물질과 우주로의 여행 담당교수 : 민병준 연구실 : 물리동 1114 구내전화 : 6436 담당교수 : 민병준 연구실 : 물리동 1114 구내전화 : 6436 전자메일 : BJMIN@DAEGU.AC.KR http://dirac.daegu.ac.kr 강의자료, 담당교수 시간표, 공지사항, 시험 및 과제 성적

물질(Matter) : 우리는 감각 기관을 통하여 최초로 물질과 접하게 된다. 그러나 우리의 감각 기관은 그 자체로서 대단히 복잡한 물질적 구조를 갖는다. Photo : Tom Adriaenssen - http://www.flickr.com/photos/inferis/110652572/

물질(Matter)의 인지(recognition) 1. 촉각(touch) – 임신 7 ~ 8 주 경부터

물질(Matter)의 인지(recognition) 2. 미각(taste) – 임신 9 주 경부터 3. 후각(smell) – 임신 10 주 경부터

물질(Matter)의 인지(recognition) 4. 청각(hearing) – 임신 20 주 경부터 산후 1 개월 경에 완성

물질(Matter)의 인지(recognition) 5. 시각(sight) – 산후 6 ~ 8 개월에 완성

물질(Matter)의 인지(recognition) 우리의 감각 기관은 상당한 시간에 걸쳐 완성된다. 긴 진화 과정의 산물이며, 인간의 생존이라는 목적에 최적화되어 있다. 지구에서 인간이 생존해 온 환경을 전제로 한다는 한계를 가지고 있다.

인간에게 익숙한 환경을 전제로 한 (상식적인) 개념들 (1) 유클리드 기하학의 무한 평면 (2) 시간과 공간은 상호 독립적이다 (3) 물체의 위치와 속도를 아무런 제한 없이 정확하게 측정할 수 있다 (4) 촉각으로 물체가 뜨거운지 차가운지 알 수 있다. 과학의 발전과 함께 인간의 활동 영역이 확장됨에 따라 인간의 평상적인 상상 범위를 벗어나는 과학적 결과들이 등장하게 된다. 예 : 시간과 공간이 서로 영향을 받게 되는 상대성 원리를 적용하지 않으면 GPS (위성 위치 확인 시스템)은 정확하게 작동하지 못한다 <-> (2) 원자보다 작은 입자들의 경우, 그 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없다. – 불확정성 원리 <-> (3) 사우나 내의 온도는 100 도를 넘지만 온탕의 온도는 40도 정도이다. 드라이아이스는 차갑지만 뜨겁게 느껴진다. <-> (4)

물질의 본질에 대한 철학적인 탐구(Philosophical Survey) 원자 (Atom) : 물질을 이루는 입자들 Democritus, Leucippus (+ Heraclitus, Parmenides, etc.) 플라톤 철학적 : 인류가 아직 그 명제를 증명하거나 반증할 능력이 없는 상태임에도 불구하고 인류의 관심사에 대한 이론을 제시

원자 개념의 과학적 정립 원자 (Atom) : 물질을 이루는 입자들 Democritus, Leucippus (+ Heraclitus, Parmenides, etc.) 아리스토텔레스는 원자론을 부정 철학적 범주 내에서의 토론 갈릴레오, 데까르뜨, 뉴튼 등도 원자론을 믿었지만, 과학적인 증거를 대지는 못하였다 Dalton 1808 증류수가 어떤 상황에서든지 일정한 비율의 산소와 수소로 분해됨을 관측 돌턴의 원자론은 19 세기 내내 논쟁의 대상이 되었다 – 즉, 돌턴의 관측이 곧 원자의 존재를 증명하는 것은 아니었다 돌턴 원자론의 한계 돌턴은 다원자 기체에서 원자들이 1:1 이외의 비율로 결합할 이유가 없다고 생각하였다. 예를 들어, 수증기의 경우 HO, 암모니아의 경우 NH 의 비율을 생각하였다. 실제로는 수증기는 H2O, 암모니아의 경우 NH3 이지만, 이것은 양자역학 없이는 설명할 수 없는 것이다.

