물리, 우주, 그리고 인간

물리, 우주, 그리고 인간

1. 고대의 물리학

물리 - 사물의 이치를 탐구하는 학문

사물은 세상 모든 것을 가리킨다.

 

문명의 시작의 지점을 신석기 시대로 생각한다. 신석기 시대의 혁명에서 가장 중요했던 것은 인간이 세상을 변화시킬 수 있다는 것. 신석기 문명과 함께 농업이 시작됨. 농사로 인해 잉여생산물을 얻게 되고 그것을 기반으로 문명을 이루게 됨. 농사를 짓기 시작한 이후로 자연을 면밀히 관찰하고, 우주의 주기를 알게됨. 이는 천문학, 물리학의 단초가 되었음.

1년은 365일이라고 하지만 이 것은 사실 부정확하다. 정확히는 365.24이다. 그래서 대략 4년에 한 번씩 윤년을 둬야 하루라는 날짜가 새로 생기는 것을 막을 수 있다. 또 정확히 25가 아니기 때문에 주기적으로 숫자를 보정해줘야 한다. 절기를 정확히 알기 위해서는 언제 태양이 어디에 정확히 위치하는지 알아야함. 그런데 이 숫자가 정확히 정수가 아니기 때문에 끊임없이 하늘을 관측하고 별들을 봐야했음. 이로 인해 천문학이 시작됨.

 

아리스토텔레스 우주론

아리스토텔레스는 하늘에 있는 천체들의 움직임을 설명하려는 시도를 했다. 이 것이 아리스토텔레스에 의한 우주론의 모습이다. 이 우주를 둘로 나눈다. 인간이 살고 있는 지상의 세계와 별들이 움직이는 천상의 세계. 두 세계는 다른 법칙을 가지고 있다. 지상의 물체는 정지가 자연스럽지만 하늘의 물체는 영원히 움직이는 것이 자연스럽다. 여기서 천상의 운동은 완벽한 원, 수학적으로 가장 완벽한 도형을 그리는 운동. 각각의 행성 및 별은 완벽한 구라고 생각했음.

 

프톨레마이오스

 

하지만, 이 이론은 맞지 않았음. 가장 크게 맞지 않았던 것은 행성들의 움직임이다. 행성은 지구의 움직임을 중심으로 봤을 때, 행성들이 이상하게 움직임. 행성은 그 각각이 태양주위를 돌고 있기 때문에, 지구에서 본다면 별과는 전혀 다른 움직임을 보이게 됨 이것이 행성이라는 이름의 어원이다. 이에 대해, 프톨레마이오스는 아리스토텔레스의 이론을 보강함.

 

유클리드의 기하학

그리스의 철학 및 과학이 이후 과학에게 남겨준 가장 위대한 유산은 수학이다. 특히 기하학.

유클리드의 기하학에는 철학적 의미가 있다.

기하학이라는 것을 어떤 공리체계로 구축했다.

이는 완벽한 진리의 체계를 의미한다. 즉, 정의와 공리.

정의는 이름을 짓는 것(ex 점이란 무엇이다.) 이것에 대해서는 시비를 걸 수 없다.

공리는 어떤 문장인데 그 문장은 무조건 맞다고 가정한다.

이것을 받아들였을 때, 이후의 모든 것들은 이 정의와 공리로부터 나온다는 것이다.

이런 식의 사고방식으로 당시 그리스 사람들이 알고 있던 기하학을 완벽하게 정립하는데 성공함.

유클리드의 기하학적인 방법은 이후의 자연과학자, 철학자가 자신의 이론을 구축할 때 가장 중요한 모범으로 삼고, 오늘날 물리학도 유클리드 기하학적 방식에서 벗어나지 않는다. 그런 의미에서 유클리드의 기하학은 과학의 원형, 물리의 원형을 만들었다.

 

아테네 학당

플라톤이 쓴 글

기하학을 모르는 자 문으로 들어오지 말라.

그만큼 기하학은 고대 그리스철학에서 아주 중요한 것이었다.

근대까지도 당시 학자들이 반드시 익혀야 하는 중요한 학문이었다.

