동으로 인해 발생하는 전기 흐름
• N극, S극: 자석의 두 극으로, 같은 극끼리는 밀어내고, 다른 극끼리는 끌어당긴다.
• 자기장(Magnetic Field) : 자석이나 전류에 의해 형성되는 공간으로, 자기력을 발생시켜 다른 자성 물체를 밀거나 끌어당기는 힘이 작용하는 영역. 자기장은 N극에서 나와 S극으로 들어간다
• 지구 자기장: 지구 자체가 하나의 거대한 자석과 같아서 나침반이 방향을 찾을 수 있다. 지구의 남극은 자기적으로 N극이다. 따라서 나침반의 N극은 남극을 가리킨다.

3. 자기장과 전류의 관계

전류와 자기장은 밀접한 관계를 가지며, 전자석이나 발전소의 원리에 사용된다.

• 전자석: 전류가 흐르면 자기장이 형성되며, 이 원리를 이용해 강력한 자석을 만들 수 있다.
• 전류와 자기장: 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성되며, 전류의 방향에 따라 자기장의 방향도 달라진다.
• 발전소 : 자기장의 변화를 이용해 전류를 생성하여 전기를 생산하는 곳으로, 이 과정에서 패러데이의 전자기 유도 현상이 사용된다. 즉, 코일(도선)을 회전시키거나 자기장을 변화시키면 유도 전류가 발생하여 전기가 만들어진다

4. 자기장과 방사선 차단

지구의 자기장은 태양에서 오는 방사선을 막아주는 역할을 한다.

• 자기장이 방사선을 차단하는 원리: 태양에서 날아오는 고에너지 입자(태양풍)는 지구의 자기장에 의해 휘어지면서 차단된다.
• 지구 자기장이 없다면 강한 태양 방사선이 지표면까지 도달하여 생명체에 해를 끼칠 수 있다.

5. 맥스웰의 방정식과 전자기파

영국 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 전기장과 자기장이 서로 영향을 주고받으며 전자기파를 형성한다는 이론을 정리했다.

• 전자기파: 전기장과 자기장이 직각으로 진동하면서 공간을 통해 전달되는 파동
• 전자기파의 성질
  • 진공에서도 전파됨
  • 빛의 속도로 이동(약 30만 km/s)
  • 파장의 길이에 따라 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 전파로 구분됨

PHISICS 06 유체역학 Fluid mechanics

유체역학이란?

유체역학은 유체(액체와 기체)의 운동과 압력, 힘의 관계를 연구하는 물리학의 한 분야이다.
유체는 고체와 달리 자유롭게 흐를 수 있으며, 압력과 속도에 따라 다양한 특성을 보인다.

1. 고체와 유체(액체, 기체)

물질은 고체, 액체, 기체로 나뉘며, 유체(Fluid)는 흐를 수 있는 성질을 가진 물질로, 액체와 기체를 포함한다

• 고체(Solid) :
  • 일정한 모양과 부피를 유지하며, 외부 압력을 받아도 쉽게 변형되지 않는다.
  • 분자들이 밀접하게 배열되어 있어 자유롭게 움직이지 못한다.
• 유체(Fluid)
  • 자유롭게 흐를 수 있으며, 용기의 형태에 따라 모양이 변한다.
  • 유체에는 액체(Liquid)와 기체(Gas)가 포함된다.
• 액체(Liquid)
  • 부피는 일정하지만, 모양은 용기에 따라 변한다.
  • 분자들이 비교적 가까이 있지만, 서로 이동할 수 있어 흐름이 발생한다.
• 기체(Gas)
  • 부피와 모양이 자유롭게 변한다.
  • 분자들이 멀리 떨어져 있어 압축될 수 있으며, 온도와 압력에 따라 부피가 달라진다.
• ※ 부피(Volume): 물체나 공간이 차지하는 삼차원적인 크기를 의미하며, 길이 × 너비 × 높이로 측정

2. 유체 내부의 압력과 물의 압력

유체 내부에서는 모든 방향으로 압력이 작용하며, 깊이에 따라 압력이 변한다.

• 물속의 압력은 깊을수록 증가한다.
• 깊은 바닷속에서는 물의 무게 때문에 압력이 강해진다.
• 잠수부가 깊이 내려갈수록 더 큰 압력을 받는다.

3. 부력과 아르키메데스의 원리

• 부력(Buoyancy)은 유체 속에 있는 물체가 위로 뜨게 하는 힘이다.
• 아르키메데스의 원리(Archimedes’ Principle)에 따르면, 유체 속의 물체는 밀려난 유체의 무게만큼 위로 뜨는 힘(부력)을 받는다
• 예를 들어, 배가 물에 뜨는 이유는 배가 밀어낸 물의 무게가 배의 전체 무게와 같기 때문이다.

