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물리
전자기파의 에너지를 결정하는 요인은 진폭인가요, 파장인가요?
전자기파(빛)은 파동과 입자의 성질을 동시에 갖고 있는 이상한 존재입니다. 파동으로 볼 때 보통 ‘전자기파’라 하고 빛으로 볼 때 ‘광자’라고 하는데 광자가 잔뜩 모여 있는 게 빛이라고 생각하면 되겠습니다. 광자가 많으면 밝고 광자가 적으면 어둡습니다. 파동(전자기파)의 경우 그 에너지를 결정하는 것은 진폭입니다. 파동의 크기인 셈이죠. 파고가 높은 파도가 더 큰 위력을 갖고 있는 것과 마찬가지입니다. 이를 ‘광자’의 입장에서 보면 광자가 많이 몰려있는 경우입니다. 하지만 입자의 측면에서 광자의 에너지를 결정하는 것은 진폭이 아니라 파장(또는 파장의 역수인 진동수)입니다. 플랑크와 아인슈타인에 의해 정립된 그 유명한 ‘광양자가설’이죠. 빛이 아주 작은 스케일에서 다른 것과 상호작용할 때는 파동적 성격보다 입자적 성격이 중요하기 때문에 파동으로서의 에너지보다 입자로서의 에너지가 중요해집니다. 하지만 입자인 광자를 파동의 성격인 파장 또는 진동수로 그 에너지를 나타낸다는 것 자체가 이미 모순을 내포하고 있는 셈입니다. ‘빛이 정확히 어떻게 생겼느냐’를 정확히 나타내는 과학적 모델은 아직 존재하지 않습니다.
시간은 관성에 의해서 저절로 흐르나요? 아니면 외력에 의해서 강제로 흐르나요? 만약에 관성에 의해서 저절로 흐른다면 초기 속도는 어떻게 발생했고 왜 저항이 없이 관성으로 흐르나요? 그리고 만약에 외력에 의해서 흐른다면 그 외력은 어디서 나오는 건가요?
좋은 질문입니다만 현재까지 합의된 과학으로는 답변하기 곤란한 질문인 것 같습니다. 질문 상에는 시간이 마치 물질처럼 외력에 의해 초기 속도로 움직였고 저항이 없이 관성으로 흐르는 것으로 표현되었지만 시간은 물질이라고 할 수 없기 때문에 똑같은 논리가 적용되기 어려울 것 같습니다.
나란한 두 거울 사이에 빛을 쏘고 광원을 제거하면 그 빛은 거울 사이를 영원히 왕복하나요?
빛을 ‘광자’의 덩어리로 보면 사실상 빛은 거울 속의 전자들과 끊임없이 상호작용을 하고 있는 것이고 그 상호작용의 결과를 우리는 보고 있는 셈입니다. 그러한 광자들 상당한 부분이 ‘반사’되기도 하지만 또한 상당한 부분이 거울을 이루고 있는 재료와의 상호작용으로 흡수되기도 합니다. 따라서 일정시간이 지나면 반사되는 광자는 거의 없어지게 됩니다. 빛의 속도가 어마무시하다는 건 알고 계시죠? 빛이 1초에 약 300000km를 달리니까 30cm 떨어진 두 개의 거울 사이를 1초에 5억 번 왕복할 수 있는 속도입니다. 따라서 광원을 제거하면 그 빛은 ‘순식간에’ 소멸되고 말 겁니다.
전자파랑 전자기장이랑 같은건가요? 둘의 정체가 정확히 뭔가요?? 비슷한 개념들도 알려주세요
전자기장이 아니라 전자파랑 전자기파가 같은 겁니다. 보통 ‘빛’이라고 하면 우리가 눈으로 볼 수 있는 ‘가시광선’만을 얘기하는 데 넓은 의미에서의 빛은 모든 전자기파를 포함합니다. 또한 우리가 ‘전파’라고 부르는 것은 전자기파 중에서 우리가 통신에 사용하고 있는 ‘라디오파, 단파, 초단파, 극초단파’등을 말합니다. 가장 애매한 것이 ‘전자파’인데 사실상 전자기파와 같은 개념이지만 보통 ‘전자파가 몸에 해롭다’ 등 우리의 건강 문제와 관련해서 사용할 때는 ‘전파와 유사하게 사용됩니다. 정리하면 과학적으로 가장 일반적인 용어는 ‘전자기파’라 할 수 있고 ‘빛’과 ‘전파’는 보통 그 중 일부를 의미할 때 사용되고 ‘전자파’는 우리의 건강과 관련해서 조금은 ‘비과학적으로’ 사용되고 있는 용어라 할 수 있습니다. (전자파가 우리 몸에 해롭다는 과학적 증거는 없습니다.)
표면장력을 이용하여 만든 로봇은 어떠할까요???
아마도 가장 먼저 생각할 수 있는 것이 표면장력을 이용해서 물에 뜰 수 있는 로봇을 만드는 것일 겁니다. 아래에 2015년 8월에 발표된 서울대학교 연구진의 ‘소금쟁이 모사로봇’의 사례를 소개합니다.

