공간의 놀라운 역사: '공허 공포증'에서 양자 물리학까지

아리스토텔레스는 자연이 공백을 싫어한다고 말했습니다. 유명한 '공백 공포'입니다. 수세기 동안 아무도 그를 반박할 수 없었습니다. 공백이 생기면 물질이 즉시 그 공백을 채울 것이라고 믿었기 때문입니다. 하지만 오늘날 우리가 깊게 숨을 쉬는 것은 생존을 위해 진공을 이용하기 때문입니다. 우리의 폐는 보이지 않더라도 공기가 이리저리 움직이는 분자로 가득하다는 사실을 활용합니다. 모든 사람은 진공이 물질의 반대, 즉 절대적인 무라고 생각합니다. 놀랍게도 물리학이 발전할수록 우리는 진공이 사물로 가득 차 있다는 것을 점점 더 많이 발견하고 있으며, 이는 우주를 이해하는 열쇠 중 하나입니다. 4세기 전, 갈릴레오는 한계에 부딪혔습니다. 흡입 펌프를 사용해도 물이 우물에서 10미터 이상 올라가지 않았습니다. 왜 그럴까요? 그의 제자 토리첼리는 수은관을 사용한 실험을 고안했습니다. 수은관을 뒤집으면 수은이 아래로 내려가고 상단에는 투명한 공간, 즉 유명한 '토리첼리의 진공'이 남았습니다. 그러나 그 빈 공간은 흡입에 의해 발생한 것이 아니라 공기의 무게에 의해 발생한 것입니다. 대기가 외부에서 압력을 가하여 기둥을 지탱했습니다. 이렇게 해서 기압계가 탄생했고, 공기에 무게가 있다는 확신이 생겼습니다. 파스칼은 1648년 그의 형부가 기압계를 퓨이드돔에 올려 놓고 더 높은 고도에서 기압이 더 낮다는 것을 확인했을 때 이를 입증했습니다. 대기는 무한이 아니라 유한합니다. 그다음으로 오토 폰 게리케가 등장했습니다. 그는 1654년에 두 개의 금속 반구를 가져와 공기를 빼낸 후 두 마리의 말 팀에게 반대 방향으로 당기라고 요청했습니다. 그래도 분리되지 않았습니다. 내부 진공으로 인해 대기압이 반구를 서로 밀착시켰기 때문입니다. 보일과 후크는 진공 펌프를 개선했습니다. 보일은 종을 울리고, 촛불을 켜고, 동물들을 공기가 없는 용기에 넣었습니다. 종소리는 나지 않았고, 촛불은 꺼졌으며, 쥐들은 숨을 쉬지 않았습니다. 진공은 더 이상 철학적 개념이 아니라 실재하는 것으로 인식되기 시작했고, 심지어 더비의 조셉 라이트가 그린 《진공 펌프 속의 새 실험》과 같은 그림에도 영감을 주었습니다. 이후 진공은 과학에 필수적인 존재가 되었습니다. 진공관이 없었다면 뢴트겐은 1895년에 X선을 발견하지 못했을 것입니다. 왜냐하면 전자는 공기가 거의 완전히 제거된 경우에만 진공관을 통과하기 때문입니다. 그러나 진정한 전환점은 양자 물리학과 함께 찾아왔습니다. 고전적인 관점에서 진공은 물질의 부재를 의미합니다. 반면 양자장 이론에서는 진공은 기본 장의 가장 낮은 에너지 상태이지만 여전히 활동으로 가득 차 있습니다. 양자 요동, 즉 눈 깜짝할 사이에 나타나고 사라지는 가상 입자 쌍이 바로 그 활동입니다. 이들은 보이지 않지만 그 영향은 분명합니다. 가장 대표적인 예는 1948년에 예측되고 1997년에 측정된 카시미르 효과입니다. 진공 상태에서 두 개의 금속판을 거의 붙이듯 놓으면, 두 판 사이의 양자 플럭투에이션은 외부보다 적습니다. 결과: 진공이 힘을 가하는 것처럼 신비로운 압력이 판을 밀쳐냅니다. 바이올린 줄과 같습니다. 어떻게 잡느냐에 따라 특정 음만 진동합니다. 따라서 양자 진공은 실제 물리적 특성을 가지고 있습니다. 오늘날 진공은 가장 현대적인 물리학의 핵심에 있습니다. 입자에 질량을 부여하는 힉스 장, 우주의 가속된 팽창을 주도하는 우주 상수, 역사상 가장 정확한 이론 중 하나인 양자 전기 역학 등이 그 예입니다. 아이러니한 점은 아리스토텔레스가 세부 사항에서는 틀렸지만 본질적으로는 옳았다는 것입니다. 공백은 결코 단순한 무가 아니라 현실의 숨은 주인공이었습니다. 이제 생각해 보세요. 다음에 겉보기에는 빈 공간을 볼 때, 그 공간은 눈에 보이는 그 어떤 것보다도 물리학으로 가득 차 있을 수 있다는 사실을 기억하세요. 이 이야기를 듣고 공에 대한 당신의 생각이 바뀌었다고 느낀다면, Lara Notes에서 I'm In으로 표시할 수 있습니다. 이것은 ‘좋아요’가 아니라, 이제 이 관점이 당신의 관점이 되었다는 의미입니다. 마그데부르크 반구 또는 카시미르 효과에 대한 이야기를 누군가에게 들려준다면, Shared Offline으로 기록할 수 있습니다. 이렇게 과학을 현실로 만드는 대화가 저장됩니다. 이 콘텐츠는 The Conversation에서 가져온 것으로, 이 노트를 통해 거의 4분 가량의 읽기 시간을 절약하셨습니다.