Thinking Physics - 양자론

출처 : Thinking Physics -  Lewis Epstein, Paul Hewitt

정답은 드래그 하면 보임.

 

 

 

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밤하늘로부터 별빛이 쏟아진다. 우주선(cosmic rays)또한 밤하늘로부터 쏟아진다. 쏟아진 우주선의 총 에너지는 쏟아진 별빛의 총 에너지에 비해

 

a) 훨씬 적다.

b) 거의 비슷하다.

c) 훨씬 많다.

 

 

정답 : (b) 

 

 별빛은 우리 눈에 보이지만, 우주선은 우리 눈에 보이지 않는다. 하지만 총 에너지의 양은 거의 비슷하다. 우리는 우주를 우리가 보는대로 생각하곤 한다. 그러나 우리가 정말로 얼마나 많은 것을 보는 것일까?

 

 

 

 

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빛나는 기체에서 방출된 빛이 얇은 슬릿을 통해 프리즘을 지나게 되면 선 스펙트럼이 나타난다. 기체가 어떤 상태일 때 연속 스펙트럼이 나타날까?

 

a) 여러 종류의 원자들이 혼합되었을 때

b) 낮은 압력일 때

c) 높은 압력일 때.

d) 세 가지 모두 

 

정답 : (c) 

 

 원자가 따로 떨어져 있지 않고 다른 원자들과 함께 어울려 있는 상태를 의미하는 높은 압력에 있다고 하자. 원자들은 서로 다른 원자의 궤도를 교란한다. 모든 종류의 새로운 일그러진 궤도들이 존재하기 시작한다. 모든 종류의 새로운 궤도란 모든 종류의 새로운 전이(transition)을 의미하고, 이는 다시 모든 종류의 색을 의미한다. 즉 낮은 압력의 기체에서는 원자의 개별적 특성을 볼 수 있지만, 높은 압력의 기체 또는 고체에서는 원자의 개별적 특성이 사라지게 된다.

 

 

 

 

 

 

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자유 공간에서 빛의 속도는

 

a) 항상 일정하다.

b) 어떤 곳에서는 더 느리다. 광속은 항상 일정한 것은 아니다.

 

 

정답 : (b) 

 

 중력은 빛을 구부려 휘게 만들 수 있다. 따라서 중력의 정도에 따라 빛의 속도는 달라진다. 아인슈타인이 이 사실을 발표했을 때, 그는 많은 비난을 받았고, 해명 강연을 할 수밖에 없었다. 그는 다음과 같이 설명하였다: 중력이 전혀 없거나 매우 작아 그것을 무시할 수 있는 우주의 특수한 일부에는 특수하고 간단한 경우가 적용되는데, 이것이 바로 특수 상대성이론이다. 특수 상대성이론에서 광속은 항상 일정하다. 하지만 일반적으로 우주에는 중력이 있으며 중력을 고려한다면 좀 더 복잡한 경우를 취급해야 하는데, 이것이 일반 상대성이론이다. 일반 상대성이론에서 광속은 일정하지 않다. 일반 상대성이론에서 광속은 지구 등 질량이 큰 다른 물체에 접근함에 따라 감소하게 된다. 

 

 

 

 

 

 

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초 강력 전기 배터리를 단 오토바이와 보통 전차가 있다. 둘 다 각각 광속에 근접한 속도로 움직이고 있다. 정지한 관측자가 볼 때, 질량이 증가하는 것은?

 

a) 오토바이.

b) 전차.

c) 둘 다 증가한다.

d) 없다.

 

 

정답 : (a) 

 

 움직이는 물체의 질량이 항상 증가한다는, 다시 말해 움직이는 물체의 속력이 광속에 접근함에 따라 무한대로 커진다는 생각은 흔한 착각이다. 물체의 질량은 속도가 더해질 때 증가하는 것이 아니라, 오직 "에너지"가 더해질 때 증가한다. 전차는 전선으로 발전소로부터 에너지를 공급받는다. 그러나 오토바이는 자체 에너지 공급원을 가지고 있다. 즉 전차에는 새로운 에너지가 공급되는 반면, 오토바이에는 어떤 새로운 에너지도 공급되지 않는다. 에너지에는 관성이 있다. 따라서 전차의 질량은 속도에 따라 증가하나, 오토바이의 질량은 속도에 관계없이 일정하다. 

 재미있는 사실은, 전차가 얻은 질량은 전원 공급지에서의 질량 감소와 상쇄된다. 즉 만약 전차가 1000kg을 얻으면, 발전소는 연료와 연소로 인한 생성물의 질량 1000kg이 줄어든다. 오토바이의 경우, 오토바이가 얻은 질량은 배터리의 질량 감소와 상쇄되어 질량의 순 변화는 없게 된다. 따라서 모든 물체의 질량이 단순히 그 속도가 광속으로 된다고 하여 무한대로 되지 않는다. 결국 빛은 광속으로 움직이나 빛의 질량은 분명 무한대가 아니다.