4. 표면장력과 부착력

유체 분자 간의 힘으로 인해 다양한 현상이 나타나며, 표면장력과 부착력이 그 대표적인 예이다

• 표면장력(Surface Tension):
  • 액체 표면의 분자들이 서로 당겨 결합하여 마치 얇은 막처럼 작용하는 힘
  • 표면장력은 액체 내부보다 표면에서 더 강하게 작용하여, 액체 표면이 가능한 한 면적을 줄이려는 성질을 가진다.
  • 소금쟁이의 다리는 물을 뚫고 들어가지 않으며, 표면장력이 물의 표면을 팽팽하게 유지하기 때에 소금쟁이는 물에 떠오른다
  • 표면장력이 액체를 가능한 한 작은 면적으로 유지하려 하기 때문에 물방울은 둥글게 모양을 유지하려고 한다
• 부착력(Adhesion):
  • 부착력은 액체 분자가 다른 물질과 서로 끌어당기는 힘이다.
  • 부착력은 액체가 표면에 달라붙는 정도를 결정하며, 표면장력과 함께 작용하여 다양한 현상을 만든다.
  • 물이 유리컵 벽면을 따라 올라가는 현상
  • 연잎 표면은 물과 부착력이 약하여 물이 넓게 퍼지지 않고 동그란 방울을 형성함.이 현상은 표면장력과 부착력의 균형으로 발생함

5. 대기압과 기압

대기압은 공기가 누르는 압력을 의미하며, 지표면에서 높은 값을 가진다.

• 대기층(Atmosphere): 지구를 둘러싸고 있는 공기층
• 기압(Atmospheric Pressure): 공기의 무게에 의해 발생하는 압력으로, 지표면이나 물체에 작용하는 대기의 힘을 의미한다. 기압은 고도가 높을수록 낮아지고, 해수면에서 가장 높다
• 마그데부르크(Magdeburg, 독일 지역)의 반구 실험. 공기를 빼낸 두 개의 반구가 대기압 때문에 강하게 붙어 떨어지지 않는 실험

▲ 대기층의 종류와 특징 – 대류권(Troposphere): 지표면과 가장 가까운 층으로, 날씨와 구름이 형성되는 곳. – 성층권(Stratosphere): 오존층이 위치하며, 비행기가 운항하는 층. – 중간권(Mesosphere): 기온이 다시 낮아지며, 유성이 많이 발생하는 층. – 열권(Thermosphere): 태양의 영향을 강하게 받아 온도가 매우 높고, 오로라가 발생하는 층. – 외기권(Exosphere): 대기와 우주의 경계로, 인공위성이 주로 위치하는 층.

6. 베르누이의 원리

스위스 과학자 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)가 발견한 유체역학 법칙으로, 유체(액체나 기체)의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지는 현상을 설명하는 원리이다

• 유체(Fluid, 액체 또는 기체)의 속도가 빨라지면 압력이 낮아진다.
• 유체가 좁은 공간을 통과하면 속도가 증가하고, 이에 따라 압력이 낮아진다.
• 이는 에너지 보존 법칙에 의해 설명되며, 유체의 운동 에너지(속도)와 압력 에너지의 합은 일정하게 유지됨.
• 예 : 비행기 날개의 원리 (Lift Force, 양력)
  • 비행기 날개는 위쪽이 둥글고, 아래쪽이 평평한 구조로 되어 있음.
  • 날개 위쪽의 공기 속도가 빨라지고 압력이 낮아짐, 반면 아래쪽 공기 속도는 상대적으로 느려 압력이 높아짐.
  • 압력 차이로 인해 위로 뜨는 힘(양력, Lift Force)이 발생하여 비행기가 하늘로 뜰 수 있음.
• 예 : 돛단배의 원리
  • 바람이 돛의 한쪽을 따라 빠르게 흐르면 해당 방향의 압력이 낮아지고, 반대쪽은 상대적으로 압력이 높아짐.
  • 이 압력 차이로 인해 돛이 밀리면서 배가 움직이게 됨.

7. 유체의 흐름

유체(액체나 기체)의 흐름은 속도와 압력에 따라 두 가지로 구분되며, 규칙적으로 흐르는 층흐름과 불규칙하게 흐르는 난류(급류)가 있다

• 층흐름(Laminar Flow) : 유체가 매끄럽고 일정한 방향으로 흐르는 상태로, 유체의 층이 서로 혼합되지 않고 부드럽게 이동한다. 층흐름은 저속 유체에서 발생하며, 저항이 적고 효율적인 흐름을 만든다.
  • 천천히 흐르는 강물 → 강물이 일정한 방향으로 흐름.
  • 파이프 속의 부드러운 물의 흐름 → 물이 균일하게 흐르며 소용돌이가 없음.
  • 비행기 날개 주변의 공기 흐름 → 공기가 매끄럽게 흘러서 양력 생성.
• 급류(Turbulent Flow): 유체가 불규칙하게 소용돌이치며 흐르는 상태로, 유체의 층이 뒤섞이고 흐름의 방향이 빠르게 변하는 것이 특징. 난류는 고속 유체에서 발생하며, 저항이 크고 에너지가 많이 소모된다.
  • 폭포나 빠른 강물 → 물이 소용돌이치면서 불규칙하게 흐름
  • 강풍이 부는 날의 공기 흐름 → 바람이 불규칙하게 요동침
  • 자동차 주변의 공기 흐름 → 고속으로 이동할 때 난류가 발생하여 공기 저항이 커짐

PHISICS 07 원자물리학 Atomic physics

원자물리학이란?

원자물리학은 원자의 구조와 성질, 그리고 원자핵에서 발생하는 현상을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 고대 연금술에서 시작된 원자의 개념은 현대 과학에서 원소주기율표, 핵분열, 핵융합, 방사선 등의 연구로 발전했다.

