이과생이라면(대학생) 다들 살면서 한번쯤 디락에대해 들어보았을것이다.

아니라도 반물질에 대한것은 한번쯤은 들어보았을 것이다. 그럼 반물질은 무엇일까?  일단 디락에 대해 조금 알아보자.

디락은 뉴턴을 잇는 영국의 천재 과학자임. ㅇㅇ 리얼 천재임.

다들 상대성 이론, 슈뢰딩거의 방정식에 대해 들어봤을거야.

그러면 일단 양자부터 알아보자.

1. 양자란? 말그대로 양자임. 어떤 물질이 불연속적인 에너지 준위를 가지면 이를 양자화(quantumize)되었다고해. 뭐 자세히 파고들면 러더퍼드의 원자모형부터 드브로이, 정상파 등등 헷갈리니까 그냥, 불연속적인 물리값을 가지는 입자라 해두자.(에너지가 0/1/2/3 이렇게 띄엄띄엄한거지 실수처럼 이어져있지 않고)

예를들어보자. 니가 1 m/s의 속력으로 달릴때 운동에너지가 1이라고하면 1.4 m/s 로 달리면 1.56이 운동에너지겠지? 이처럼 니가달리는 속력에 비례해서 너의 에너지는 비례하니까 연속적인 값을 갖지.

하지만 양자는 달라, 니가 1~1.9  m/s로 달릴때는 단지 에너지가 1이다가 2 m/s로 달리기 시작하면 에너지가 2가되는 이런 불연속적인거지.  이게 양자야.

2. 슈뢰딩거 방정식.

사실 입자(우리가 생각하는 일반적인 질량과 부피를 가진 물체)는 고전적인 관점에서 연속적인 물리량을 가져, 즉 양자를 입자방정식으로는 나타낼수가 없는거야.

과학자들은 뭔가 수학적으로 표현하는걸 좋아해. 그럼 혹시 파동으로 이 양자를 표현해보면 어떨까? 해서 만들어진것이 슈뢰딩거 방정식이야. 파동은 입자와달리 불연속적인 물리량을 가질 수 있거든.  자 중요한건, 슈뢰딩거 방정식은 양자를 파동으로서 수학적으로 기술한 방정식임.

3. 디락방정식

근데 슈뢰딩거 방정식에는 문제가 있었어. 양자가 매우매우빠른속도로 움직일 경우, 상대론적인 슈뢰딩거방정식이 필요했던거야. 기존의 방정식은 양자가 충분히 느린속도로 움직일때 성립하는 거거든 그래서, 그걸 디락이라는 사람이 상대론적인 관점, 일반적인 관점 모두 아울러 힘을받지 않는 어떠한 전자가 만족시켜야 하는 방정식-디락 방정식 을 만들게되.

근데 이게 수학적으로 겁나아름다움.

 함 찾아봐 타 방정식에 비해 좀 아름다와

4. 디락방정식을 잘 보면, (정말 어려움. 행렬도 들어가고 입자물리학에서 나도 사실 살짝만 배움 깊게는 모름!)

아니 한번 풀어보면, 재밌는결과가 나와.

우리 모두 아는 방정식 E=mc^2 에너지는 질량과 빛의속도 제곱에 비례한다 알죠? m은 질량이고 C^2은 무조건 양수니까 에너지는 양수겠죠? 호호

였는데... 디락방정식을 풀어보면 에너지가 mc^2보다 크거나 같고 -mc^2보다 작거나 같은 즉! 에너지가 음수값을 가지는 결과가나옴

오메... 보통 저런값은 버리는데 디락형은 천재라서 음수가 나올수도 있다! 내식은 겁나아름다우니까 실수일리가없다! 라고 굳게믿고 상상의 나래를펼침

5. 디락의 바다

2가지 개념이 필요함 (1) 파울리의 배타원리 (2) 전자의 빛 방출

(1) 파울리의 배타원리

겁나간단함. 한 위치(사실은 에너지)에 전자가 여러개 있을수 없음. 너와내가 한몸이 될수 없는것과 같음.

