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아싸~~
먼저 이렇게 자리를 깔아 주신 타고난혀님께 감사드립니다.
물리는 워낙에 방대한 학문이라, 물리학자들끼리도,
옆방에서 일어나는 일에 관해 모를 뿐만 아니라, 이해하지도 못합니다.
따라서, 저의 의견은 비전문가의 그것임을 분명히 밝히고 시작합니다.1. (단어 정리)
(1) 우주 (universe) = 물리에서의 우주는 공간(space)만을
지칭하는 것이 아니고, 공간(space)과 시간(time)을 함께 생각합니다.
아니, 공간과 시간은 분리된 다른 것이 아닌, 하나의 개념입니다.
예를 들어 A라는 인간이 태어나면서, 살아갈 “양”이 정해져
있다고 한다면, 그 살아갈 “양”이란 시간과 공간을 동시에
생각하는 개념입니다.
예를 들어, A가 일생동안 200 이라는 “양”을
살 수 있는 운명이라면,
그는 시간적으로 100 년을 살고, 공간적으로 100 km를 움직인다고,
B 라는 사람은 기록할 수 있고,
또는 시간적으로 50 년 살고, 공간적으로 150 km 를
움직인다고, C 라는 사람은 기록할 수 있습니다.
또 다른 사람들에게는 각각 다른 양의 시간과 공간을 사는
것으로 보입니다.
(위의 예에서의 숫자는 엄밀한 것이 아니고, 임의로 쓴것)(2) 빠른 속력 = 물리에서 빠른 속력이라는 것은
300,000 km/s 을 말합니다.
이 속력은 빛의 속력과 같으며, 또한 우리가 살고 있는
이 우주 (Neo의 this Matrix, 불교에서의 이번 세상)에서의
인간이 측정할 수 있는 maximum 속력입니다.
이 이상의 속력은, 무엇이든지, 불가능(impossible) 합니다.
이 maximum 속력으로 날아 다니면, 절대로 늙지 않습니다.
생의 모든 “양”을 공간에만 쓸 수 있지요.
빛이 이 속력을 낼 수 있는 이유는, 빛의 질량이 영(zero)
이기 때문입니다.
지구인이 보는 태양(sun)의 빛은 8분전 (=거리/속력)의
것이지만, 빛이 생각하는 자신의 나이는 여전히 영(zero) 입니다.
나이를 전혀 먹지 않는 것이지요.
빛이 시계(mechanical 시계,전자 시계, 또는 생체적 시계)를
가지고 다닌다면, 빛은 그 시계가 전혀 움직이지 않음을
볼 것입니다.
(무릉도원을 생각하시면 이해가 될 것입니다.
어느 폭포 안에 들어가서 삼일 지나고 나오니, 바깥 세상은
30년이 지나 버렸다는…..)또한 질량이 없는 모든 것은, 이 maximum 속력으로 다닙니다.
(3) 느린 속력 = 위의 maximum 속력보다 한참 (less than 30%)
느린 속력 = 인간이 지금까지 만든 모든 속력.
느린 속력으로 다니는 인간들은 위의 시간과 공간이
사실은 “하나”라는 사실을 깨닫지 못하고
살아갑니다. 그들에게는 시간은 시간이고, 공간은 공간일
뿐입니다.(4) 거시세계 = 행성간에서 일어나는 모든 일을 이야기할 때의 크기
(5) 미시세계 = 원자들의 세계
= 영화 Spider Man 1 때문에 갑자기 유명세를 타기 시작한
나노(nano = 10^(-9) m) 보다 작은 세계에서 일어나는
일을 설명할 때의 크기.2. (과학의 역사)
종교에서의 Truth 와 과학의 Truth 는 의미가 다름(different)니다.
종교의 Truth 는, by definition, 변하지 않는 모든 것을
의미하며, 과학에서의 Truth 는, by definition, 현재까지
알려진 모든 현상을 설명할 수 있는 theory 를 의미합니다.
과학의 Theory는 따라서, 그 자기 부정(변증법)이 핵심입니다.
Theory는 언제라도 틀렸다는 것이 증명될 수 있으며,
과학자는 theory를 스스로 고쳐나아감을 자랑스러워합니다.
과학은 알려진 현상을 설명할 수 있으며, 나타나지 않은
현상을 예측할 수 있습니다.
종교는 (다른 모든 사회 분야에서와 마찬가지로) 이런 과학의
엄밀함과 대중과의 친숙성을 이용하여 자기들의 dogma 를
전파시키는데 쓰기도 하며, 꺼꾸로 성서를 가지고
과학을 억압하기도 합니다.
