스핀양자수란 무엇인가?

게시물ID : humorbest_685979

작성자 : 피직이

추천 : 56

IP : 74.12.***.95

댓글 : 7개

베스트 등록시간 : 2013/05/29 14:47:32

원글작성시간 : 2013/05/29 11:17:32

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스핀양자수란 무엇인가?

힉스입자에 대한 포스팅을 끝냈다고 생각을 했는데 제 설명이 아직 부족해서 모든 궁금증을 해결해드리지 못했나봅니다.<div class="txc-textbox" style="font-family: dotum; font-size: 12px; line-height: 1.8; border: 3px double rgb(193, 193, 193); background-color: rgb(238, 238, 238); padding: 10px;">힉스입자 이전 글 모음<a target="_blank" href="http://universics.tistory.com/149" target="_blank" style="color: rgb(102, 102, 102); font-size: 9pt; line-height: 1.5;">2013/03/17 - [교양과학/재미붙이기] - 힉스입자란?</a><a target="_blank" href="http://universics.tistory.com/150" target="_blank" style="color: rgb(102, 102, 102); font-size: 9pt; line-height: 1.5;">2013/03/19 - [교양과학/재미붙이기] - 힉스입자 포스팅 후기!</a><a target="_blank" href="http://universics.tistory.com/151" target="_blank" style="color: rgb(102, 102, 102); font-size: 9pt; line-height: 1.5;">2013/03/19 - [교양과학/재미붙이기] - 힉스입자 붕괴 이유</a></div> 댓글에 아래와 같은 질문이 달려서… 오늘은 이에대한 포스팅을 하려고 합니다.<div class="txc-textbox" style="font-family: dotum; font-size: 12px; line-height: 1.8; border: 3px double rgb(203, 203, 203); padding: 10px;"><img src="http://cfile27.uf.tistory.com/image/031D993C51A55F7E0D3C30" style="border: 0px;"></div> <div class="txc-textbox" style="font-family: dotum; font-size: 12px; line-height: 1.8; border: 3px double rgb(193, 193, 193); background-color: rgb(238, 238, 238); padding: 10px;">질문 내용 요약1. 스핀양자수가 무엇을 뜻하는가?2. 암흑물질은 페르미온인가?3. 질량과 공간의 일그러짐의 관계는 힉스메커니즘으로 어떻게 설명이 되는가?</div> 이렇게 세 가지 입니다. 질문은 4월29일에 하셨는데 한달이 지나서 답변을 드리게 되네요 ㅜ.ㅜ답변이 너무 늦어서 정말 죄송합니다.변명을 좀 하자면 블로그를 깔끔하게 개편하고 수익을 내기 위해 광고글도 써 보고… 이런 저런 실험들을 하다가 블로그가 네이버에서 검색이 안 되는 상황에 처해버려서 이거 처리하는데 너무 많은 시간이 걸렸습니다. ㅜ.ㅜ 아직도 처리가 완벽히 되지 않아서 블로그 조회수가 막 떨어지고 있어요 ㅋㅋㅋ어떡하지?ㅜ.ㅜ불쌍하면 제 블로그에서 다른 글도 읽어주시고 댓글 좀 많이많이 달아주세요 ㅋㅋㅋ댓글 많으면 블로그 다시 살아난대요~ ㅋㅋ ㅜ.ㅜ 암튼 댓글로 받은 질문 중에서 제가 잘 몰라서 대략적인 설명밖에 할 수 없는 2번과 3번 질문에 대한 답을 먼저 드리고 스핀양자수에 대해서 집중적으로 다뤄보겠습니다. 2. 암흑물질은 페르미온인가?이에 대한 답변은 정말 아무도 모른다는 것 입니다.우리가 눈으로 보고 몸으로 느낄 수 있는 물리법칙들은 관측 결과를 가지고 분석을 해서 이론을 만들고, 그 이론을 다듬으면서 진실을 향해 나아 갈 수 있습니다.그런데 암흑물질은 말 그대로 아무것도 모르는 상태라서 이름도 암흑물질인 것 입니다.이 우주에서 우리가 알고 있는 물질은 약 3~4%정도밖에 되지 않습니다.나머지 96%이상은 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져있는데 어떤 물질인지, 어떤 물리법칙을 따르는지도 정확히 알 수 없기 때문에 저도 섣불리 답변을 할 수 없는 부분입니다.즉, 암흑물질은 페르미온인지 보존인지 아니면 이 둘과 완전 다른 성질을 가진 입자인지 알 수 없는 상태입니다. 3. 질량과 공간의 일그러짐의 관계는 힉스메커니즘으로 어떻게 설명이 되는가?힉스메커니즘과 중력과의 관계도 정확히 밝혀진 것이 없는데 힉스입자가 힉스장의 들뜬상태인 것 처럼 질량이 있는 물체가 만들어 내는 중력장도 들뜬상태를 만들면 중력자가 나올것이라는 아이디어가 있는데 이 부분도 아직 정확히 알고있는 부분이 없습니다. 즉, 중력에 대한 이론과 힉스메커니즘에 대한 이론 모두 연구중인 이론들이라서 정답이라는 것이 없는 상태입니다. 질문 해 주신 부분이 밝혀지기까지는 시간이 꽤 오래 걸릴 것 같습니다. 1. 스핀양자수가 무엇을 뜻하는가? 스핀양자수는 절대로 전자나 광자가 얼만큼 회전하고 있는지를 표현하는 양자수가 아닙니다.이는 실험을 통해서 나온 결과를 해석하기 위해 편의상 약속 해 둔 양자상태라고 이해하는것이 더 정확합니다.스핀양자수는 Stern-Gerlach(슈테른-게를라흐)실험을 통해서 나온 개념인데요 그 실험은 이렇습니다. 