자연원리의 이해

세 가지 법칙으로 자연의 운동과 변화를 설명하고자 하는 뉴턴 역학은 시간에 대해서 대칭적이다. 관성의 법칙으로 불리는 제1법칙과 작용 반작용의 법칙으로 불리는 제3법칙은 시간에 대한 의존이 없으므로 자체적으로 시간에 대해 대칭적이라고 볼 수 있다. 법칙이 시간에 대해 대칭이라는 것은, 현재를 기준으로 미래를 향하는 것과 과거로 향하는 것이 같은 자격을 지닌다는...

아래에 목차와 참고 이미지들의 출처를 밝혔으나, 호모 사이언스 웹사이트에 글을 올리면서 목차는 다소 변경되었음을 참고하시기 바란다. "자연원리의 이해"라는 제목으로 이곳에 놓아두는 글은 책을 빨리 내고자 하는 급한 마음에 2018년 8월 ~ 11월 사이에 책의 초고로 작성했던 것에 바탕을 둔다. 이후 페이스북의 비공개 그룹인 "과학책을 읽는 보통사람들"에 이 초고의 일부를 연재하기도...

현대물리학의 역학은 흔히 양자역학과 상대성이론(특수 상대성이론 및 일반 상대성이론)으로 알고 있지만, 실상은 20세기 초에 정립된 두 역학은 각자 실험적으로 검증되었으므로 서로 조화되어야 한다. 즉, 상대론적이지 않은 양자역학은 틀렸다고 할 수 있을 정도로 상대성이론은 현재까지의 기술적, 이론적 한계 내에서 충분히 검증을 통과했다고 볼 수 있다. 마찬가지로 양자역학적 속성과 부합하지 못하는...

4개의 등식으로 전자기장을 통합하여 나타내는 맥스웰의 멋진 장 방정식은 미분기하학 관점에서 아주 단순한 등식으로 쓰여질 수 있고, 입자물리학의 표준모형인 게이지 이론을 시작하도록 만들었지만 여기서는 다른 관점의 이야기를 할 것이다. 맥스웰은 1865년에 자신의 방정식에서 계산된 전자기파의 속도와 그때까지 실험적으로 알려진 빛의 속도가 거의 같다는 것을 발견하고 빛이 전자기파라고 추측하였고, 1888년에...

빛의 회절과 간섭은, 빛의 파동성을 나타낸다. 물론 파동에서 보았듯이, 파동은 미시적 입자들의 단체적 움직임(진동)이 전달되는 거시적 현상이다. 파동의 회절과 간섭에 대해서는 앞서 이야기했기 때문에, 광학기기의 분해능(angular resolution)에 대해서만 짧게 언급하기로 한다. 가시광선의 파장은 수백 nm(나노미터) 정도이며, 광학기기는 빛의 회절에 의해서 분해능의 한계가 있다. 과학적으로 계산하면, 분해능은 파장에 반비례하며 본질적으로 대략...

호모 사피엔스가 다른 동물들처럼 자연에서 먹이를 얻던 시기에, 자연은 인간이 종속되어 살아남기 위해 따라야 할 세계였다. 이후에 채집이 아니라 농작물을 재배하고 수렵이 아니라 목축을 할 수 있게 되면서, 인간은 자연과의 관계에서 비로소 다른 동물과 달라지게 되었다. 자연과 수동적으로만 관계하던 태도에서 자연을 활용하려는 능동적인 태도를 갖게 된 인간은 자연을 보다...

뉴턴의 세 가지 운동법칙들은 지상의 물체에만 적용되는 것이 아니라, 우주의 모든 곳에 똑같이 적용된다는 것에서 보편적 가치를 갖는다. 즉, 뉴턴의 운동법칙은 우주의 모든 것을 관장하는 보편적인 법칙이다. 그러나 이 운동법칙에서 구체적인 힘의 형태가 나타난 것은 아니기 때문에, 아직은 지상의 물체가 아래로 떨어진다거나 행성들이 왜 케플러의 3가지 법칙을 만족시키며 움직이는지를...

우리는 지금까지 크기를 고려하지 않은 질점의 운동을 지배하는 보편적 원리(뉴턴의 운동법칙)와 운동원인(만유인력, 뉴턴의 중력이론)에 대하여 살펴보았고, 보편적 원리를 운동방정식이라는 수식으로 표현하면서 다양한 물리적 계에 대하여 그 계의 운동들(등속도, 등가속도, 단진동 등)을 정량적으로 알 수(운동방정식을 풀어서 나온 해) 있었다. 또한 제한적이지만, 질점이 환경으로부터 일정한 힘 외에 속력에 비례하는 저항력(마찰력)을 받는...

우리는 조상에 비하여 탈 것을 많이 이용하고, 차가 막히지 않을 때 빠르기와 방향이 변하지 않는 등속 직선 운동을 경험하기 때문에 관성에 대해 조상보다는 쉽게 이해할 수 있다. 등속 직선 운동할 때 우리는 차가 움직이고 있는지를 잘 알지 못하고, 창을 통해 주변의 풍경이 변하는 것을 보며 “내가 움직이고 있구나, 이...

빛의 반사와 굴절 입자설과 파동설 어느 것으로도 빛의 반사(reflection)와 굴절(refraction)을 설명할 수 있다. 빛이 다른 매질로 들어서며 굴절하는 정도를 나타내는 굴절률은 상대적인 물리량이지만, 매질의 굴절률에 절대값을 부여하기 위하여, 진공의 굴절률을 1로 정하고 다른 매질들의 굴절률은 진공에 대한 상대적인 값을 절대값으로 부여한다. 빛은 매질 없이도 진행할 수 있지만, 물질과 만나면 물질(주로...