1. 연금술과 원자

고대 연금술에서는 금과 같은 귀금속을 만들거나 불로장생의 약을 찾으려는 시도가 이루어졌다. 연금술사들은 다양한 물질을 혼합하고 변형하려 했으나, 현대 과학에서는 원자가 화학 반응으로 변할 수 있지만 핵반응 없이는 원소 자체가 바뀌지 않는다는 사실이 밝혀졌다.

2. 원자의 구성 요소

모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 중심에 원자핵을 가지고 있다.

• 원자핵(Nucleus): 원자의 중심이며, 양전하(+)를 띠는 양성자와 전하가 없는 중성자로 구성된다.
• 전자(Electron): 음전하(-)를 띠며, 원자핵 주위를 특정한 궤도를 따라 회전한다.
• 전하(Charge) : 물체가 띠는 전기의 성질로, 양성자는 양전하(+), 전자는 음전하(-), 중성자는 전하를 띠지 않는다. 같은 전하는 서로 밀어내고(척력), 반대 전하는 서로 끌어당긴다(인력)
• 궤도(Orbit, 전자껍질): 전자가 특정한 에너지 준위를 가지며 원자핵 주위를 이동하는 영역이다. 전자는 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 이동할 수 있으며, 다시 원래 위치로 돌아오면서 빛(광자, Photon)을 방출한다.
• ※ 에너지 준위(Energy Level): 원자 내에서 전자가 가질 수 있는 특정한 에너지 상태를 의미하며, 높은 준위로 올라가면 에너지를 흡수하고, 낮은 준위로 내려가면 에너지를 방출한다

3. 원자에 빛을 비출 경우

원자는 특정한 조건에서 빛(에너지)을 흡수하거나 방출할 수 있다.

• 원자는 특정한 조건에서 빛(에너지)을 흡수하거나 방출할 수 있으며, 이는 전자의 위치 변화로 인해 발생한다.
• 에너지를 흡수하면 전자가 더 높은 자리로 이동하며, 이를 ‘들뜬 상태’라고 한다.
• 에너지를 방출하면 전자가 원래 자리로 돌아오며, 특정한 색의 빛을 내게 된다.
• 원자가 방출하는 빛의 색을 분석하면 어떤 원소인지 알 수 있으며, 이를 ‘분광학’이라고 한다.
• 네온사인, 불꽃놀이의 색깔, 원소별 스펙트럼 분석 등이 이 원리를 이용한 대표적인 예시이다.

4. 원자핵의 구성 요소

원자핵은 양성자(Proton)와 중성자(Neutron)로 구성되어 있다.

• 양성자: 양전하(+)를 띠며, 원자의 핵을 이루는 기본 입자이다.
• 중성자: 전하가 없으며, 원자핵의 결합을 돕는다.
• 원자핵 내에서는 강한 핵력(Strong Nuclear Force)이 작용하여 양성자끼리 서로 밀어내지 않고 결합할 수 있도록 한다.

5. 멘델레예프의 원소주기율표

러시아 과학자 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)는 원소들의 성질이 일정한 주기로 반복됨을 발견하고, 이를 원소주기율표(Periodic Table)로 정리했다.

• 원소들은 원자번호(양성자 수)에 따라 배열되며, 같은 족(세로 줄)에 있는 원소들은 비슷한 화학적 성질을 가진다.
• 현대 주기율표는 원자의 전자배치와 화학적 성질을 예측하는 중요한 도구로 사용된다.

6. 핵분열과 원자폭탄

• 핵분열(Fission)은 무거운 원자핵이 작은 원자핵으로 분열하면서 막대한 에너지를 방출하는 과정이다.
• 원자폭탄은 우라늄-235 또는 플루토늄-239의 핵분열 연쇄반응을 이용하여 단시간에 엄청난 에너지를 폭발적으로 방출하는 무기이다.
• 핵발전소는 핵분열 원리를 이용하지만, 반응 속도를 조절하여 안정적으로 에너지를 생산하는 시설이다.
• 핵분열이 일어날 때 중성자가 방출되며, 이 중성자가 다른 원자핵과 충돌하여 추가적인 연쇄반응을 유도하면서 지속적인 에너지를 생성할 수 있다.

7. 핵융합과 태양

• 핵융합(Fusion)은 가벼운 원자핵들이 서로 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하면서 막대한 에너지를 방출하는 과정이다.
• 태양의 에너지원은 핵융합으로, 수소 원자핵들이 융합하여 헬륨을 형성하면서 엄청난 에너지를 방출한다.
• 핵융합은 핵분열보다 훨씬 더 강한 에너지를 발생시키지만, 높은 온도와 압력이 필요하여 인공적으로 제어하는 것이 어렵다.
• 핵융합을 인공적으로 활용하면 핵융합 발전소를 개발할 수 있으며, 이는 방사성 폐기물이 거의 없는 친환경 에너지원이 될 가능성이 있다.

