1905, 특수상대성 이론
- 시간과 공간에 대한 혁명
- 물질과 에너지의 동등성
1915, 일반상대성 이론
- 휘어진 시공간
- 중력의 본질
- 블랙홀, 웜홀
1926, 양자역학
- 물질의 존재 양식에 대한 혁명
- 확률이 지배하는 불확정성의 세계
※ 시대에 따른 이론 변천사
* 뉴턴역학(느린속도, 거시세계) >> 특수상대성이론(빠른속도, 거시세계)
* 뉴턴역학(느린속도, 거시세계) >> 양자역학(느린속도, 미시세계)
특수상대성이론 + 양자역학 >> 상대론적 양자역학
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디렉방정식
* 폴 디랙 *
- 상대론적 양자역학 완성 : 디랙 방정식
- 양자 장론 창시 : 상대론적 양자역학의 문제점 해결, 입자물리학의 근본
- 반물질의 존재를 예언 : 디랙의 구멍이론(Hole theory)
- 자기홀극 존재를 예언
- 페르미온의 통계역학적 이론을 세움
- 이외에도 많은 이론을 남김
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Q. 전자는 어떤 에너지를 가질 수 있나?
A. 양의 에너지와 음의 에너지를 갖고 있다.
양자역학에서 말하는 전자가 가질 수 있는 에너지 상태
- 바닥상태
- 바닥보다 더 높은 에너지 상태 : 빛을 내보내고 낮은 에너지 상태로 떨어진다.
이에 디랙은 <음의 에너지>를 가진상태가 존재한다는 것은 예상하고 보통의 전자는 깊은 바닥 음의 에너지 상태로 떨어질 것이다라고 생각했다.
디랙의 바다
전자는 페르미온이므로 한 상태에 하나밖에 있을 수 없다
따라서, 무한히 많은 전자가 무한히 많은 음의 에너지 상태를 채우고 있다라고 생각함
우주공간 모든 곳에는 무한히 많은 전자가 다 채우고 있다.
전자가 없는 상태는 에너지가 0이다.
음의 에너지의 상태를 전자가 가득 채우고 있는 상태는 에너지가 -∞이다.
어렸을 때
숫자0보다 -부호가 있는 숫자가 작다고 배웠지만,
여기서는 0보다 -∞가 더 큰 에너지를 가지고 있는 것이다.
에너지는 항상 빛을 내보내면서 더 낮은 에너지 상태로 방출된다.
디랙의 생각하는 진공은 아무것도 없는 상태가 아닌,
음의 에너지로 가득찬 상태를 말한다.
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디랙의 구멍이론(Hole theory)
* 반물질인 양전자(Positron)의 존재를 예언 *
우리가 보고 있는 거시세계는 -∞ + 1의 세계라는 디랙의 생각에서 출발한다.
광전효과를 기초에 두고 있다.
진공(음의 전자 세계)에 빛에너지를 주입하면 우리가 알고 있는 전자가 나타난다.
그렇게 되면 진공에는 전자가 튀어나가 빈구멍이 하나 생기는데,
이곳을 반물질인 양전자(Positron)라고 한다.
전자가 나오고 양전자가 생긴 것을 쌍생성이라고 한다.
* 양전자의 성질 *
- 음의 에너지가 없는 상태이므로 양의 에너지를 가진다.
- 질량은 전자와 정확히 같다.
- 스핀도 전자와 마찬가지로 1/2
- 진공에 비해 음전하가 하나 없는 상태로 양전하를 가진다.(+전기의 성질)
※ 쌍생선, 쌍소멸?
- 쌍생전
: 빛이 전자와 양전자를 만드는 것
- 쌍소멸
: 전자가 빛을 내고 밑으로 떨어져 둘 다 소멸되는 것
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현대물리학의 진공
* 불확정성의 원리
- 위치와 속도는 동시에 정확히 젤 수 없다.
* 상대성이론
: 공간과 시간은 섞일 수 있다.
따라서, 시간-에너지에 불확정성의 원리가 적용된다.
아주 짧은 시간간격 동안 본래의 에너지에서
에너지가 달라진 효과가 나타날 수 있다.
상대론적 양자역학
진공 상태에서 아주 짧은 시간동안 에너지가 커져서
전자와 양전자를 만들었다가 다시 소멸하는 일이 가능!
※ 진공의 요동
입자와 반입자가 가상적으로 생겼다 소멸되는
입자를 가상입자(Virtual particl)이라고 하는데,
진공에서 이런 일이 일어나는 것을 진공의 요동이라고 한다.
양자장론
- 무한히 많은 입자까지 다루는 이론
- 장에 대한 양자역학적 이론(전기장, 자기장이 이에 해당됨)
- 양자 전기역학(QED : Quantum ElectroDynamics)
: 빛, 전자를 동시에 다루는 양자장론
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파인만의 해석
* 물질 = 과거에서 미래로 가는 입자
* 반물질 = 미래에서 과거로 가는 입자
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