“물가나 습지에 서식하는 다양한 소형 생물들은 주로 물의 표면장력을 이용하여 활동한다. 이들의 수상 거동은 다양한 방식으로 연구되고 응용되어 왔다. 특히 긴 다리를 자유자재로 움직여 수면에서 활주하고, 도약하는 소금쟁이의 거동은 정교함과 성능면에서 독보적이다. 이러한 소금쟁이의 수상 활주에 관하여 많은 연구가 이루어지고 응용되어 온 반면, 수상 도약에 대한 연구는 기초적인 단계에 머물렀었다.

기계항공공학부 김호영, 조규진 교수의 공동연구팀은 소금쟁이가 수면에서 도약할 때 표면장력을 최대한 이용하는 방식으로 운동함을 밝히고, 이를 응용하여 소금쟁이와 유사한 도약 성능을 보이는 수상 도약 로봇을 개발하였다.

연구결과에 따르면, 땅에서 뛰는 많은 동물들과 달리, 소금쟁이는 도약할 때에 수면을 단순히 아래로 누르지 않고 넓게 벌렸던 네 개의 다리를 회전시켜 가운데로 모으는 동작을 취한다. 이는 다리가 수면을 누르는 시간을 최대화하여 가속 시간을 늘릴 수 있는 이점이 있다. 소금쟁이는 또한, 수면을 누르는 동안에 표면 장력이 버틸 수 있는 한계 이하로 힘 조절을 한다. 이를 통해 운동 중에 수면이 뚫려 다리가 물에 빠지는 위험을 줄이고 가속을 최대화하여 매우 효율적으로 도약한다.

또한, 본 연구팀은 소금쟁이의 도약 특성 연구 결과를 바탕으로 표면장력을 활용한 효율적인 수상 도약을 구현할 수 있는 로봇을 개발하였다. 벼룩의 도약기관 구조를 모사한 토크 역전 메커니즘(torque reversal catapult mechanism)을 활용하여 소금쟁이의 다리 회전 및 추력 곡선을 모사하였고, 최대 추력이 표면 장력 허용 한계 이하가 되도록 액추에이터를 설계하였다. 또한, 입체 종이책을 만들 듯이 pop-up 공정으로 제작한 초경량 액추에이터에 가늘고 긴 형상합금 다리를 이어, 68mg의 초경량 로봇을 구현하였다. 본 로봇은 수면을 뚫지 않고 표면장력을 최대로 이용하며, 지상에서 뛰는 높이만큼 물에서도 뛰어오를 수 있다.

본 연구팀은 이 연구가 생물학자, 유체역학자, 로봇공학자의 노력이 합쳐져서 이루어진 융합연구의 대표적 성공 사례라고 밝혔다. 곤충 크기에서 단순한 기능을 수행하는 생체모방 로봇은 휴머노이드와 같은 고비용 로봇과는 차별되는 분야에서 이용될 수 있어서 세계적으로도 큰 관심을 받고 있다. 가까운 미래에 소형 로봇은 재해나 오염지역, 전장에서 대량으로 흩어져 감시, 정찰, 인명 발견 등의 목적에 사용될 것으로 연구팀은 전망했다.