8. 원자핵 붕괴와 방사선

• 방사성 원소(Radioactive Elements)는 시간이 지나면서 자연적으로 붕괴하며 방사선을 방출한다.
• 이를 ‘방사성 붕괴(Radioactive Decay)’라고 한다. 방사성 붕괴 과정에서 원자핵이 불안정해지면서 입자와 에너지를 방출하며, 방출되는 방사선(Radiation)의 종류는 알파선(α), 베타선(β), 감마선(γ)으로 구분된다

• 알파선(α, Alpha Radiation)
  • 헬륨 원자핵(2개의 양성자 + 2개의 중성자)으로 구성됨.
  • 입자의 크기가 크고, 공기 중에서 몇 cm 정도만 이동할 수 있음.
  • 종이에 의해 차단 가능하며, 피부를 통과하지 못함.
  • 하지만 흡입하거나 섭취하면 내부에서 위험할 수 있음.
• 베타선(β, Beta Radiation)
  • 고속으로 움직이는 전자(β⁻) 또는 양전자(β⁺)로 구성됨.
  • 알파선보다 투과력이 강하며, 플라스틱이나 얇은 금속판으로 차단 가능.
  • 피부를 뚫을 수 있지만, 보통 신체 깊숙이 침투하지 않음
• 감마선(γ, Gamma Radiation)
  • 매우 높은 에너지를 가진 전자기파(빛)이며, 입자가 아님.
  • 알파선, 베타선보다 투과력이 훨씬 강함.
  • 콘크리트 벽이나 두꺼운 납판으로 차단 가능.

※ 핵융합과 핵분열 비교

구분	핵융합(Fusion)	핵분열(Fission)
원리	가벼운 원자핵들이 합쳐짐	무거운 원자핵이 쪼개짐
에너지 생성량	핵분열보다 훨씬 강한 에너지 발생	비교적 적은 에너지 발생
연료	수소 동위원소(중수소, 삼중수소)	우라늄-235, 플루토늄-239
방사성 폐기물	거의 없음	방사성 폐기물 발생
자연 발생 예시	태양, 별의 에너지원	자연적으로 거의 없음 (방사성 붕괴 제외)
기술적 난이도	초고온, 초고압 필요 → 인공적 구현 어려움	원자로에서 제어 가능

9. 퀴리부인과 방사성 물질

• 프랑스 과학자 마리 퀴리(Marie Curie)는 남편 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 함께 방사성 원소 라듐(Ra)과 폴로늄(Po)을 발견하고, 방사능(Radioactivity) 연구의 기초를 마련했다.
• 퀴리부인은 최초로 방사성 원소를 분리하여 연구한 과학자로, 이 업적으로 노벨 물리학상(1903)과 노벨 화학상(1911)을 수상한 최초의 여성 과학자이다.
• 그녀의 연구는 방사선 치료, 원자력 에너지 개발, 의학 및 산업 분야에서 방사능 활용의 중요한 기초를 제공했다.
• 방사성 원소(Radioactive Elements)
  • 자연으로 붕괴하며 방사선을 방출하는 원소.
  • 대표적인 원소: 우라늄(U), 라듐(Ra), 폴로늄(Po), 코발트-60(Co-60) 등.
• 방사능 활용 분야
  • 방사선 치료 (암 치료) → 라듐 사용
  • 원자력 발전 → 우라늄, 플루토늄 사용
  • 비파괴 검사(산업용) → 감마선 활용
  • 연대 측정(고고학) → 탄소-14(C-14) 이용

10. 방사선의 사용과 위험성

• 방사선(Radiation): 원자핵의 붕괴 과정에서 방출되는 입자나 전자기파로, 알파선(α), 베타선(β), 감마선(γ) 등이 포함된다.
• 방사선의 활용
  • 의료용 X선 촬영
  • 암 치료(방사선 치료)
  • 식품 살균
  • 방사성 동위원소를 이용한 연대 측정(탄소-14 연대 측정법)
• 방사선의 위험성
  • 높은 방사선은 세포를 손상시키거나 유전자 변이를 일으킬 수 있다.
  • 방사능 오염은 생태계와 인간 건강에 장기적인 영향을 미칠 수 있다.
  • 핵발전소 사고(체르노빌, 후쿠시마) 등에서 방출된 방사성 물질은 수십 년 동안 환경에 영향을 미칠 수 있다.

PHISICS 08 광학사 History of Optics

고대부터 현대까지의 빛에 대한 연구

시대	주요 학자	주요 개념
고대 (~기원전 5세기)	피타고라스, 데모크리토스	시각 유출설, 빛의 원자설
17세기	뉴턴	입자설 (Corpuscular Theory), 반사와 굴절 연구
19세기 초	토마스 영	이중슬릿 실험 → 빛의 간섭 현상 발견 → 파동설 증명
19세기 후반	맥스웰	전자기파 이론 → 빛이 전자기파임을 수학적으로 증명
20세기 초	아인슈타인	광전효과 → 빛의 입자적 성질 증명 → 광자(Photon) 개념 도입
20세기 후반 이후	현대 물리학자들	파동-입자 이중성 정립, 양자 광학(Quantum Optics) 연구

기원전 6~5세기: 피타고라스와 데모크리토스의 빛 정의

고대 그리스에서는 빛의 본질에 대해 여러 가설이 제기되었다.

