원자의 소용돌이 이론

원자의 소용돌이 이론은 윌리엄 톰슨(이후 켈빈 경)이 화학계가 당시에 발견한 원자가 왜 상대적으로 적은 종류로 존재하지만 각 종류마다 매우 많은 수로 존재하는지 설명하려는 19세기 시도였다. 에테르 또는 에테르 속의 안정적이고 매듭진 소용돌이라는 아이디어에 기반하여 중요한 수학적 유산을 남겼다.

설명

연기로 채워진 핵을 가진 소용돌이 고리의 모습

원자의 소용돌이 이론은 끝이 없는 고리 형태로 유체에 안정적인 소용돌이를 만들 수 있다는 관찰에 기반했다. 이러한 소용돌이는 당시 모든 공간에 퍼져 있다고 생각했던 가상의 유체인 에테르에서 유지될 수 있었다. 원자의 소용돌이 이론에서 화학 원자는 에테르 속의 그러한 소용돌이로 모델링된다.

그러한 소용돌이의 핵에 매듭을 묶을 수 있었는데, 이는 각 화학 원소가 다른 종류의 매듭에 해당한다는 가설로 이어졌다. 원형 "풀린 매듭" 0₁으로 표현되는 단순 토러스형 소용돌이는 수소를 나타낸다고 생각되었다. 아직 많은 원소가 발견되지 않았기 때문에 다음 매듭인 세잎매듭 3₁은 탄소를 나타낸다고 생각되었다.

그러나 더 많은 원소들이 발견되고 주기율표에서 그 특성의 주기성이 확립되면서, 이것이 어떤 합리적인 매듭 분류로도 설명될 수 없다는 것이 명확해졌다. 이는 전자와 같은 아원자 입자의 발견과 함께 이론이 폐기되는 결과를 낳았다.

역사

1870년에서 1890년 사이에 원자가 에테르 속의 소용돌이라고 가정한 소용돌이 원자 이론은 영국 물리학자와 수학자 사이에서 인기를 끌었다. 윌리엄 톰슨은 켈빈 경으로 더 잘 알려지게 되었는데 원자가 공간에 스며든 에테르 속의 소용돌이일 수 있다고 처음으로 추측했다. 이후 약 25명의 과학자들이 약 60편의 과학 논문을 썼다.

기원

17세기 데카르트는 빛이 사방으로 퍼지고 행성들이 원형 궤도로 움직이는 이유와 같은 현상을 설명하기 위해 소용돌이 운동 이론을 개발했다. 그는 진공이 없으며 움직이는 모든 물체는 다른 움직이는 물체가 남긴 틈으로 들어가야 한다고 믿었다. 그는 그러한 물체가 모두 서로를 대체하는 원형 사슬로 이어져 그러한 움직임을 가능하게 할 것이라고 깨달았다. 따라서 모든 움직임은 모든 규모에서 끝없는 원형 소용돌이로 구성되었다. 그러나 빛에 관한 논문은 미완성으로 남았다.^[1]

헤르만 헬름홀츠는 19세기 중반에 허리케인의 눈과 유사한 소용돌이의 핵이 다른 필라멘트와 얽힐 수 있는 선형 필라멘트이며, 풀리지 않는 매듭진 고리가 될 수 있다는 것을 깨달았다. 데카르트 모델에서처럼 핵이 순환할 필요는 없었다. 또한 헬름홀츠는 소용돌이가 서로에게 힘을 가하며, 그 힘은 전선 사이의 자기력과 유사한 형태를 띤다는 것을 보여주었다.

그 중간 기간 동안 화학자 존 돌턴은 물질의 원자론을 개발했다. 남은 것은 두 발견의 흐름을 하나로 합치는 것뿐이었다.

윌리엄 톰슨 (켈빈 경)

나중에 켈빈 경이 될 윌리엄 톰슨은 돌턴의 화학 원소의 본질에 대해 관심을 가졌다. 이 원자들은 몇 가지 형태로만 나타나지만 엄청난 수로 존재했다. 그는 헬름홀츠의 발견에 영감을 받았는데, 당시 모든 공간에 퍼져 있다고 가정된 물질인 에테르가 그러한 안정적인 소용돌이를 지탱할 수 있어야 한다고 추론했다. 헬름홀츠의 정리에 따르면 이 소용돌이는 다른 종류의 매듭에 해당한다. 톰슨은 각 유형의 매듭이 다른 화학 원소의 원자를 나타낼 수 있다고 제안했다. 그는 나아가 여러 매듭이 모여 다소 안정성이 낮은 분자를 형성할 수 있다고 추측했다.

켈빈 경은 1867년 에딘버러 왕립학회 회보에 "소용돌이 원자에 관하여"라는 논문을 발표했다.^[2][3]

피터 테이트

최대 7개 교차점을 가진 매듭의 모습

톰슨의 동료 피터 구스리 테이트는 소용돌이 원자 이론에 매료되어 매듭에 대한 선구적인 연구를 수행하여 최대 10개 교차점을 가진 매듭을 체계적으로 분류했으며, 이를 통해 다양한 원소를 체계화하기를 희망했다.

조지프 존 톰슨

조지프 존 톰슨은 1883년 석사 학위 논문인 소용돌이 고리 운동에 관한 논문에서 이 도전을 받아들였다.^[4][5] 이 논문에서 톰슨은 윌리엄 톰슨과 피터 테이트의 원자 운동에 대한 수학적 처리를 개발했다.^[6]

톰슨이 나중에 전자를 발견했을 때(이 공로로 그는 노벨상을 받았다) 소용돌이 원자 이론에 기반한 자신의 "성운 원자" 가설을 포기하고 건포도 푸딩 모형을 지지했다.

유산

특히 테이트의 작업은 위상수학의 한 분야인 매듭 이론을 정립했으며, 조지프 존 톰슨은 초기 수학적 발전을 제공했다.

켈빈의 통찰력은 계속해서 새로운 수학에 영감을 주었고 과학사에서 이 주제가 지속되도록 이끌었다.^[7][8][9]

기타

원자의 소용돌이 이론은 스커미온과 아인슈타인-카르탕 이론에서 확장된 것으로 보인다.^[10][11][12]

같이 보기

• 루프 양자중력
• 자기 스커미온, 소용돌이 형태의 자기 유사입자
• 양자 소용돌이, 양자화된 플럭스 순환
• 기본 입자의 토러스형 고리 모델