뉴튼의 힘의 공식(F=ma)에서 간단하게 아인슈타인의 에너지 공식(E=mc²) 유도(F:힘, E:에너지, m:질량, a:가속도, r:변위(거리), v:속도, t:시간, p:운동량, λ:파장, c:빛의 속도, h:플량크 상수, f:진동수(주파수), N:광자의 수)
F=ma, v=r/t, a=v/t=r/t², p=mv
E=Fr=mar=mr²/t²=mv²⇒mc²==pc(속도 v가 빛의 속도 c라면 E=mc², 여기서 질량 m이 모두 에너지 양자로 바뀌지 않으면 빛의 속도를 낼 수가 없다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 M=m/√1-(v²/c²), v가 c에 접근하면 m은 무한대가 되어 물체의 속도는 빛보다 빠를 수 없다.)
E=pc=hf, λ=h/p=c/f, m=E/c² =Nhf/c²
플랑크는 파동으로 알려진 빛을 에너지 덩어리로 취급하면서 양자론을 태동시킨다. 특정 주파수(f)로 진동하는 빛의 총에너지(E)는 한 알의 에너지가 hf인 광자 N개의 덩어리이다(E=Nhf). 광자는 질량이 없는 입자이지만 양자론은 에너지의 관점에서 빛에 질량을 부여한다(m=E/c² =Nhf/c²). 푸른 하늘을 의미하는 세슘의 전자의 순간이동에 의해 생긴 빛(f=9,192,631,770Hz)알 N=1.4755214×10＾40개를 통 속에 가두면 1kg이 된다(m=Nhf/c²). 빛을 가둘 수 있는 통이 있다면 그 빛은 저울의 눈금을 움직일 수 있다. 태양 주위를 지나가는 빛은 태양의 중력에 의해 휘어진다. 태양 중심에서 만들어진 빛이 밖으로 나오는데 만년에서 10만년 걸린다. 태양의 핵융합이 멈추더라도 최소 만년은 빛을 방출할 수 있다. 질량이 모두 에너지 양자로 바뀐 블랙홀에서는 중력에 의해 빛이 밖으로 나올 수 없다.
서울의 한 방송국에서는 송신 주파수 900kHz, 송신 출력 50kW로 전파를 송신하고 있다면 매초 몇개의 에너지 양자가 방출되겠는가?(단, 플랑크 상수 h는 6.63×10＾-34 Js이고, 광속도 c는 3×10＾8 m/s이다.) 에너지 양자(광양자) 1개의 에너지는 E=hf=6.63×10＾-34×9×10＾5=5.97×10＾-28J, 50kW=5×10⁴J/s, 1초 동안 방출되는 총에너지=(양자 1개의 에너지)×(1초 동안 방출되는 에너지 양자의 수) 5×10⁴=5.97×10＾-28×N에서 N=8.38×10＾31개
아인슈타인의 특수 상대성 이론은 관측자의 운동상태와 관계없이 빛의 속도가 변하지 않는다는 것과 빠르게 운동하는 물체는 시간이 느려지고[T=t/√1-(v²/c²)], 길이가 줄어들고[L=ℓ√1-(v²/c²)], 질량이 증가한다는 것이다. M=m/√1-(v²/c²), v가 c에 접근하면 m은 무한대가 되어(m→∞) 물체의 속도는 빛보다 빠를 수 없다.(M:상대론적 질량, m:정지한 물체의 질량)
F=dp/dt=m(dv/dt)=mg=GMm/r², g=GM/r², E=Fr=GMm/r=1/2mv², v²=2GM/r, r =2GM/v²⇒2GM/c² 여기서 탈출속도 v가 빛의 속도 c라면 r =2GM/c², 이 식으로 지구의 반지름을 구하면 9mm이고, 태양의 반지름을 구하면 3km이다. 즉, 지구가 블랙홀이 되면(지구의 질량 M이 모두 에너지 양자로 변하면) 지구의 반지름은 9mm이다. d:미분, r:반지름(거리), v:속도, a:가속도, t:시간, p:운동량, m:질량, g:중력가속도, M:지구의 질량, G:중력상수, E:에너지, F:힘, 만유인력 F=GMm/r², 운동에너지 E=1/2mv²(v²=2ar, a=F/m, E=Fr)