• 피타고라스(Pythagoras, 기원전 6세기): 빛이 눈에서 나와 물체를 비춘다고 주장(시각 유출설).
• 데모크리토스(Democritus, 기원전 5세기): 빛이 물체에서 나와 눈으로 들어간다고 주장했으며, 빛도 원자로 이루어졌다고 보았다.

17세기: 뉴턴의 빛 이론과 파동-입자 논쟁의 시작

아이작 뉴턴(Isaac Newton, 17세기 후반)은 빛의 성질을 연구하며 입자설(Corpuscular Theory)을 주장했다.

• 빛의 반사(Reflection): 입사각과 반사각이 같다는 원리를 통해 거울에서의 빛 반사를 설명했다.
• 빛의 굴절(Refraction): 밀도가 다른 매질을 통과할 때 빛이 굴절하는 현상을 설명했다.
• 빛의 속도: 뉴턴은 빛의 속도가 공기보다 물에서 더 빠르다고 생각했으나, 이는 후에 오류로 밝혀졌다.
• 용어 정리
  • 입사각(Angle of Incidence): 빛이나 파동이 표면에 닿을 때, 수직선과 이루는 각도.
  • 반사각(Angle of Reflection): 입사한 빛이 반사될 때, 수직선과 이루는 각도(입사각과 동일).

19세기 초: 토마스 영의 이중슬릿 실험과 파동설의 증명

토마스 영(Thomas Young, 1801년)은 빛이 파동이라는 증거를 제시했다.

• 이중슬릿 실험(Double-Slit Experiment): 두 개의 작은 틈을 통과한 빛이 간섭무늬를 형성하는 것을 관찰했다.
• 뉴턴의 입자설로는 이 현상을 설명할 수 없었으며, 빛이 파동이라는 강력한 증거가 되었다.
• 용어 정리
  • 간섭무늬(Interference Pattern) : 두 개 이상의 파동이 만나 겹쳐지면서 밝고 어두운 줄무늬가 나타나는 현상)
  • 이중슬릿(Double-Slit) : 좁은 틈 두 개를 통해 빛이 지나가게 하여 간섭 현상을 관찰하는 실험 장치.

19세기 후반: 제임스 맥스웰의 전자기파 이론

제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1860년대)은 빛은 전자기파(Electromagnetic Wave)라는 이론을 수식으로 정리했다.

• 맥스웰의 방정식은 빛이 전기장과 자기장이 직각으로 진동하며 전파되는 파동임을 수학적으로 증명했다.
• 이로 인해 빛은 파동이라는 개념이 더욱 강화되었다.

20세기 초: 아인슈타인의 광전효과와 빛의 이중성

1905년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 광전효과(Photoelectric Effect)를 연구했다. 광전효과의 발견으로 빛의 입자적 성질이 다시 부각되었으며, 이 연구를 통해 ‘빛의 파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality)’ 개념이 확립

• 광전효과:
  • 특정 주파수 이상의 빛이 금속에 닿으면 전자가 튀어나오는 현상
  • 고전적인 파동이론으로는 설명할 수 없었음
• 아인슈타인의 설명:
  • 빛이 입자처럼 작용하며, 이 입자를 광자(Photon)라고 부름
• 빛의 에너지는 연속적이지 않고, 광자의 에너지는 빛의 주파수에 비례함

20세기 후반 이후: 현대 광학

이제 빛은 단순한 전자기파가 아니라 양자역학(Quantum Mechanics)의 영역에서 연구되고 있다.

• 양자역학에서의 빛: 빛은 확률적으로 입자와 파동의 성질을 모두 가지며, 관측 방법에 따라 다르게 보인다. (이중슬릿 실험에서 관찰 여부에 따라 다르게 나타남)
• 레이저(Laser) 기술: 특정한 빛의 성질을 이용하여 개발된 기술로, 의료, 통신, 산업 등 다양한 분야에서 활용된다.
• 현대 천문학과 빛: 빛의 도플러 효과를 이용해 우주의 팽창을 관측하며, 블랙홀과 같은 천체 연구에도 활용된다.
• 용어 정리 : 빛의 도플러 효과
  • 빛의 도플러 효과(Doppler Effect of Light) : 광원이 관측자에게 다가오거나 멀어질 때, 빛의 파장이 변하는 현상
  • 광원이 다가오면 빛의 파장이 짧아지고(청색 편이, Blue Shift), 광원이 멀어지면 빛의 파장이 길어지는(적색 편이, Red Shift) 현상이 발생한다

PHISICS 09 상대성이론 Theory of relativity

1. 물리법칙과 상대성이론

상대성이론(Relativity)은 모든 물리법칙이 관측자의 기준에 따라 다르게 보일 수 있다는 개념에서 출발한다

이론	설명	적용 상황
특수상대성이론	빛의 속도에 가까운 물체의 운동을 설명	중력이 없는 경우
일반상대성이론	중력이 강한 환경에서 시공간의 휘어짐을 설명	블랙홀, 중력렌즈 등

• 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 20세기 초 기존 뉴턴 역학으로 설명할 수 없는 물리 현상을 해결하기 위해 특수상대성이론(Special Relativity)과 일반상대성이론(General Relativity)을 제시했다.
• 이 이론은 시간이 절대적이지 않으며, 중력이 단순한 힘이 아니라 시공간의 곡률(curvature)로 설명된다는 혁신적인 개념을 포함한다.
  • 특수상대성이론: 광속에 가까운 속도로 움직이는 물체의 물리법칙을 설명
  • 일반상대성이론: 중력이 강한 환경에서 시공간의 휘어짐을 설명
• 블랙홀과 사건지평선 같은 우주 현상을 이해하는 데 필수적인 이론이며, 현대 물리학에서 가장 중요한 기초 이론 중 하나이다.
• GPS 시스템 같은 실생활 기술에서도 상대성이론이 적용된다.

