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물리학이란? 본문
물리학이란, 자연의 진리. 시공간에서의 물체 운동, 에너지, 힘 등을 연구하는 자연학과의 한 분야입니다.
한 마디로 자연을 논리적으로 설명하고 이해하여 원리를 규명하는 학문입니다.
이 글을 보는 것 자체가 바로 물리학을 하는 것입니다.
물리학은 모든 학문의 기초라고도 볼 수 있습니다.
물리학은 크게 다음 4가지 영역으로 나눌 수 있습니다.
역학이란? 물리학의 한 분야로, 힘과 힘으로부터 유발되는 물체의 운동에 대해 연구하는 학문입니다.
| 고전역학 (뉴턴) |
양자역학 (보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등) |
| 상대성이론 (아인슈타인) |
양자장론 (디락, 파울리, 파인만, 슈잉거 등) |
역학의 종류
익숙한 사람도 있을 겁니다. 정상적인 학창 시절을 보낸 사람이라면 고전역학이나 상대성이론에 대해서 공부해보았거나 들어보았을 것입니다.
그러나 필자의 경험으로는 양자장론은 조금 생소했습니다.
종류별 역학의 대표 격 인물을 소개하고 이론에 대해서 간단히 설명하겠습니다.
천천히 살펴보겠습니다!
1. 고전역학
고전역학은 뉴턴이 정립했다고 볼 수 있다.
"If I have seen further, it is by standing on the shoulders of giants." - Sir Isaac Newton
"내가 다른 사람들보다 더 멀리 볼 수 있었던 것은 거인의 어깨에 서 있었기 때문이다."
- 아이작 뉴턴 경
고전역학의 대표적인 법칙은 다음과 같다.
뉴턴 제 1 법칙 관성의 법칙
제 2 법칙 가속도의 법칙
제 3 법칙 작용 반작용의 법칙
간략하게 이 법칙들은 자동차의 움직임. 행성의 움직임 등을 설명할 수 있다.
이 고전 역학은 우리의 큰 세계 즉 우리의 일상생활인 거시 세계에서는 꽤나 잘 들어 맞는다.
그러나 아주아주 작거나 빠른, 즉 원자 처럼 작거나 빛 처럼 빠른 미시 세계에서는 다른 이유로인해 맞지 않아 양자역학으로 대체 되었다. 왜 뉴턴이 이를 관찰하지 못했을까? 라는 의문이 든다.
물체에 작용하는 힘에 대한 유명한 공식은 다음과 같다.
*F는 힘, m은 질량, a는 가속도
이 공식이 의미하는 바가 무엇인가? 힘은 질량과 가속도에 비례함을 시사한다.
간과해서는 안되는 것이 이 식의 대상은 물체가 가진 힘이 아니라 물체에 가해지고 있는 힘이다.
좀 더 자세히 알고 싶다면 프린키피아를 검색해보자.
2. 상대성 이론
이 이론은 아인슈타인 혼자서 정립했다고 볼 수 있다. 상대성 이론은 말그대로 상대적인 상황을 말한다.
상대성 이론은 두 가지로 나뉜다.
- 특수 상대성 이론 : 특수한 상황에서의 상대성 이론
- 일반 상대성 이론 : 일반적인 상황에서의 상대성 이론
If I had only 1 hour to save the world, I would spend 55 minutes defining the problem and only 5 minutes finding the solution. - Albert Einstein,
"나에게 1시간이 주어진다면 문제가 무엇인지 정의하는 데 55분의 시간을 쓰고, 해결책을 찾는 데 나머지 5분을 쓸 것이다."
- 알버트 아인슈타인
다음과 같이 간단하게 정리할 수 있다.
특수 상대성 이론은 빛에 대한 것. 즉 등속도 계.
일반 상대성 이론은 중력에 대한 것. 즉 가속도 계.
① 특수 상대성 이론
지구에서 달까지 빛은 약 1.2 초만에 도착한다.
빛의 속도는 절대적이다. 관찰자의 시점 상관없이 빛의 속도는 초속 30만 km/s로 달린다.
임의의 관찰자 A가 초속 30만 km/s로 달리면서 빛을 보아도 A가 보는 빛의 속도는 30만 km/s 라는 것이다.
이것을 광속불변의 원리라고 한다. 이에 대한 실험 증명이 있다.
먼저 상대성 개념을 알아야 한다.
기차가 있다. 기차 안에서 공을 떨어트렸고 탄성으로 인해 위로 튀어오른다.
기차 안의 사람을 관찰자 A
기차 밖의 사람을 관찰자 B
라고 정의한다면, 두 관찰자의 공은 어떤 궤도로 움직이는가?
A는 1차원의 직선, B는 2차원의 포물선으로 움직인다라고 답할 것이다. 이 공은 두 가지 중 하나가 공 자신의 궤도라고 볼 수 있는가?
없다. 상대성에 따라 궤도가 달라진다. 절대적인 상태가 없다는 것이다. 더 자세한건 갈릴레이의 상대성 원리를 참고하자.
아래 영상은 시공간에 대한 개념을 잘 설명해주는 영상이다.
의문점이 하나 있는데, 분명 빛의 속도는 절대적이라고 했다. 그러나 영상에서는 관찰자의 시점에 따라 빛의 도착 시간이 달라진다. 모순이 있어보인다. 다음을 보라.
속도란 무엇인가? 2 초라는 시간동안 10 m라는 거리를 이동한다. 즉 5 m/s.
속도는 거리에 시간을 나눈 것. 영상에서의 광원과 반사기 사이의 거리는 변하지 않으며 또한 광속불변 원리로 인해 속도 또한 변하지 않는다. 따라서 시간이라는 변수만이 변한다. 즉 관찰자 상태에 따라 시간이 변해야한다는 것.