(2) 전자의 빛 방출

전자는 자기 위치보다 낮은 위치가 비어버리면 빛을내면서 낮은데로 ㄱㄱ싱함. 리얼임 ㅇㅇ

위 두개를 알았으면 이제 재밌는 상상을 해보자.

양의 에너지를 가진 전자가 있음. 이 전자는 음의에너지를 가지는 전자위치(비어있는)가 있으면 빛을 내놓고 바로 ㄱㄱ싱하겠지? 왜냐고? 위치가 낮으니까.

전자가 겁나많으면 음의 에너지 상태, 0보다 낮은 위치를 모두 채울거야 그지? 이 채워져있는 위치들을 디락의바다라고 해.

즉, 0보다 낮은 위치가 전자로 모두 채워진 상태-디락의바다

인거지.

세상에 전자가 얼마나많은데? 그리고 음수 에너지를 가지는 전자는 본적이없는데?  사실 본인도 물리학과에서 음의 에너지를 가지는 전자는 본적도 들어본적도 없음. 왜냐고? 디락의 바다가 있기때문에, 0 이하에는 전자가 들어갈 자리가 없거든.

자 이제 여기까지 잘 읽었다면 반물질에 대한 준비는 완료가되었어

6. 반물질.

디락의 바다에 빛을 쐬여보자. 원래 전자에 빛을 쐬이면 위치(에너지 준위)가 올라가 흥분함 ㅋ 영어로도 exited state라고 함 흥분했으니까

어? 디락에 바다에는 0보다 낮은 위치의 전자밖에 없는디? 그러면 이 전자중 하나가 빛을 받아서 흥분했다고 치자. 그러면 이 전자는 0보다 높은곳으로 올라가(양의 에너지를 가지는 위치로 흥분하게 되고) 디락의 바다에 구멍이생겨버려! 

자자 디락의 바다는 음의 에너지라고 했어.  양의 에너지가 비어버리면 음의 에너지가 되는거지? 근데 음의 에너지가 비어버리면? 양의 에너지가 되는거지.

(   -(+1)=-1 , -(-1)=+1 인것과 마찬가지    )

이 구멍은 양의 에너지를 가지고(가진것처럼 양의 입자로 하전된 전하와 동일한 움직임을 가지는),

전자와 질량과 전하량이 같고 전자와 부호가 반대인 입자로 보일것으로 디락은 생각했어. 

 이친구를 양전자라고해.  디락의 바다의 구멍=양전자=전자와 부호만 다른것

실제로 우주선 실험에서 이 구멍과 같은 효과를 가지는 입자를 발견했어.

이를 이제부터 반물질이라 부르자.

7. 반물질은 왜 그렇게 유명할까?

반물질은 부호만 다른 물질이야. 마치 거울상과 같지. 그러면 충분히 나와 같고 부호가 반대인 사람이 살고 있다는 상상을 하게되겠지? 그래서 평행우주이론이 나오고, 도플갱어가 나오는거야.

또, 반물질은 물질과 만나면 폭발을해. 재밌지. E=mc^2만큼의 폭발을 하는데, 이는 분필가루를 0.5그램 정도를 모으면 히로시마 원폭정도의 파괴력을 낼수 있는 에너지지.

반물질 0.5 g이 물질과 반응하면 히로시마 폭탄이랑 같다고. 정말 여러 소재로 쓰일만 하지.  하지만 더럽게 비싸고 더럽게 오래걸리고 비효율적이기때문에 아직은 만들지 못해.

1 mg을 만드는데, 100만년이 걸리거든 ㅋ 뭐 발전하겠지만.

이상 반물질에 대하여 알아보았어. 질문있으면 하면 정말좋고, 내가모르거나 틀린부분은 지적해죠  읽어줘서 ㄳㄳ