2. 광속도 불변의 원리 (The Principle of Invariant Light Speed)

• 특수상대성이론의 핵심 개념 중 하나는 광속도 불변의 원리이다.
• 광속(c)은 어떠한 관성계에서도 항상 동일하다.
• 이 원리는 뉴턴 역학과 충돌하며, 상대성이론의 필수적인 전제가 되었다..
• 예: 빛을 쫓아 달려가더라도 빛의 속도는 여전히 초속 약 30만 km(299,792,458 m/s)로 일정하다.

3. 길이수축과 시간팽창 (Length Contraction & Time Dilation)

상대성이론에 따르면, 관측자의 속도에 따라 길이와 시간이 변할 수 있다.

• 길이수축(Length Contraction): 빠르게 움직이는 물체는 정지한 관측자에게 더 짧게 보인다.
• 시간팽창(Time Dilation): 빠르게 움직이는 물체의 시간은 정지한 관측자에 비해 느리게 흐른다.
  • 예) 우주선을 타고 광속에 가깝게 이동하면, 우주선 안에서는 몇 년이 흘렀지만 지구에서는 수백 년이 지날 수 있다. 이를 쌍둥이 역설(Twin Paradox)로 설명할 수 있는데, 한 명이 빠르게 움직이는 우주선을 타고 여행하고 돌아오면 지구에 남아있던 쌍둥이보다 더 젊게 된다.

4. 질량-에너지 등가 (E = mc²)

아인슈타인은 질량과 에너지가 동등하다는 개념을 정립했다.

• 공식: E = mc² (E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)
• 작은 질량이라도 엄청난 에너지를 가질 수 있다. 핵폭탄과 원자력 발전소는 이 원리를 활용한 대표적인 예시이다.

5. 특수상대성이론과 일반상대성이론

특수상대성이론과 일반상대성이론은 각각 다른 상황에서 적용된다.

• 특수상대성이론(Special Relativity):
  • 빛의 속도에 가까운 물체의 운동을 설명
  • 기본 개념: 광속 불변의 원리, 길이수축, 시간팽창, 질량-에너지 등가
  • 중력이 없을 때(즉, 평탄한 공간) 적용됨
• 일반상대성이론(General Relativity):
  • 중력이 강한 환경에서 시공간이 휘어지는 현상을 설명
  • 중력은 단순한 힘이 아니라 시공간의 곡률(curvature)로 인해 발생한다.
• 시공간의 곡률(Curvature of Spacetime) : 중력에 의해 시공간이 휘어지는 현상을 의미. 일반상대성이론(General Relativity)에 따르면, 중력은 단순한 힘이 아니라 질량과 에너지가 시공간을 휘게 만들면서 발생하는 현상이다

6. 차원의 개념

상대성이론은 시공간을 하나의 개념으로 다룬다.

차원	설명	특징	예시
1차원 (1D)	선(Line)	– 한 방향(길이)만 존재	-직선,숫자선,한 줄로 선 기차
2차원 (2D)	면(Plane)	-두 개의 방향(길이,너비) 존재	-종이,도형(삼각형,사각형),지도
3차원 (3D)	공간(Space)	-세 개의 방향(길이,너비,높이) 존재	-큐브,구,우리가 사는 현실 세계
4차원 (4D)	시공간(Spacetime)	– 3차원 공간 + 1차원 시간 포함	-상대성이론에서 시공간 개념,블랙홀 주변의 시간 변화

[참고] 차원에 대한 추가적인 언급들

차원	설명	특징	예시
1차원 (1D)	선(Line)	길이만 존재, 한 방향으로만 이동 가능	직선, 숫자선
2차원 (2D)	면(Plane)	길이 + 너비 존재, 평면에서 이동 가능	종이, 지도, 도형
3차원 (3D)	공간(Space)	길이 + 너비 + 높이 존재, 현실 세계	공, 큐브, 우리가 보는 세계
4차원 (4D)	시공간(Spacetime)	3차원 공간 + 시간 포함	상대성이론에서 사용, 블랙홀 주변 시간 변화
5차원 (5D)	여분 차원(Extra Dimension)	4차원 시공간을 넘어서 중력을 확장하는 개념	Kaluza-Klein 이론, 숨겨진 차원 가설
6차원 (6D)	초끈이론의 일부	기본 힘(중력, 전자기력 등)을 연결하는 역할	초끈이론에서 등장
7차원 (7D)	고차원 시공간	일반 4차원 공간에서는 불가능한 물리 법칙을 가짐	이론적으로만 존재
8차원 (8D)	추가적인 자유도(Freedom)	물리적 해석이 어려운 수학적 개념	초끈이론 연구에서 고려
9차원 (9D)	끈의 진동 패턴이 완성됨	초끈이론에서 10차원을 만들기 전 필수적 단계	초끈이론 내부 차원
10차원 (10D)	초끈이론에서 요구하는 최종 차원	모든 힘을 통합하는 이론적 공간	초끈이론의 기본 공간
11차원 (11D)	M-이론 (M-Theory)에서 제안	초끈이론을 통합하는 차원	M-이론, 다중 우주 가설
12차원 이상	이론적으로 가능하지만 불확실	물리적 의미가 아직 모호함	이론적인 가설 단계

중력이 강한 곳에서는 시공간이 휘어지며, 물체들은 이를 따라 움직인다.