 

피타고라스

피타고라스는 기하학을 넘어서 수에 대한 연구를 함. 수에 대한 탐구로부터 숫자들이 이 자연과 관련이 있다는 것을 알게 됨. 음악에서의 화음이 정수들과 관련이 있다.

즉, 수학은 자연의 본질과 깊게 연결을 갖고 있고, 추상적 도구 이상의 것이다라는 것을 알아냄. 오늘날 물리학자는 수학이야말로 우주를 기술하고 있는 언어라고 믿고 있다.

 

지금까지는 세상 만물의 어떤 운행에 대한 규칙, 만물의 운동과 모습에 대한 규칙에 대한 이야기

 

다음 질문

이 세상 만물은 무엇으로 되어있나? 근원에 대한 질문

그리스 시대 사람들이 생각했던 우주를 이루는 만물의 근원을 4원소로 생각했음.

 

5원소설 - 플라톤, 수학적으로 정다면체의 도형이 5개밖에 없다는 것으로부터 근본물질이 5개라고 생각함. 근거는 없음. 그런데 오늘날 물리학이 이와 비슷한 방식으로 세상을 기술해 나감. 우주의 대칭성, 우주가 가져야 하는 수학적 구조 때문에, 이런 우주의 성질이 존재해야한다고 주장하고 이 후 실험을 하고 있음. 이러한 관점에서 플라톤의 후예라고도 볼 수 있다.

 

4원소설 - 아리스토텔레스가 만든 과학의 핵심이론

 

데모크리토스, 에피쿠로스

데모크리토스 - 원자론 주장. 우주가 텅 빈 공간인 진공과 그 속을 날아다니는 원자로 되어있다고 함. 원자는 종류가 한 가지 인데 모이는 방식에 따라 다른 물질을 만들어 냄. 이처럼 이 세상은 원자들의 조합에 불과하다. 실험적 증거는 없음. 그러나 오늘날의 물리적인 결과와 대단히 유사함.

 

에피쿠로스 - 원자론을 더 확대 적용. 신까지 의미가 없음. 그래서 삶에 대해 쾌락을 추구해야 한다고 주장.

 

이와 같은 고대그리스의 철학은 르네상스에 와서 다시 발굴됨. 에피쿠로스의 철학을 글로남긴 루크레티우스의 “사물의 본성에 대하여”라는 책이 발굴됨. 이러한 사상이 르네상스시대의 사람들에게 참조가 되었음.

2. 근대과학의 탄생

코페르니쿠스

천체에 대한 천문학에서의 거대한 변화가 물리학 탄생에 또는 근대과학 탄생에 기점이 됨. 지구가 돈다는 지동설을 주장했음.

프톨레마이오스의 이론에 따르면 화성 같은 것은 지구 주위를 단순히 원운동하는 것이아니라, 원운동하는 궤도 위에 한 점을 중심으로 다시 이중의 원운동을 한다. 이를 epicycle(주전원)

 

케플러

케플러는 근대적인 의미에서 과학자라고 할 수 있다. 티코브라헤가 남긴 관측자료를 가지고 행성의 운동을 정밀하게 연구했다. 측정 결과 궤도가 타원임을 알아냄. 행성들이 가져야 하는 규칙을 수학적인 형태로 말함. 우주의 움직임을 수학으로 이해하고 정확히 이해하려는 노력을 함.

 

데카르트

방법서설은 유클리드 기하학적 방법으로 쓰인 책이다. 철학과 과학을 유클리드 기하학적으로 해야한다고 생각한 사람이다. 그리스 기하학과 아랍의 대수학을 연결하기 위한 고리를 찾은 사람도 데카르트 이다. 바로 함수, 좌표계의 발견이다.

 

갈릴레오

물리학의 두 가지 사실을 알아냄.

이전에는 두 눈으로 하늘을 관측해 얻어낸 결과에 기반하여 이론을 만들었다. 갈릴레오는 사람의 눈을 벗어나서 망원경을 사용해서 관측함. 직접 관측한 결과 아리스토텔레스의 이론이 틀렸다는 것을 알아냄. 새로운 과학이론 제시. 정지해 있는 물체가 자연스러운 것이 아니라 등속으로 움직이는 물체가 자연스럽다고 생각함. 자신의 모든 결과를 수학적 방식으로 작성할 수 있다고 믿었다.

