안녕하세요.
오늘은 반물질 이 어떤 물질인가?! 에 대해서
알아보는 시간을 가져보려 합니다.
일단 기본적으로 반물질 이라는 것은
반입자들로 만들어진 물질을 모두 통틀어서
말하는 것이다 라는 것을 먼저 말씀 드리겠습니다.
그리고 오늘 설명할때에,
구태여 반물질과 반입자를 딱딱 나눠서 설명하지는
않도록 할것 입니다.
영국 천채물리학자 중에 디랙 이라는 물리학자가
있었습니다.
디랙은 디랙 방정식 이라는 것을 만들었는데,
디랙 방정식 이라는 것은 특수상대성이론과 양자역학을
접목사켜서 만들었습니다.
디랙 방정식에 의하면,
전자의 에너지가 질량과 광속의 제곱을 곱하여
나온 값보다 크거나 같고, 혹은 작거나 같은 값을
보여준다고 합니다.
여기서 에너지가 질량과 광속의 제곱보다
작거나 혹은 같다라는 것은 전자가 음의 에너지를
가지게 된다라는 것을 의미 한답니다.
여기서 우리가 확실히 해야할것은
전자라는 것은 페르미온으로 불리는 입자 입니다.
프리미온 배타 원리라는 것을 따르게 되는데,
같은 상태에서 2개 이상의 페르미온이 함께 할수 없다.
라는 것 입니다.
즉, 2개의 전자가 같은 에너지를 가지는 동시에
같은 공간에 있을수 없다라는 겁니다.
따라서, 1개의 원자에 포획되어 있는 여러개의 전자는
확률 적으로 서로 다른 위치에 점하게 된답니다.
만약에, 각기 다른 전자를 가까이 위치시킨다고 하면,
저항력이 생기게 되는데, 이것을 전자 축퇴압 이라 합니다.
이러한 전자 축퇴압은 백색외성이 붕괴하지 않고
버티도록 하는 주된 힘이 된답니다.
어쨋든 중요한것은, 동일한 값을 가지는 전자는
1개만 존재 할수 밖에 없다라는 것을 기억합시다.
그리고 다음으로,
입자라는 것은 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는 물과
비슷한 형상인데, "항상" 보다 낮은 상태의 에너지를
가지고 있는게 특징 입니다.
입자라는 것이 에너지를 많이 가지게 된다?
그렇다면, 상태가 굉장히 불안정 해지는데,
이때 발생하는 것이 바로 빛 입니다.
남는 에너지를 모조리 빛으로 발산 시키는 것이죠.
전자라는 것도 마찬가지로, 에너지가 넘쳐나면,
전자의 형태로 밖으로 뿅뿅 쏘기 시작합니다.
따라서 지금 까지의 이야기를 종합해 보자면,
전자는 양의 에너지도 가질수 있지만,
충분히 음의 에너지도 가질수 있겠고...
같은 상태의 전자는 2개 이상이 존재할수 없다는 것과,
전자는 언제나 낮은 에너지를 가지려 한다는 특징이
있다는 것인데, 이것들을 다시 종합해서 이야기 하지면,
우주라는 것은 음의 에너지를 띄는 전자로
가득가득 하게 차있겠고,
이 가득가득 차있는 공간 우주라는 것은
디랙의 바다가 될수 있다고 볼수 있습니다.
이런 이야기가 왜 나왔는지 다시 봅시다.
여기 전자가 하나 있다고 가정 합시다.
이 전자는 양의 에너지를 가지고 있고,
끊임없이 보다 낮은 에너지를 가지려고 합니다.
이때 따라서 에너지들을 빛으로 발산하면서
최저의 에너지 상태로 가려고 하는데,
여기서 임의적으로 전자가 지닐수 있는
에너지의 값을 설정해 봅시다.
예컨데 +100 ~ -100 까지 가능하다고 할때,
-100 이라는 에너지를 가진 전자는
더 이상 내려갈수 없으니 상태가 안정되게 됩니다.
그런데 새로운 전자 1개가 등장했다고 봅시다.
이 전자 역시 낮은 에너지를 가지기 위해
빛을 뿜뿜 뿜어되겠지만, 이미 같은곳에 -100의 전자가
존재 하기에 강제로 -99의 에너지가 최저 에너지가
되어버립니다.
이렇게 새로운 전자고 오고 또 오고 반복되다 보면,
전자가 가질수 있는 최저 에너지가 -값이 아닌
+값이 될수 밖에 없는 상황이 벌어지게 됩니다.
그리고 이때 부터 우리는 전자라는 것을 관측할수
있기도 합니다.
여기까지가 대충 디랙의 바다는 이렇다 라는 것을
설명하였는데, 이해가 어느정도 되시지 않았을까 합니다.
디랙의 바다는 -의 에너지를 가지고 있는
굉장히 많은 전자들의 모임이라고 보면 되겠죠?
그럼 이제 부터 반물질 의 대해 이야기 해보겠습니다.
일단 우리 앞에 물이 가득 들어 있는 수조가 있다고
가정해 봅시다. 그리고 이 수조는 앞서 말한 디랙의 바다라고
생각해 봅시다.
그리고 수조에서 물 한방울을 힘을 가하여 덜어냈다고 했을때,
물 한방울 만큼의 공간이 생기게 되는데, 여기서 디랙의 바다이기에,
물 한방울 만큼의 공간은 채워지지 않습니다.
그리고 당연히 물 한방울이 가지는 부피와,
비어있는 공간의 부피는 동일 할 것 입니다.
그리고 각각 입자라고 다시 생각해 본다면,
흘러나간 물한방울 과 비어버린 빈공간은
서로 정반대의 성질을 가지게 된다라는 것을
우리는 유추 할수 있답니다.