7. 만유인력과 태양

뉴턴의 만유인력 법칙은 두 물체가 서로 끌어당기는 힘을 설명하지만, 아인슈타인의 일반상대성이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 본다

• 뉴턴의 만유인력 법칙 (Law of Universal Gravitation, 1687)
  • 뉴턴은 모든 물체는 질량에 비례하는 힘으로 서로 끌어당긴다고 설명함.
  • F=Gr2m1​m2​​ (F: 두 물체 사이의 중력G: 중력상수m₁, m₂: 두 물체의 질량 r: 두 물체 사이의 거리)
• 일반상대성이론의 중력 개념 (General Relativity, 1915)
  • 아인슈타인은 중력은 단순한 힘이 아니라, 질량이 시공간을 휘게 만들고 물체들은 그 곡선을 따라 움직이는 것이라고 설명함.
  • 즉, 태양이 시공간을 휘게 만들고, 지구는 그 휘어진 공간을 따라 공전하는 것.
  • “중력이 강한 곳일수록 시공간의 휘어짐이 커지고, 시간도 더 느리게 흐른다.”
  • 이를 실험적으로 증명한 것이 중력적 시간지연(Gravity Time Dilation) 현상이다.
• 중력적 시간지연(Gravity Time Dilation)
  • 중력이 강한 곳에서는 시간이 더 느리게 흐름.
  • GPS 위성도 지구보다 중력이 약한 곳에 있으므로 시간이 더 빠르게 흐름 → 상대론적 보정이 필요함.
  • 블랙홀 근처에서는 시간팽창이 극단적으로 발생할 수 있음.

8. 블랙홀과 사건지평선

일반상대성이론은 블랙홀의 존재를 예측했다. 블랙홀 근처에서는 시간팽창이 극단적으로 일어나며, 사건지평선을 넘으면 영원히 빠져나올 수 없다.

• 블랙홀 (Black Hole)
  • 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없는 천체.
  • 강한 중력 때문에 시공간이 극단적으로 휘어짐.
  • 크기는 작지만 엄청난 질량과 밀도를 가짐.
• 사건지평선(Event Horizon)
  • 한 번 넘어가면 어떤 정보도 빠져나올 수 없는 경계.
  • 빛조차 탈출할 수 없기 때문에 내부를 관측할 수 없음.
  • 블랙홀 안쪽으로 들어가면 모든 것이 특이점으로 빨려 들어감.
• 특이점(Singularity)
  • 블랙홀 중심부에 위치한 무한한 밀도의 공간.
  • 시공간이 무한히 휘어진 곳으로, 현재 물리학으로 설명할 수 없음.

PHISICS 10 양자역학 Quantum mechanics

1. 플랑크의 양자 역학과 플랑크 상수 (1900년)

• 막스 플랑크(Max Planck)는 1900년 흑체 복사 문제를 해결하기 위해 에너지가 연속적인 것이 아니라 불연속적인 작은 단위(양자, quantum)로 나뉜다는 개념을 제안했다.
• E = hν
• E는 에너지
• h는 플랑크 상수
• v(nu): 빛의 진동수
• 플랑크 상수(Planck’s constant, h)는 에너지가 연속적인 것이 아니라, 특정한 작은 단위(양자, quantum)로만 변화한다는 개념을 수학적으로 표현한 상수이다.

2. 아인슈타인의 광양자설과 광전효과 (1905년)

• 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 1905년 플랑크의 개념을 확장하여 빛이 파동뿐만 아니라 입자(광자, photon)로도 작용한다고 주장했다.
• 광전효과(Photoelectric Effect) 실험에서 특정 주파수 이상의 빛을 금속 표면에 비추면 전자가 방출되는 현상을 설명하며, 빛이 입자적인 성질을 가질 수 있음을 증명했다.
• 이 연구로 아인슈타인은 1921년 노벨 물리학상을 받았다.

3. 보어의 원자모형 (1913년)

닐스 보어(Niels Bohr)는 1913년 원자 내 전자가 특정한 궤도를 따라 움직이며, 특정한 에너지를 가질 때만 안정적이라는 개념을 제안했다.

• 보어 원자모형 (Bohr Model) 특징
  • 전자는 정해진 궤도에서만 존재 가능
  • 특정한 에너지를 흡수하면 더 높은 궤도로 이동, 에너지를 방출하면 낮은 궤도로 이동
  • 원자의 방출 스펙트럼을 설명하는 데 성공
• 보어 모형은 수소 원자에는 잘 맞았지만, 더 복잡한 원자에서는 정확하지 않았음

4. 드브로이의 물질의 파동-입자 이중성 (1924년)

루이 드브로이(Louis de Broglie)는 1924년 모든 물질은 파동과 입자의 성질을 동시에 가진다는 가설을 제시했다.