연구 결과는 ‘SCIENCE’ 7월 31일자 온라인판에 게재되었다.
(논문명: Jumping on water: Surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects)”
감사합니다!! lisa66**
레고 정도크기의 물체의 입장에서 시간은 우리가 느끼는 길이와 같을까요?
네, 같습니다. 사실상 시간의 길이는 물체의 크기와 관계된 것이 아니라 물체의 상대적 속도와 중력에 달려있는 것이기 때문에 기본적으로 물체의 크기와는 관계가 없습니다. 아인슈타인의 ‘특수상대성원리’에 따르면 빠르게 운동하는 물체를 바깥에서 볼 때 시간이 천천히 흐르는 것을 관찰할 수 있습니다. 또한 일반상대성원리에 따르면 중력이 강한 곳에서는 시간이 상대적으로 천천히 흐릅니다. (GPS에서 인공위성이 보낸 신호를 지표면에서 보정해야 하는 이유입니다.) 정리하자면 엄청나게 빠르게 운동하거나 강한 중력장 근처에 있을 때 시간이 (상대적으로) 천천히 흐른다고 생각할 수 있겠습니다. 여기서 굳이 ‘엄청나게 빠르게’ ‘강한 중력장’이라고 얘기한 것은 우리 인간이 생활 속에서 경험하는 보통의 속도나 중력의 차이로는 그 효과를 거의 감지할 수 없기 때문입니다.
마이페이지 Q질문내역에 안나와서 다시 질문드립니다..ㅜㅜ(질문 3번 추가했습니다!)

우주배경복사 관련 질문입니다.
1.우주배경복사(현재마이크로파)의 파장이 길어지는 이유는 무엇인가요?(도플러효과 영향도 있겠지만 다른 이유가 궁금합니다.)

2.그렇다면 현재 우주 전체에 퍼져있는 우주배경복사의 에너지는 보존이 되지 않는것 아닌가요?
(구글에서 찾아보니 '광자의 사라지는 에너지(내부에너지감소)가 공간을 확장시키는 에너지로 쓰인다(외부로의일)'고 볼 수 있다는 내용도 봤는데, 이해가 가질 않습니다. 공간을 확장된다라는것을 일로 얘기한다라..자유팽창인지도 모르겠고. 공간이 없다는게 상상이 안되니깐요.)