이는 시간이 팽창함을 시사한다.
② 일반 상대성 이론
중력과 가속도. 이 둘의 차이가 존재하는가?
엘레베이터를 상상해보라. 이 엘레베이터 안은 밖이 완전히 보이지 않는 완전 밀폐된 공간이며 왼쪽을 A, 오른쪽을 B라고 정의하겠다.
엘레베이터에는 사과가 떨어지고 있다.
지구 지면에 존재하는 A에서의 상황.
우주 공간에서 엘레베이터가 지구 중력만큼의 가속도로 움직이는 상황.
이 A, B 엘레베이터 안의 사람은 사과가 중력 때문에 떨어지는 것인지, 관성에 의해 떨어지는 것인지,
사과가 무엇에 의해 떨어지는 것인지 알 길이 없다.
즉 중력과 관성력은 구분할 수 없다.
엘레베이터 B의 경우 자그마한 구멍을 뚫어 빛을 쏘아보면 휘는 것을 볼 수 있을 것이다.
왜냐하면 중력과 가속도는 같은 개념이기 때문이다.
수성의 세차운동 문제 또한 아인슈타인의 상대성 이론으로 풀어 낼 수 있다.
재밌는 일화가 있는데 어느 날 술에 만취한 사람이 넘어졌다. 만취한 사람은 그 날 있었던 일을 친구에게 이야기 했는데,
"지구가 날 밀었어!"라는 말을 들은 친구는 크게 웃었다. 그러나 이는 웃을 만한 일이 아니다. '지구가 자신을 밀었다'라는 말은 전혀 틀린 말이 아니기 때문이다.
중력은 당기는 동시 밀어낸다. 등가원리를 참고하라.
3. 양자역학
양자역학은 수 많은 천재 학자들이 합심하여 연구한 집합체이다. 그 만큼 어렵다.
그러나 차근차근 하면 누구든 배울 수 있다.
입자가 존재하는 확률. 즉 어떠한 공간에서 입자가 존재할 가능성.
말그대로 미시계에서 이루어지는 양자의 운동을 설명하고 이해하고자 하는 학문이다.
여기서 질문이 있다. 위 그림을 보라.
만약 입자가 위치 B에서 관측되었다면, 관측 이전에는 어디에서 존재했는가?
이 질문에서 학자들은 3가지 대답을 보인다.
사실주의적 관점의 대답.
"위치 B에 존재했다. (*대표적인 학자로는 아인슈타인이 있다.) 위치 B에 있었는데 양자역학은 그 사실을 알려주지 않으므로 불완전한 이론이다."
정통주의적 관점의 대답.
"입자의 위치는 모른다. 다만 입자는 파동 상태로 확률적으로 분포하는데 관측을 하는 순간 입자가 생성이 된다"
불가지론적 관점의 대답.
"묵비권을 행사하겠다. (*의외로 이 태도는 어리석지않다. 애초에 '관측 전 상태'를 어떻게 아는지 모순이라는 것. 즉 그냥 아무 의미없는 행위라는 것이다.)"
*양자역학을 믿는 학자들에게 질문을 날리면 정통주의적 관점의 태도를 보이다가 언젠가 불가지론적 관점의 태도를 보인다.
"Quantum physics thus reveals a basic oneness of the universe." - Erwin Schrodinger
"양자물리학은 우주의 기본적인 단일성을 드러낸다."
- 에르빈 슈뢰딩거
양자역학의 기반을 세우는 데에 큰 공헌을 한 과학자이다. 반대로 양자역학에 대한 비판으로 유명한 일화가 있는데,
바로 슈뢰딩거의 고양이 사고실험이다. 많이 들어 보았는가?
그러나 이 비판은 결론적으로 양자역학을 설명하는 가장 대표적인 사고실험이 되었다.
현대에 들어서 일반인들에게 양자역학하면 대부분 이 실험을 떠올린다는 아이러니한 상황이다.
자세히 알고싶다면 아래 링크를 참고하라.
4. 양자장론
양자장론은 간단하게만 언급하고 넘어가겠다.
양자장론은 말그대로 장을 기술하는 양자 이론이다. 양자역학과 특수 상대성 이론을 결합을 시도한 이론이다.
강하고 일정한 전기장이 존재하면 전자와 양전자가 자발적으로 생성된다.
이 전자와 양전자가 서로 쌍소멸 하여 중간자를 생성한다.
정도가 대표적인 양자장론의 예다.
논문 출판 당시 이해한 사람은 지구상에 몇 명 없다라 할정도로 어려운 상대성 이론과 '이해했다'라는 말은 거짓말이라는 양자역학을 서로 결합 한 양자장론은 얼마나 어려울까? 고전 역학, 상대성 이론, 양자역학을 모두 알아야 양자장론에 대해서 말할 수 있을 것이다.
여기까지가 4개의 역학의 간단한 정리다. 독자가 보기엔 어떠한가? 감이 오는가?
고전역학, 상대성 이론, 양자역학, 양자장론. 각각의 차이점이 보이며 계에 따라 적용되는 이론이 달라진다.
날아가는 화살에는 고전역학.
우주 단위에서 빛과 비슷한 속도로 달리는 로켓 궤도 계산에는 상대성 이론.
아주 작은 반도체를 만들기 위한 양자 역학.
양자역학과 상대성 이론을 합친 양자 장론.
이 글에서는 생략된 것이 너무나도 많다. 필자는 앞으로 그것에 대해 글을 쓸 것이다.
위 그림과 비교해보라. 역사적으로 어떤 이론부터 연구가 되었을까? 또 어떻게 진행 되었을까? 필자는 독자들에게 질문을 던져본다.
뉴턴이 있으라! Q.E.D.