양의 결합 에너지에 의한 질량 증가 효과 다듬어지지 않은 생각시리즈

[ 결합 에너지에 의한 질량 증가 효과 ]

 

우리는 에너지가 질량과 등가임을 알고 있고,

또한 음의 값을 갖는 결합에너지(Binding energy, Bond energy)가 질량결손(Mass defect) 효과를 가져옴을 알고 있다.

 

이러한 질량 결손 효과는

두 양의 질량으로 이루어진 계에서, 계의 총 질량의 감소와 동일하다.

 

두 양의 질량으로 이루어진 계의 총 질량의 감소는, 결국 두 양의 질량이 결합에너지의 크기에 상응하는 더 작은 질량을 가졌다고 볼 수 있고, 다른 방식으로 장이 에너지 및 운동량을 가진 다는 관점을 고려하면, 두 양의 질량은 같은 질량 크기를 가지나 장이 음의 에너지 즉, 음의 질량을 가진 것으로 해석할 수도 있다.

 

결합에너지의 근원은 입자들 사이에 존재하는 어떤 퍼텐셜에너지이고, 이것이 그동안 양의 질량들에서는 음의 값을 갖으며, 인력적 역할을 했기에, 항상 음의 에너지에 대응되었다.

 

이제, 이러한 관념을 양의 결합에너지 또는 양의 퍼텐셜 에너지를 가진 계에 적용해 보자!

 

음의 결합에너지값이 양의 질량들에게 질량결손효과를 가져왔다면, 양의 결합에너지값을 갖는 계는 양의 질량들에게 질량증가효과를 가져올 것이다. 또한 이러한 효과는 음의 질량과 양의 질량으로 이루어진 계에 적용될 수 있을 것이다.

 

양의 결합에너지라는 관념이 언뜻 이상하게 들리겠지만, 음의 질량과 양의 질량의 운동에 대한 분석으로부터, 양의 중력퍼텐셜 에너지가 음의 질량과 양의 질량을 구속시키는 것이 가능하기에, 양의 중력 퍼텐셜은 일종의 결합에너지 역할을 하고, 따라서 음의 질량과 양의 질량의 관계에 있어서 양의 결합에너지 라는 말이 잘못된 수식어구가 결코 아니다.

 

, 결합 에너지(양의 퍼텐셜 에너지)에 의한 질량 증가효과라는 새로운 개념이 존재할 수 있다는 것이다.

 

정리하면,

 

[음의 값을 갖는 결합에너지는 질량결손을 발생시키며, 양의 값을 갖는 결합에너지는 질량증가 를 가져온다. ]

 

이제, 이 명제를 어디에 사용할 수 있을까?

 

1.     제로 에너지로부터 양의 질량(에너지)과 음의 질량(에너지)의 질량(에너지)차를 만들어 낼 수 있다.

2.     양의 질량과 음의 질량의 크기가 이상적으로 같은 상태에서 이러한 계는 무한히 가속되는 문제를 갖고 있고, 이러한 관념은 음의 질량을 가진 입자에 대해서 약간의 우려를 갖게 하는데(나는 그러한 운동이 에너지보존과 운동량 보존을 만족시키기 때문에 전혀 이상하지 않을 뿐만 아니라, 이상적인 상황이 무한히 지속되는 비정상적인 상황을 가정했기 때문에 문제될 것이 없다고 생각하지만~),

 

계의 결합에너지가 발생시키는 중력효과가 바로 이러한 이상적인 상태를 깨는 역할을 하기 때문에, 초기조건으로 양의 질량과 음의 질량의 크기가 같은 이상적인 상태를 가정할 지라도, 이러한 이상적인 상황이 무한히 지속되지 않고, 따라서 우려하는 상태가 해소 될 것이라고 생각한다.