• λ=mvh​
• λ (람다): 물질의 파장
• h: 플랑크 상수
• m: 입자의 질량
• v: 속도
• 즉, 전자 같은 작은 입자도 특정한 파장을 가지며, 이는 실험적으로 검증되었다.
• 이 이론은 전자 현미경 같은 기술 발전에 기여했다.

5. 하이젠베르크의 불확정성 원리 (1927년)

베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 1927년 불확정성 원리(Uncertainty Principle)를 제안했다.

• 불확정성 원리
  • 입자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 정확하게 측정할 수 없다.
  • 즉, 전자의 위치를 정확히 알면 속도는 불확실해지고, 속도를 정확히 알면 위치가 불확실해진다.
• 이 원리는 미시 세계에서 고전 물리학의 개념이 더 이상 적용되지 않는다는 것을 의미했다
  

6. 보른의 확률 해석 (1927년)

• 막스 보른(Max Born)은 1927년 양자역학에서 입자의 상태를 결정하는 것은 확률적 해석이 필요하다고 주장했다.
• 그는 파동 함수(Ψ)가 물리적 상태를 직접 나타내는 것이 아니라, 특정한 상태에서 발견될 확률을 제공한다고 해석했다
• 파동 함수(Ψ, Psi)의 의미
• Ψ(Psi) 자체는 물리적 의미를 가지지 않지만,
• Ψ² (파동함수의 제곱)은 입자가 특정 위치에서 발견될 확률을 의미한다.
• 즉, 양자역학에서는 입자의 움직임이 확정적이 아니라 확률적으로만 예측 가능하다.

7. 코펜하겐 해석과 양자원리 (1927년)

• 닐스 보어와 하이젠베르크는 1927년 코펜하겐 해석(Copenhagen Interpretation)을 정립하며, 양자역학의 기초 개념을 체계화했다.
• 코펜하겐 해석의 핵심
  • 입자는 관측되기 전까지 특정한 상태를 갖지 않음
  • 전자는 특정한 위치를 가지지 않고 확률적으로 존재
  • 측정 순간에 상태가 결정됨 (파동 함수의 붕괴, Wavefunction Collapse)
• 즉, 양자 세계에서는 ‘확률’이 물리 법칙의 핵심 요소라는 것이

8. 아인슈타인의 반박: 신은 주사위를 던지지 않는다 (1930년대)

• 아인슈타인은 양자역학이 확률적으로 작동한다는 코펜하겐 해석에 대해 회의적이었다.
• 그는 “신은 주사위를 던지지 않는다”라는 말로 양자역학이 결정론적이지 않음을 비판했다.
• 양자역학이 확률적이지만, 이것은 인간이 완전한 이론을 모르기 때문이라고 주장. 즉, 더 깊은 숨겨진 변수가 있을 가능성을 제기함.
• 하지만 이후 실험과 연구들은 양자역학의 확률적 성질이 자연의 근본적인 원리임을 뒷받침했다.

9. ERP 역설과 양자 얽힘 (1935년)

• 아인슈타인, 로젠, 포돌스키(Einstein-Podolsky-Rosen)는 1935년 양자역학이 불완전하다는 것을 보이기 위해 ERP 역설을 제시했다.
• ERP 역설이란?
  • 먼 거리에서 얽힌 두 입자가 즉각적으로 정보를 공유할 수 있다면, 특수상대성이론(광속 제한)과 모순이 생길 수 있다.
  • 아인슈타인은 양자역학이 완전하지 않다”고 주장.
• 이후 벨의 정리(Bell’s Theorem)와 실험적 검증을 통해 양자 얽힘(Quantum Entanglement)이 실제로 존재함이 입증됨.
• 양자 얽힘 (Quantum Entanglement) : 두 개 이상의 입자가 서로 강하게 연결되어, 아무리 멀리 떨어져 있어도 즉각적으로 상태를 공유하는 현상이다
  • 얽힌 입자(Entangled Particles)는 한 입자의 상태가 정해지는 순간, 다른 입자의 상태도 즉시 결정됨.
  • 두 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도, 한 입자를 측정하면 다른 입자의 상태가 즉각적으로 변함.
• 벨의 정리(Bell’s Theorem) : 숨은 변수 없이도 양자 얽힘이 실제로 존재한다는 것을 수학적으로 증명한 이론이다. 벨의 정리는 아인슈타인이 틀리고, 양자 얽힘이 실제 현상임을 입증한 결정적 이론이다

10. 슈뢰딩거의 고양이 실험 (1935년)

• 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 1935년 양자역학의 중첩 상태를 설명하기 위해 고양이 사고실험을 제안했다.
• 슈뢰딩거의 고양이 실험
  • 밀폐된 상자 안에 고양이와 방사성 원소, 독약을 넣는다.
  • 방사성 원소가 붕괴하면 독약이 작동해 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이는 살아있다.
  • 양자역학적 해석에 따르면, 고양이는 측정되기 전까지 살아 있음과 죽어 있음이 동시에 중첩된 상태이다.
• 이 사고실험은 양자중첩(Superposition)과 관측의 중요성을 강조하는 데 사용되었다 (끝)

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