여러분 초딩때 분광기 가지고 놀아보셨죠?빛의 스펙트럼을 분석한다고 얇고 긴 구멍이 나 있는 통을 이용해서 햇빛과 형광등 불빛을 관찰 한 경험이 있을 것입니다. <img src="http://cfile9.uf.tistory.com/image/2731223451A55F8003E4FE" style="border: 0px;"> 햇빛을 관찰하면 위와 같이 스펙트럼이 연속적으로 나오고 <img src="http://cfile5.uf.tistory.com/image/034E584151A55F81075887" style="border: 0px;"> 형광등은 이렇게 선 스펙트럼이 나온다는 사실을 알고 계시죠? 우리가 초딩때 분광기로 관찰 한 것은 양자역학에서 "주양자수"에 해당하는 부분을 관찰 한 것입니다.파란색 선 스펙트럼은 주양자수가 3인 빛, 녹색은 2인 빛, 빨간색은 1인 빛… 이렇게요!그리고 이 각각의 선 스펙트럼에 자기장을 걸어서 또 분광시키면 하나의 선이었던 스펙트럼이 더 세밀하게 분리됩니다.그런데 여기서 중요한 포인트가 있습니다. 우선 실험을 위해서 자석을 아래와 같이 셋팅을 합니다. <img src="http://cfile10.uf.tistory.com/image/2158B03551A55F830DEF56" style="border: 0px;"> 그 다음 이 길다란 자석이 만들어내는 틈 사이로 조그마한 자석들을 여러 방향으로 통과시켜보겠습니다. 우선 아래와 같이 일자로 서 있는 형태의 자석을 통과시키면 <img src="http://cfile22.uf.tistory.com/image/226E7E3A51A55F842277D0" style="border: 0px;"> 그 결과는 아래와 같이 위쪽으로 쏠려서 이동하겠지요? <img src="http://cfile30.uf.tistory.com/image/03587B3551A55F850D85EC" style="border: 0px;"> 반면 수평 방향의 자석은 위쪽과 아래쪽에 동일한 자기력을 받아서 아래와 같이 일직선으로 뻗어나갈 것이고 <img src="http://cfile9.uf.tistory.com/image/243B6E4051A55F8715E6C0" style="border: 0px;"> 첫번째 자석과 반대 방향으로 서 있는 자석은 아래와 같이 아래쪽으로 휘어진 경로로 이동 할 것입니다. <img src="http://cfile3.uf.tistory.com/image/24489E3C51A55F883D1B5D" style="border: 0px;"> 즉, 자석의 방향에 따라서 도달하는 위치는 아래 그림과 같이 연속적인 값이 나오겠죠? <img src="http://cfile23.uf.tistory.com/image/240EBC3651A55F8909B945" style="border: 0px;"> 일상 생활에서 이러한 실험결과는 얼마든지 예측이 가능합니다.자석을 세워서 던질 수도 있고, 눕혀서 던질 수도 있고, 대각선으로 던질 수도 있잖아요? 그런데!!! 이 실험장치에 자석이 아니라 원자를 통과시키니까 아주 이상한 결과가 나왔습니다. <img src="http://cfile22.uf.tistory.com/image/016EDA4451A55F8B0C4671" style="border: 0px;"> 위의 그림과 같이 딱 두 가지 방향밖에 나오지 않았지요!중간에 위치하는 자기상태가 하나도 없이 딱딱 끊어져서 나온 것 입니다.즉, 원자의 자기상태도 "불연속적인 양자상태"라는 의미이지요그래서 위쪽 방향과 아래쪽 방향 두 가지 상태의 자기상태를 화살표로 표시하는데 여기에 스핀이라는 이름을 붙인 이유는 과학자들이 이 현상을 어떻게 해석해야하나… 하고 고민하다가 전자가 시계방향으로 자전하면 위쪽 방향의 자기장이 생기고 반시계방향으로 회전하면 아래쪽 방향의 자기장이 생기겠구나!!이런 현상이 일어나는 이유를 전자의 자전으로 설명하면 될 것 같으니까 이것들의 이름을 스핀양자수라고 정하자!이런 것이지요! <iframe width="640" height="360" src="http://www.youtube.com/embed/rg4Fnag4V-E" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe> 그런데 원래 전자는 점입자이고 수학적으로 점은 어떤 부피를 차지하고 있는 개념이 아니기 때문에 자전을 할 수도 없습니다. 전자가 진짜로 자전을 해서 이름이 스핀양자수인것이 아니고 이런 실험을 통해서 나온 결과에 따라 편의상 스핀양자수라고 부르기로 한 것입니다. 그런데 입자의 종류에 따라서 파울리의 배타원리를 따라서 페르미-디락 통계로 분석해야 하는 입자가 있고, 파울리의 배타원리를 따르지 않고 서로 양자상태가 겹쳐도 되는 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 입자가 있다는 것을 발견하고 이 두 입자를 수학적으로 구분하기 위해서 수학적으로 모델링 한 후에 페르미온에는 반정수 값의 스핀양자수를 부여하고, 보존에는 정수값의 스핀양자수를 부여했더니 수학적으로도 아주 잘 맞는 이론이 완성된 것입니다.그래서 이제는 입자들이 정리된 표를 보고 스핀값이 반정수값이면 페르미온, 스핀값이 정수값이면 보존! 이렇게 바로 알 수 있는 것이고 실제로는 실험을 통해서 편의상 약속한 개념입니다. <embed src="http://api.v.daum.net/static/recombox1.swf?nid=45351903&m=1" quality="high" bgcolor="#ffffff" width="400" height="80" type="application/x-shockwave-flash">

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