 

뉴턴

갈릴레오의 이론을 모두 수학으로 재정립함. 뉴턴이 썼던 프린키피아는 물리학의 탄생이라고 부를 수 있음. 뉴턴이 있기 전과 후는 완전히 달랐다. 프린키피아에서 뉴턴은 이 세상의 모든 물체들에 대한 운동을 기술하는 운동법칙을 찾고 기본 틀도 만듦. 미적분도 만듦. 미적분으로 돼있는 우주의 운동을 기술하는 F =ma라는 놀라운 운동법칙을 만듦. 이 법칙은 현재에도 사용되고 있고, 그 법칙은 틀리지 않았다. 더 좁은 범위를 설명한다라고 생각할 수 있다. 우주의 법칙을 수학으로 쓸 수 있다는 것이야 말로 물리학이 가지고 있는 가장 강력한 힘이다.

 

3. 물리학과 현대문명

 

근대물리학의 탄생은 근대과학의 탄생과 같음

 

근대 과학에서 가장 중요했던 것은 실험에 입각해서 결과를 얻고, 그 결과로부터 결론을 내리는 것이었다. 그 결론을 이용해서 수학적 이론을 구축할 수 있으면 가장 좋음.

 

19세기

전기와 자기현상

패러데이

실험에 근거해서 전기와 자기현상의 본질이 무엇인지 알아냄.

페러데이가 알아낸 가장 중요한 사실 중의 하나인 자기장에 대한 단서를 얻은 그림

철가루들이 특별한 방향으로 배열되는 것을 확인할 수 있음. 즉, 이 비어있는 공간에 나침반을 정렬시키는 무언가 있다는 의미이다. 이와 같이 전자기 현상을 전기장, 자기장이라는 개념으로 설명한 사람이 패러데이이다. 이후에도 이 장이라는 개념은 대단히 중요.

 

오늘날 우리의 문명은 전기문명이다. 열기관 빼고 대부분은 다 전기로 되어있다. 즉, 우리의 문명을 만든 사람이 패러데이라고 할 수 있다.

 

전자기 유도법칙

1831/8/29 우리 문명이 탄생한 날이다. 전기를 만드는 방법을 패러데이가 찾았음. 자기장을 시간에 따라 바꾸면 전기가 만들어지고 이 방식으로 발전소에서 전기를 만듦. 패러데이가 만들었던 실용적인 결과들을 한데 모아서 수학적 언어로 기술해야 했다.

 

맥스웰

패러데이의 생각을 수학으로 정리했다. 당시에 알려진 모든 현상들을 다 모아서 네 개의 수식으로 정리 이는 맥스웰 방정식이라고 부름. 이 네 개의 방정식이 전기와 자기의 모든 것을 설명한다. 이것을 유도해낼 때, 맨 아래 방정식의 D라는 항이 실험적으로 원래 존재하지 않던 항이었음. 플라톤이 얘기했듯 수는 이 우주의 모습을 보여주는 것이기 때문에, 이 방정식에 무언가 빠져있다고 느꼈음. 이 방정식이 아름다워지기 위해서 하나의 항이 더 필요하다고 생각하여 D가 들어있는 항을 만들게 됨.

이 방정식으로부터 추론해 낸 것이 전자기파이다. 이 전자기파가 다름 아닌 빛이다. 이로 인해 빛이 무엇인지 이해하게 되었음. 가시광선만 눈으로 볼 수 있고, 전자기파는 훨씬 더 많은 종류를 포함하고 있음을 알게 됨.

 

전자기파를 이해하게 된 후 전자기파를 이용함. 무선통신이 가능해짐.

19세기 초중반을 지나면서 인간은 새로운 현상, 전자기현상을 다 이해하게 됨.

 

우주

이 우주는 텅빈 공간, 이 공간에서 시간에 따라 물체들이 움직이는 것이라고 생각함. 공간과 시간속에서 물체가 움직이고 이 물체가 어떻게 움직이는지 설명한 것이 뉴턴역학이고, 이 공간이 사실 텅 비어있지 않고 그 안에 장이 있다는 것을 확장하여 중력장까지 확장함.