중성미자는 질량이 거의 제로(0)에 가까우며 일반 원자와 상호작용하지 않기 때문에 땅속을 진공상태처럼 통과한다. 최근 실험에서 중성미자가 빛보다 빨라 빛보다 빠른 것은 없다고 말한 아인슈타인은 틀렸다고 말한다. 중성미자는 태양에서 어마어마하게 나와 지금도 내 몸을 통과하고 있다. 중성미자는 태양 중심에서 핵융합할 때 원자핵을 구성하는 양성자에서 나오고 만약에 중성미자가 나오지 않으면 태양은 수명이 끝났다고 볼 수 있다. 중성미자 연구로 노벨 물리학상이 네번 나왔다. 사람이 지구를 보면 그무엇도 지구를 통과하는 것은 없을거라 생각하지만 중성미자는 지구가 진공처럼 보여서 지구를 빛의 속도로 통과한다. 그래서 지구가 블랙홀이 되면 백원짜리 동전(18mm)만 하다. 실제로 우리 은하 중심에는 블랙홀이 있고 태양도 이 블랙홀을 공전하고 있다.
전에는 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 구성되었다고 했으나 현재 원자는 중심에 원자핵이 있고 핵 주위를 전자가 돌고있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있고, 양성자는 업 쿼크(up quark:+(2/3)) 2개와 다운 쿼크(daun quark:-(1/3)) 1개로 되어 있고((2/3)+(2/3)-(1/3)=+1 즉 양성자에는 +전기 1개가 있음), 중성자에는 업 쿼크(up quark:+(2/3)) 1개와 다운 쿼크(daun quark:-(1/3)) 2개로 되어 있고((2/3)-(1/3)-(1/3)=0, 즉 중성자에는 전기적으로 중성), 양성자와 중성자는 글루온(glue접착제,풀+on입자)입자에 의해 강한 힘(핵력,강력)으로 결합되어 있고, 양성자는 업 쿼크 하나가 약력(W boson, Z boson)에 의해 다운 쿼크로 바뀌면서(역β붕괴되면서) 양전자(+1) 1개와 중성미자 1개가 나오면서 중성자가 되고, 중성자는 다운 쿼크 하나가 약력(W boson, Z boson)에 의해 업 쿼크로 바뀌면서(β붕괴되면서) 전자(-1) 1개와 중성미자 1개가 나오면서 양성자가 된다. 에너지가 높은 상태에서는 업쿼크, 다운쿼크, 전자, 중성미자는 charn quark, strange quark, 뮤(μ), 뮤(μ) 중성미자로 바뀌고, 더 높은 에너지 상태에서는 top quark, bottom quark, 타우(τ), 타우(τ) 중성미자로 바뀌고, 약력으로 작용하는 W boson, Z boson이 질량을 갖게 해주는 힉스 입자를 goddamn particle(제기랄 입자, 빌어먹을 입자:발견하기가 너무 힘들어서)이라고 했다가 damn를 빼고 출판하여 god particle신의 입자)가 되었다. boson 입자에는 전자기력을 전달하는 광자, 쿼크를 서로 묶어주는 강력을 전달하는 글루온, 베타 붕괴를 일으키는 약력을 전달하는 W boson, Z boson, 중력을 전달하는 중력자가 있다. 양전자(+1)와 전자(-1)가 충돌하면 소멸되면서 감마선이 발생하고, 고에너지 감마선이 충돌하면 양전자(+1)와 전자(-1)가 발생할 수도 있다. 원자가 외부 에너지를 받으면 제일 밖에 있는 전자부터 떨어져 나가는데 이것을 자유전자라 하고, 외부 에너지가 충분하여 원자핵과 전자가 분리된 상태를 플라즈마라 한다.