3.빅뱅이 모든 질량이 모여있는 점에서 출발했다면, 그것으로 공간이 팽창한다면 에너지로 공간이 생겨난다고도 생각할수 있을것도 같습니다.. 루디님의 생각을 듣고 싶습니다.
안녕하세요? 루디입니다. 답변이 늦어서 죄송합니다.
1. 파장이 길어지는 이유는 적색편이라고 부르는 도플러효과 때문입니다. 다른 이유는 없습니다. 우주배경복사는 우주가 팽창하면서 138억 년을 날아온 빛이라 극단적으로 파장이 길어진 경우입니다.
2. 에너지보존법칙은 전 우주에 적용되는 법칙입니다. 팽창으로 인해(마치 단열팽창처럼) 우주의 온도가 전체적으로 낮아지는 것이지 우주 전체 에너지가 공간을 확장시키는 일로 사라진 것은 아닙니다.
3. 앞 질문에 대한 대답에서도 얘기했지만 에너지로 공간이 생겨난다고 말할 수는 없습니다. 아직까지의 과학으로는 우주 전체의 에너지는 보존되어야 하기 때문입니다. 공간을 팽창시키기 위해 에너지를 사용한다고 말할 수 없는 것이죠. 공간을 팽창시키는 힘이나 에너지라는 말도 사실 부정확한 표현입니다. 왜냐하면 힘이나 에너지는 우리의 우주 공간 내에서만 성립하는 개념이기 때문입니다. 아직 우리는 공간 자체가 왜 팽창하는지 또 어떻게 팽창하는 건지 모르고 있습니다. 다만 암흑에너지가 중요한 역할을 하고 있으리라 추측할 뿐입니다.
얼마 전 스티븐 호킹 박사가 재미있는 것을 발표했더군요. 스마트폰 크기의 무인 탐사선을 이웃 항성계인 '알파 센타우리'로 보내서 20년 안에 행성을 찾겠다는 건데요. 무인 탐사선의 추진력을 지구에서 레이저를 쏘아서 가속시키겠다는 건데, 준비부터 발사까지 20년이 걸리고, 알파 센타우리까지 가는데 20년, 잘 알려져있다 싶이 '알파 센타우리'는 4.37광년이 떨어져있는 곳이구요. 그래서 최소한 사진을 받으려면 40년 이상이 걸릴 것이라고 합니다.
그렇다면 질문이 있습니다. 이 계획에서 가장 중요한 부분이 레이저를 쏘아서 가속력을 준다는 부분인데, 강한 고출력의 레이저를 지구상에서 쏘는 것보다는 지구 정지궤도에 정지위성을 올려서 거기서 레이저를 쏘는 방법이 더 효율적이지가 않을까요? 아무래도 지구상에서 레이저를 쏘다보면 각종 기상 현상에 의해서 레이저의 출력이 급격히 떨어질 텐데, 정지궤도에서는 그럴 영향이 없을 듯한데요. 아니면 라그랑주 포인트에 레이저 발사 위성을 올려서 거기서 무인 탐사선으로 레이저를 쏴도 될 것 같다는 생각도 들구요.
기술적인 문제라 저희가 대답하기 곤란한 부분이지만 ‘허핑턴 포스트’에 게재된 것을 토대로 저희의 ‘의견’을 말씀드립니다.
“‘레이저 비머’(laser beamer)는 우주선이 필요한 속도를 낼 수 있도록 100기가와트를 쏘아야 한다. 이 비머는 우주에서 만드는 것이 이상적이지만, 비용 문제 때문에 힘들 거라 한다. 게다가 ‘막대한 에너지 생산기를 우주에 두는 것은 정책상 용납될 수 없다. 그게 오용될 수 없게 해야 하기 때문이다. 그걸 잘못된 방향을 향하게 하면 안되지 않는가.’ (그러나) 이 프로젝트에 참여하고 있는 하바드 대학교 과학 교수 아비 로엡은 레이저의 파괴력은 대단치 않다고 말하며, ‘레이저 빔은 작은 대상을 태울 수는 있지만 광범위한 피해를 줄 수 있을 정도는 아니다’라고 허핑턴 포스트에 말했다 ... 밀너는 칠레의 아타카마 사막과 같은 고도가 높고 건조한 곳에 레이저 시스템을 지을 생각이다. 극지방이 아닌 사막 중 가장 건조한 곳인 아타카마에는 이미 세계 최대 규모 망원경들이 많이 있다. 레이저 집합체는 몇 분 동안 가동되며, NASA의 스페이스 셔틀 발사에 필요한 만큼의 에너지를 만들어 낼 것이다.”
정리하면 이렇습니다. 20g의 나노우주선을 가속시키기 위해서는 100 기가와트 출력의 레이저 비머가 필요합니다. 참고로 100 기가와트는 2016년 우리나라의 총 발전설비 용량입니다. 보통의 원자력 발전소 한 대가 생산하는 것이 1 기가와트 정도라고 보시면 됩니다. 따라서 이 정도의 출력의 레이저 비머를 우주 공간에 설치하는 데는 막대한 비용이 들거라는 거죠. 질문자께서 말씀하신 것처럼 아마도 레이저 비머를 우주로 보냈을 때의 장점과 그 비용을 서로 비교했을 때 지금의 기술력으로는 더 높은 출력이 필요하더라도 지구에서 쏘는 것이 효율적이라는 결론을 내린 것 같습니다. 참고로 이것을 우주에 띄울 경우 특정 집단에 의해 일종의 무기로 악용될 가능성에 대해 하버드 대학 교수 아비 로엡은 별 피해를 줄 수 있는 정도는 아니라고 하지만 예전에 미국이 계획했던 ‘스타워즈’ 계획을 떠올리면 반드시 그렇지는 않은 것 같습니다. 즉 상대방의 핵미사일을 발사 전에 레이저로 무력화시킬 수 있는 기술이라는 것이죠. 1983년 레이건에 의해 ‘스타워즈’ 계획이 발표되었을 당시에는 기술력 때문에 무산되었지만 만약 ‘레이저 비머’ 같은 것을 우주공간에 띄울 수 있는 기술력이라면 타국의 모든 미사일 발사체를 무력화시킬 수 있을 겁니다. 이것은 국제적 논란을 불러일으킬 수 있는 문제입니다.
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