[과학] Void 란 무엇일까

beoped (73)in #dclick • 8 years ago (edited)

Void 란 무엇일까

사전에 의하면 void 는 다음과 같은 뜻이 있다

오늘은 프랭크 클로우스의 보이드란 책을 읽었다.

사실 물리학에서는 이 void 란 표현보다 vacuum 이란 표현을 많이 쓰는데, 이 책의 저자는 void 를 vacuum 과 일부러 혼동해서 사용했다. [저자가 물리학과 교수이다]

보이드, 공허, 비어있음, 동양에서는 이를 잘 표현하는 단어가 하나 있다.

바로 무無 이다.

[사실 이런 책도 있다.

]

이 책은 먼저 고대 그리스 시대의 Theory of nothing 에 대해 설명하고 여기서 파생된 물리학적 이야기를 진행해 나간다.

고대 서양 철학자들은 void 란 개념을 좋아하지 않았다. 아무것도 없다는 것이 무슨 의미일까? [반면 동양 철학은 무에서 시작하는 것들이 많다. ] 이를 이해하기가 쉽지 않았다. 아라비아 숫자가 들어와도 무, 0에 대해 받아들이는 것이 쉽지 않았다. [수학에서 아무것도 없다라는 것을 표현할 때 0을 많이 사용한다. 숫자만 생각해 보자, 자연수만 해도, 양수, 음수의 개념은 먼저 생겨났지만 0의 개념은 마지막에 생겨났다! ]

서양 철학자들의 유물론관은 과학에도 영향을 미쳤다. 특히 아리스토텔레스의 영향력이 컸다. 그는 "연속설" 즉 "빈 공간은 없으며 물질을 쪼개 작아지면 결국엔 없어진다" 를 주장했다. [그는 더나아가 에테르란 것을 명명했다. 여기서 에테르는 아리스토텔레스의 4원소설에서의 5번째 원소를 말한다. ]

이런 그의 생각은 근/현대 과학까지 많은 영향을 미쳤다. 과학사만 생각해 봐도 근대까지 주된 패러다임은 "유에서 유를 창조"하는 것이었다. [이런 접근을 quantitative approach 라고 한다.] 땡땡 보존의 법칙들(질량, 전하, 등등) 모두 이에 해당한다. 에테르의 존재도 무를 부정하는 고대 그리스 철학에서 가져온 것이다.

이러한 유물론적 사고들이 깨질 때마다 과학 전반에 패러다임들이 변화해 왔다.

최초로 '진공' 에 대해 알게 된 것으로는 토리첼리의 실험이 있겠다. 이것을 바탕으로, 대표적으로 10m 의 물과 76cm 의 수은 실험을 통해 사람들은 진공의 존재를 피부로 깨달았다. 이 후 진공관의 발전은 우리의 삶에 엄청난 영향을 가져왔다!!!

또한 아인슈타인이 기존의 에테르의 존재를 격파하여 진공을 다시 수면 위로 올려놓았다. 이후 에테르를 부활 시키고 싶었던 마이켈슨과 몰리는 오히려 '에테르'에 대한 존재를 부정하는 실험 결과를 내면서 진공에 대한 사람들의 생각이 바뀌었다!

어떤 학자들은 에테르 처럼 Dark Matter 에 대한 사람들의 생각도 바뀌어 한다고 말한다. 관찰해보면 그 당시 에테르의 위치와 지금의 Dark Matter 의 위치는 거의 유사하다. 하지만 아직 실험적으로 Dark Matter 를 rule out 하지 못한 상황이고, Dark Matter 가 없고 consistent 한 좋은 이론도 나오지 않은 실정이다. [물론 여러 candidate 들이 있다.]

고전적인 이야기를 해 보았으니 이제 양자 이야기도 해 봐야 겠지?

우리는 물질들이 꽉 차 있다고 생각하지만 사실 쪼개다 보면 그렇지도 않다. 우리가 생각하는 원자 내부의 구조 99.999999 는 비어 있고, 또 원자핵(중성자, 양성자) 들도 또 들어가면 (쿼크)상당수가 비어있다. 이 비어 있다는 것은 무엇을 말하는가? 물질이 없다? 이 비어 있는 공간에 물질은 없으나, "장" 은 있다. 이것을 볼 수 있는 실험으로는 러더퍼드의 알파입자 산란 실험이 있다. [원자의 대부분이 비어 있으면 가운데에 + 전하를 띈 입자가 있다 란 것을 알아냄]

입자의 더 깊고 깊은 아무것도 없는 곳에는 무엇이 있을까?

더 작은 세계를 이해하기 위해서는 양자세계를 고려해야 한다.

양자역학에서 진공과 관련된 실험으로는 카시미르 효과란게 있다. [이에 대한 더 자세한 설명은 김제완 선생님의 글 진공에서 에너지를 빼내어 쓴다 을 참조! ]

이것이 무엇을 의미하느냐, 이는 양자역학에서 진공은 요동친다는 것을 의미한다.

양자역학에서 진공이란 더 이상의 에너지를 제거할 수 없는 상태, 즉 ground state 를 말하는데 전반적으로 평균은 0 이 될 수 있으나(사실 harmonic oscillator 의 경우 1/2이 최소), fluctuation 이 존재하기 때문에 locally + 무한대에서 - 무한대의 값을 가질 수 있다!

그래서 이를 시각화한 아래와 같은 그림을 종종 볼 수 있는 것이다.

이 quantum vacuum 혹은 여기서 파생된 false vacuum 을 이용해서 inflation 을 설명할 수도 있고 [관련 글 - [과학] 우주의 시작과 인플레이션 이론 // Beginning of the Universe] 비슷한 개념을 이용하여 Higgs Mechanism 을 설명 할 수 도 있다.

후반부라 그런지 자세히는 다루지 않는데 이 뒤에는 우주론에서의 void 가 무엇이냐, [ Hartle-Hawking vacuum ] 이야기를 좀 소개하고 리그베다에서 온 시로 마무리 하며 책은 끝이 난다.

마무리가 아쉽긴 한데 상당히 인상 깊은 책이었다. 특히 저자가 보이드에 대해 생각하게 된 계기가 나와 완전히 똑같았다. 내가 태어나기 전에 있던 역사에 관한 궁금증에서 시작된 질문들..

이어폰이 망가져서 오랜만에 책을 들고 지하철을 탔는데 괜찮았던 시간이었다

시각적 자료 - Empty Space is NOT Empty, Youtube