 

20세기 초반

 

아인슈타인

아인슈타인은 시간과 공간이 절대적인지에 대해 의문을 품음. 시간과 공간은 움직이는 사람에 따라 달라지고, 질량이 있으면 시공간이 휘고 뒤틀린다고 주장함. 시간과 공간을 기술하는 법칙을 만들게 됨. 시공간을 기술하는 방정식으로부터, 시공간조차도 탄생하는 순간이 있었다는 것을 알게되고 빅뱅우주론을 추정할 수 있게 됨.

아인슈타인의 상대성 이론을 이용해서 우주 전체의 역사를 이야기할 수 있는 수준에까지 도달하게 됨. 인간의 이해가 우주 전체를 대상으로 확대됨.

 

20세기 초 내내

세상 만물은 무엇으로 되어있나 -양자역학

양자역학은 사물의 본성은 무엇인가 하는 것에 대한 답이다. 그 답을 내는데 가장 중요한 공헌을 한 사람이 바로 러더퍼드이다.

 

러더퍼드

원자의 내부 구조를 알아내기 위해 원자에 알파입자를 쏘아서 튕겨나온 알파입자로부터 원자의 모습이 태양계와 같다는 것을 알아내었다. 이러한 원자가 만물을 구성하고 있는데 원자의 세계는 뉴턴역학이 적용 되지 않는다는 것을 알았고 이에 대해 새로운 역학으로 양자역학이 만들어짐

 

양자역학을 만들어낸 주역

 

보어

최초로 양자이론, 원자의 모형을 만들게 됨.

 

하이젠베르크와 슈뢰딩거

양자역학을 각각 행렬역학과 파동역학이라는 두 가지 형태로 수학적 구조를 만들게 되고 이 두 가지 형태는 수학적으로 같다.

 

양자역학은 전자의 움직임을 설명할 수 있게 되면서, 전자 공학을 발전시키고 오늘날 우리 문명의 근간이됨.

 

양자역학은 화학의 이론적 기반이 됨.

원자는 원자핵과 전자로 이뤄져 있음. 원자핵은 쪼개지거나 붙을 때, 에너지를 내놓음. 원자핵이 쪼개지는 것을 핵분열, 붙는 것을 핵융합이라고 부른다. 핵분열을 할 때 나오는 에너지를 이용해서 원자폭탄을 만들 수 있음. 또한 핵분열으로부터 에너지를 얻어서 전기를 만들어 내는 것은 원자력 발전임. 핵이 융합해서 나오는 에너지로 만든 폭탄은 수소폭탄. 핵융합으로부터 에너지를 얻는 방식은 핵융합 발전인데 아직 상업화 시키지는 못했다. 

4. 물리학이 우주에 대해 알려준 것들

표준모형에 따르면 물질의 가장 작은 것은 쿼크이다. 이것보다 더 작은 것이 있지 않을까 하는 물음에 현재 물리학자들이 연구하고 있는 이론이 초끈이론이다. 쿼크까지는 실험적 증거가 존재함. 초끈이론에 대해서는 실험적 증거가 단 하나도 없다.

 

가장 작은 것을 탐구하기 위해서 굉장히 큰 실험장치가 필요

LHC

스위스의 “썬”이라는 곳에 있는 입자 가속기. 여기서 입자는 원자핵이다. 이것들을 돌려서 충돌시켜서 파편들을 보고 원자핵의 내부를 들여다 보는 거대한 장치이다. 이것을 통해 앞서 얘기한 표준모형의 증거가 됨.

원자를 보는 장치는 왼쪽 위의 장치

원자보다 훨씬 큰 세포를 볼 때는 현미경으로 가능

하늘의 별들을 보기 위해서는 망원경으로 가능

이것으로 볼 수 있는 우주에는 한계가 있음. 인공위성을 통해 우주 공간을 관측

 

최근에 추가된 장치는 중력파를 검출하는 “라이고”라는 장치이다. 중력파는 변화가 너무나 미세해서 지구상에 있는 어떤 장치로도 이 중력파를 검출할 수 없음. 그러나 이 장치를 활용하면 먼 우주에서 오는 중력의 미세한 변동을 측정해 낼 수 있다. 이를 통해 빅뱅의 아주 초기까지 거슬러 올라가 볼 수 있음 .

 

새로운 이론들은 몇 개의 수식으로 정리가 된다.