Rutherford (1908 Nobel Prize in Physics) 알파 입자 산란 실험으로 원자의 구조 규명 원자 개념의 과학적 정립 브라운 운동 1827 – 물 위에 떠있는 꽃가루의 운동 Rutherford (1908 Nobel Prize in Physics) 알파 입자 산란 실험으로 원자의 구조 규명 양성자가 원자 핵을 이룬다는 것을 발견 By Kurzon - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32190781

The apparatus used by Ernest Rutherford in his atom-splitting experiments, set up on a small table in the centre of his Cambrige University research room – Cavendish Laboratory. 1926

러더포드의 실험으로 원자의 구조가 규명되면서 원자의 존재가 확정적으로 받아들여지게 되었다. 원자론이 사실로서 받아들여지기까지 약 2500 년 정도의 시간이 필요하였다. 원자론이 우리의 생각에 어떠한 영향을 미치겠는지 생각하여 보자. By Ɱ - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38600736 By Christo - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50368149

우리 주변의 물질들을 원자론적으로 파악하여 보자. 다이아몬드와 흑연 물과 얼음

(adult) hemoglobin. The proteins α and β 헤모글로빈 Structure of human (adult) hemoglobin. The proteins α and β  subunits are in red and blue, and the iron-containing heme groups in green.   여기서 리본 모양은 탄소(Ca) backbone을 나타낸다. 여기에 어떤 아미노산이 결합되는지에 따라 단백질의 접힘이 결정된다. 만일 잘못된 아미노산이 결합된다면, 단백질이 다른 모양으로 접히게 되고, 제대로 기능하지 못하게 된다. By Zephyris at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2300973

A schematic visual model of oxygen-binding process, showing all four monomers and hemes, and protein chains only as diagramatic coils, to facilitate visualization into the molecule. Oxygen is not shown in this model, but, for each of the iron atoms, it binds to the iron (red sphere) in the flat heme. For example, in the upper-left of the four hemes shown, oxygen binds at the left of the iron atom shown in the upper-left of diagram. This causes the iron atom to move backward into the heme that holds it (the iron moves upward as it binds oxygen, in this illustration), tugging the histidine residue (modeled as a red pentagon on the right of the iron) closer, as it does. This, in turn, pulls on the protein chain holding the histidine.

Fetal hemoglobin protein structure, formed by 2 alpha subunits (top) and two gamma subunits (bottom), as well as their four heme groups. Each polypeptide chain (ribbon) is rainbow-colored from blue to red (N- to C-termini) By AngelHerraez - Own work - A rendering prepared by me, using Jmol, from 4MQJ at PDB (doi:10.2210/pdb4mqj/pdb)., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18062550 태아의 헤모글로빈은 성인의 헤모글로빈과 다르며, 산소 운반 능력이 더 뛰어나다. 일반적으로 생후 6 개월 후에는 성인의 헤모글로빈으로 대체되며, sickle cell anemia 와 같은 병을 치료를 위해 다시 생성되도록 유도할 수 있다.

From "Texture of the Nervous System of Man and the Vertebrates" by Santiago Ramón y Cajal. The figure illustrates the diversity of neuronal morphologies in the auditory cortex. auditory cortex (청각 피질) 내에서 neuron (뉴론) 형태의 다양성

Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=254226 A neuron, also known as a neurone[1] or nerve cell) is an electrically excitable cell that processes and transmits information through electrical and chemical signals. These signals between neurons occur via synapses, specialized connections with other cells. Neurons can connect to each other to form neural networks. Neurons are the core components of the brain and spinal cord of the central nervous system (CNS), and of the ganglia of the peripheral nervous system (PNS)

A signal propagating down an axon to the cell body and dendrites of the next cell. By user:Looie496 created file, US National Institutes of Health, National Institute on Aging created original - http://www.nia.nih.gov/alzheimers/publication/alzheimers-disease-unraveling-mystery/preface, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8882110 The number of neurons in the brain varies dramatically from species to species.[37] The human brain contains about 85-86 billion neurons,[37][38]of which 16.3 billion are in the cerebral cortex and 69 billion in the cerebellum.[38] By contrast, the nematode wormCaenorhabditis elegans has just 302 neurons, making it an ideal experimental subject as scientists have been able to map all of the organism's neurons. The fruit fly Drosophila melanogaster, a common subject in biological experiments, has around 100,000 neurons and exhibits many complex behaviors. Many properties of neurons, from the type of neurotransmitters used to ion channel composition, are maintained across species, allowing scientists to study processes occurring in more complex organisms in much simpler experimental systems.

An artificial neural network is an interconnected group of nodes, akin to the vast network of neurons in a brain. Here, each circular node represents an artificial neuron and an arrow represents a connection from the output of one neuron to the input of another. The version of AlphaGo that played against Lee used a significantly increased amount of computing power than in the match against Fan Hui,[31] where it used 1,202 CPUs and 176 GPUs.[13] The Economist reported that it used 1,920 CPUs and 280 GPUs.[32] Google has also stated that its proprietary tensor processing units were used in the match against Lee Sedol.[33] By Glosser.ca - Own work, Derivative of File:Artificial neural network.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24913461