그러니까 다시 간단하게 이야기 하자면,
앞서 말한 수조가 우주 이고,
수조 안에 차있는 물이 -에너지를 가지는 전자이고,
흘러나간 물방울이 +에너지를 가져버린 전자이며,
물방울로 이뤄져 있는것을 입자라고 하고,
비어있는 공간을 반입자라고 생각한다면,
얼추 감이 오시지 않을까 싶습니다.
전자의 경우 -1이라는 값의 전하를 가지지만,
전자의 반입자였던 양전자는 +1의 전하를 가집니다.
간단하게 생각하면 음수에 음수를 곱하면 양수가 될테니까요.
그러나, 물방울이 가지는 부피와 비어버린 공간의 부피가
서로 동일한것 처럼, 전자랑 양전자가 가지는 질량은
똑같 답니다.
틀린게 있다면 한쪽은 + 이겠고, 한쪽은 - 이다.
이 차이 랍니다.
다시 돌아가서, 그냥 겉에서 관찰할 땐,
그저 비어있는 공간으로 보이겠지만,
실제로는 디랙의 바다 이며, - 에너지로
가득가득 차있습니다.
그리고 이 비어있는 공간에
+에너지가 넘쳐흐르는 광자가 충돌 한다면,
해당 전자의 반입자가 생겨나게 됩니다.
즉, 그냥 비어있는 공간에 새로운 무엇인가가
생겨버리게 되는것인데,
이것을 입자 그리고 반입자가 동시에 생성된다 해서
쌍생성 이라고 표현 한답니다.
디랙이 처음 반물질이라는 개념을 만들고
제시하고 나서, 수많은 과학자들은
전자만 반입자가 있는것 아니라,
다른 수많은 것들도 반입자가 있다 라는것을
밝혀내기 시작 합니다.
그리고 이름은 앞에 안티 라는 이름을 붙이는데,
우리말로 하면 "반"이라는 단어를 앞에다가
붙였다고 보면 되겠네요.
쿼크와 반쿼크
중성미자와 반중성미자
이런식으로 말 입니다.
그리고 과학자들은 사람들의 몸속에서도
끊임없이 반입자들이 만들어지고 !
사라진다라는 것도 밝혀 내기도 한답니다.
또한 입자와 반입자들은 서로 끌어들이는
성질이 있기 때문에, 서로 항상 끌어당기는데,
충돌하여 서로 소멸하게 된답니다.
이것을 다시 쌍소멸이라고 표현합니다.
즉 쌍생성 이라는 과정에서
광자가 가지고온 에너지를 낼름 먹었다면,
쌍소멸에서는 다시 광자의 형상으로 다시 방출하게 됩니다.
이것은 불확정성의 원리와도 관계가 있다고
볼수 있겠는데,
불확정성 원리에 의하면,
어떤 입자의 위치나 속도를 동시에 측정하는것은
불가능 하다고 합니다.
이유는 물리적인 한계 때문 인것이죠.
만약에, 아무것도 존재하지 않고, 에너지도 없는
텅빈 공간이 있다면, 여기에서의 위치 및 속도 값은
0일것이곳 동시에 관측이 가능할겁니다.
하지만 이것은 불확정성의 원리를 따라서 불가능한 일이라고
볼수 있는것인데,
분명 아무것도 없어보이는 공간이지만,
실제로는 무엇인가 있다라고도 해석할수 있답니다.
그리고 이것은 우리가 앞서 이야기 했던
바로 쌍생성에서 쌍소멸로 이뤄지는 과정이고,
이 과정을 통해서 없다고 생각되는 빈공간에서도
입자가 생성되었지면, 다시 충돌하여 사라지면서
에너지는 흡수되고 다시 방출되고...
이런 상황 인겁니다.
그렇다면 이러한 반물질이 왜 중요하다고
하는 것일까?!
바로 에너지 량 때문 입니다.
일반적인 물질과 반물질이 서로 반응할때
나오는 에너지의 효율은 상당히 좋습니다.
현재 인류가 가진 에너지 효율중에 단연 최고 인것은
바로 수소의 핵융합 과정에서 얻어지는 것이
가장 큽니다. 이게 수소폭탄 일테구요.
하지만 저 과정에서 효율성을 따지자면
10% 정도에 불과할 정도로 효율성은 상당히 낮습니다.
그런데, 물질과 반물질이 반응 할때 나오는
에너지 효율성은 무려 50%에 달하는 엄청난 효율성을
보여주게 됩니다.
계산을 해보자면
각각 1g의 물질과 반물질을 반응 시킨다면,
무려 히로시마 원폭의 2배와 가까운 에너지를 얻을수 있으니,
가히 상상 이상이라고 볼수 있답니다.
하지만, 여기서도 제한은 있습니다.
질량-에너지 보존 법칙에 따라서, 그러한 에너지가
뿅! 하고 얻어지는 않는답니다.
그 에너지를 얻기 위해 돌리는 에너지가 무지막지 하다는게
함정이라면 함정 이겠네요.
현재는 입자가속기를 사용하여, 반물질을 얻고 있는데,
문제는 입자가속기가 먹어되는 에너지의 양이...
엄청 나다는 것... 그리고 입자가속기에 먹이는
에너지 만큼 반물질이 생성 되고, 그리고 그마저도
모든 에너지가 반물질 생성에 쓰이는것도 아니랍니다.
만약 기술이 더욱 발전하여, 반물질을 안정적으로
확보하고 좀더 쉽게 가져올수 있다면,
에너지를 가장 효율적으로 보관할수 있는
최고의 수단이 될거라고 생각합니다.
오늘은 여기 까지 입니다.
감사합니다.