질량 1g의 에너지(J) 와 포톤(광자)의 정지질량(kg)

1905년에 아인슈타인이 발표한 특수상대성이론에 의해 유도된 방정식 E=mc'에 의하게 되면 에너지(E)와 질량(mm)은 상호 변환이 가능하다. 이식에서 는 빛의 속도다. 그러나 에너지를 질량으로 전환한 경우 혹은 질량을 에너지로 전환하는 것은 아주 어려운 과정이다.

질량 1g의 에너지(J) 와 포톤(광자)의 정지질량(kg)

엄청나게 큰 질량과 높은 온도를 갖고 있는 태양도 핵융합 반응을 통해 질량을 에너지로 바꾸는 효율은 0.007%다(48쪽 참조). 만약 큰 물체가 갖고 있는 질랑을 모두 순수한 에너지로 전환할 경우 에너지 문제는 순식간에 해결될 것이다. 1g의 질량이 에너지로 바뀌어도 9X10J의 에너지가 나오기 때문이다.

질량 1g의 에너지(J) 와 포톤(광자)의 정지질량(kg)

전 세계 인구가 2010년에 사용한 에너지의 총량은 5 × 100.J로 추정되고 있다. 2010년 현재 화석연료에 저장되어 있는 에너지는 한 해 동안 사용한 에너지의 100배 정도다. 즉. 이 비율대로 에너지를 계속사용하게 되면 100년이면 화석 에너지가 고갈될 것이다.

그렇다면 질량을 에너지로 바꿀 때는 어떨까? 얼마나 많은 질량을 에너지로 바꿔야 우리가 매년 사용하는 에너지를 감당할 수 있을까? 필요한 질량을 알아내기 위해 우리가 할 일은 에너지의 양을 빛의 속도 제곱으로 나누기만 하게되면 됩니다. 그렇게 하게되면 1년에 아프리카 코끼리 한 마리의 몸무게보다 작은 5.5톤이면 충분하다. 그러나 우리는 질량을 순수한 에너지로 바꾸지 못한다. 대신 태양에서 일어나는 반응을 흉내 내어 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하려 하고 있다. 이렇게 하여 얻어지는 에너지는 이론적으로 가능한 에너지에 비하게 되면 아주 적은 양이다.

1. 포톤(광자)의 정지 질량(kg)

빛의 입자로 전자기력의 작용에 관련된 포톤(자)은 질량을 갖고 있지 않다. 이것은 질량과 에너지가 같음을 나타내고 있는 아인슈타인의 유명한 식 E=mc²에 어긋나는 것처럼 보인다. 이 식에 의하게 되면 질랑을 갖고 있지 않은 포톤은 에너지도 갖고 있지 않아야 한다. 그러나 빛은 에너지를 갖고 있다.

세상에서 가장 유명한 이 식은 완전한 식이 아니다. 완전한 식은 E'=pc+mc'이다. 이 식에서 p는 속도에 따라 결정되는 운동량을 나타낸다. 즉. 정지한 입자의 때에는 p 가 0이 되어 E=mc만 남는다. 이 식의 양변의 제곱근을 구하게 되면 앞에서 언급한 널리 알려진 식을 구할 수 있다. 그러나 질량이 0인 입자의 때에는 mct항이 사라지고 운동량 항만 남는다. 그것은 질량이 없는 입자도 운동량을 갖고 있다면 에너지를 가질 수 있다는 것을 뜻한다.

아인슈타인의 상대성이론에 의하면, 빛의 속도는 입자가 도달할 수 있는 가장 빠른 속도다. 포톤과 같이 질량을 갖고 있지 않은 입자만 가장 빠른 빛의 속도로 달릴 수 있다. 질량을 갖고 있는 입자는 빛의 속도에 다가갈 수는 있지만, 빛의 속도로 달리려면 무한대의 에너지가 필요하다

포톤의 질량이 0이라 하는 것은 실험을 통해 확인되었다. 포톤이 매우 적은 양의 질량이라도 갖고 있다면 쿨롱의 법칙으로 나타나는 전기장의 행동이 영향을 받을 것이다. 하지만 그러한 영향은 발견되지 않았다.

중력가속도(m/s)

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반물질의 양(g)

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