자연원리의 이해

제3법칙 “모든 작용에는 언제나 반대방향으로 크기가 같은 반작용이 있다. 다시 말해서 두 물체가 주고받는 작용은 언제나 크기가 같고 언제나 반대방향이다."   하나의 물체만 있는 것이 아니라, 물체와 지면 혹은 물체와 물체, 사람과 사람 등 어떠한 두 개의 물리적 실체로 이루어진 계를 생각하자. 이 계는 외부환경과 물질, 에너지 교환도 없이 완벽히 고립된...

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...

현실 세계에서 물체는 공기 중에서 움직이거나 물 속에서 움직이는 일들이 흔하다. 이러한 경우에 우리가 공기나 물과의 저항까지 고려하여 운동방정식을 푼다면, 보다 현실에 가까운 결과를 얻을 수 있을 것이다. 물론 그만큼 조금 더 수학적 풀이가 어려워질 것이다. 일단 여기서는 운동하는 물체가 속력에 비례하는 저항을 받는 경우에, 운동방정식을 정확히 풀어서 물리적으로...

가장 기본적인 계를 지배하는 운동 원리는, 기본적인 것들로 이루어진 모든 물리적 계에서도 보편적으로 적용된다. 우리는 앞에서 과학의 성배와도 같은 뉴턴의 운동법칙을 보다 확장된 계에 적용하면서, 주기적인 진동과 크기를 갖는 강체의 운동, 행성들의 운동, 파동으로 불리는 자연현상 등을 이해할 수 있었다. 또한 관성과 운동량, 에너지와 같이 자연을 이해하는데 있어서 중요한...

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...

파동 역학 매질의 복원력을 뉴턴의 운동방정식에 넣고, 극한을 취하면 일반적인 파동방정식을 얻을 수 있다. 편의상 매질의 1차원적 운동에 대해 이야기하기로 한다. 2차원, 3차원 운동으로 확장하는 것은 수학적으로 조금 더 일을 하는 것이고 물리적으로 큰 변화가 있지는 않다.   k는 파수(wave number)라고 부르며, 단위길이당 파동의 개수인 1/λ에 2π를 곱한 물리량이다. 주기(period)를 T라는 기호로 표현하자....

양자중력, 자연의 궁극을 알고자 하는 인간이 더 나가지 못하고 있는 최전선이다. 인간의 지적 지평선 너머에 있는 양자중력(Quantum Gravity)을 공략하기 위하여 물리학자들은 여러 시도를 하고 있지만, 전선에서 들려오는 소식은 아직까지 희망적이지 못하다. 양자중력 이론은 표준모형에서 만나지 못한 중력까지 포함하여, 하나의 통합된 관점에서 자연을 이해하고자 하는 바램을 담은 것이다. 중력은 자연의 배경이...

라그랑주 역학이 제시되고 45년이 지난 1833년에 해밀턴은 라그랑주 역학에서 출발하여 새로운 역학을 제시하였다. 라그랑지언 역학과 수학적으로 동형(isomorphic)이지만 시사하는 바가 또 다르다. 뉴턴 역학에서는 힘이 지정되면, 운동 제2법칙에 따라 미분방정식(혹은 적분방정식)을 풀어서 운동상태를 결정하는(온전히 표현하는) 속도와 위치를 구하게 된다. 라그랑주 역학에서는 라그랑지언(L = K-U = 운동에너지 = 운동에너지 - 위치에너지)을 결정하면, 최소작용의...

파동은 물질이 아니라 에너지가 흐르는 것이다. 자연에서 무엇인가를 이동시킬 수 있는 방법은 두 가지다. 직접적인 방법과 간접적인 방법. 이렇게 이야기를 하면, 단지 ‘직접’과 ‘간접’이라는 용어만 나열한 것이지 특별히 가치 있는 어떤 정보를 준다고 할 수 없다. (물리적 실체인) 무엇인가를, 공간적으로 멀리 떨어진 두 점 A에서 B까지 이동시키는 경우를 생각하자....

            호모 사피엔스가 출현한 이래로 계속 분리되어 있던 천상의 세계와 지상의 세계가 뉴턴에 의해 통합되면서 완성된 과학혁명은, 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus 1473~ 1543)에서 시작되었다. 지구가 우주의 중심에서 밀려나는 것은 인간의 지위, 신과 인간의 관계가 달라지는 종교적 사건이기도 하다. 코페르니쿠스는 더 단순한 설명으로 천체(행성)의 운동을 설명할 수 있었지만, 지상과 달리 천상의 세계는 완전한...