그 중의 하나가, 인간은 신이 만들었고, 신의 모습을 닮은
신성한 존재이므로, 지구는 반드시 완벽한 구(sphere)
모양이어야 하며, 지구는 완벽한 원운동(circular motion)을
해야하며, 지구가 반드시 우주의 중앙에 위치해야 한다는
생각이 1500 년대 까지의 생각이었지요.(1) 첫번째 혁명;
과학의 혁명은 필연적으로 기존의 종교관에 반기를 들면서
시작합니다. Copernicus는 “사실은” 지구가 태양 주위를
돈다는 엄청난 “비밀”을 1543 년에 발표하면서 인간의
과학 혁명이 일어납니다.
인간이 엄청 중요한 존재가 아니라, 사실은 수 많은 행성 중의
하나인 지구에 살고있는 평범한 존재임을 자각하게 됩니다.
지구도 반듯한 구가 아니며, 또한 태양 주위를
원운동(circular motion)을 하는 것이 아니라,
타원운동(elliptical motion)을 한다는 사실도 알았습니다.
인간이 성서에 의문을 갖기 시작하지요.
(종교의 인간의 인식에 미치는 영향은 너무나도 큼니다.
Galileo Galilei조차 Kepler 와 Brahe 의 엄청난 양의
태양계운동의 data 에도 불구하고, 지구의 완벽한 원운동에서
벗어난, 타원운동을 죽을 때까지 거부합니다.)(2) 두번째 혁명;
천재 (genius) Isaac Newton 은 1687년에 미적분을 개발하며,
어떻게 지구가 태양을 도는지를 밝혀냅니다.
그는 행성사이의 현상을 설명했으며,
또한 모든 지구위에서 일어나는 자연 현상을 설명해
버렸습니다.
초기조건만 주어지면, 포탄이 언제, 어디에, 어떻게
떨어질 것인지를 “정확히” 계산해낼 수가 있었지요.(3) 신은 죽었다;
Newton 의 자연에 대한 설명은 신을 죽여 버렸습니다.
과학자들은 기고만장해졌으며, 초기조건만 주어진다면,
그 후의 모든 운동을 설명해 주겠다며 호언장담합니다.
인간이 문제를 풀지 못하는 이유는 computer가 아직
없어서 시간이 걸릴 뿐이라는 “결정론”에 심취합니다.
인간을 비롯한 삼라만상은 태어날때의 초기조건에 의해,
운명이 결정되므로, 신의 역활은 더이상 필요치 않게 되지요.
인간의 초자아라는 것도 존재하지 않으며,
신은 더이상 인간의 생에 간섭할 수 없다는 생각을 가집니다.(4) 신의 부활;
1900 년 신은 화려하게 부활합니다.
이 무렵 과학은 세가지 extreme 을 연구하고 있었습니다.
하나는, 아주 빠른 운동에 관한 것이고,
두번째는, 아주 큰 size (거시세계)이고,
세번째는, 아주 작은 size (미시세계) 에 관한 연구입니다.연구의 결과는
(i) Newton의 설명은 틀린(incorrect) 답을 준다.
(ii) Size matters. (크기는 매우 중요하다)
(iii) 세상에 결정적인 것은 하나도 없고,
모든 현상은 확률의 게임일 뿐이다.
(iv) 인간은 자연 현상을 “정확히”는 알 수가 없는 존재이다.
여기서 알 수가 없다는 의미는 시간이 많이 걸린다는
의미도 아니고, 아직 어떠한 방정식을 찾아내지
못했다는 것이 아니라,
“근본적(inherently)”으로 알 수가 없다(impossible)는 것입니다.절대적으로 신봉하던 Newton의 설명으로는,
위의 세 extreme 경우들을 하나도 설명할 수가 없습니다.(5) 인간의 반격; (세번째 혁명)
천재 Maxwell, 천재 Einstein, 천재 Bohr, 천재 Heisenberg,
천재 Schrodinger 등을 선두로 한 과학자의 반격은
1900년을 현대물리학이라는 새로운 학문을 만듭니다.
그 결과들로서는(i) 빠른 세계에 대한 이해;
Newton의 설명은 approximation(근사치)일 뿐이다.
(approximation 이란 틀린(incorrect) 것이 아니고, 특별한
조건에서만 맞는 근사 설명일 뿐이다는 의미)빠른 속력의 물질을 설명할 때에는.
Newton의 설명은 “틀린(incorrect)” 답을 제공하며,
“완벽한(exact)” 이론인 “상대성이론(relativity)”으로만
설명될 수 있다.
물론, 느린 속도(이것이 바로 특별한 조건)에서는
Newton의 설명이나, Einstein의 설명이나,
그 결과는 똑같이 나온다.(ii) 거시 세계에 대한 이해;
거시세계의 물질을 설명할 때는
Newton의 설명은 “틀린(incorrect)” 답을 제공하는 현상들이 존재하며,
“완벽한(exact)” 이론인 “상대성이론(relativity)”으로만
설명될 수 있다.
물론, 인간이 감지하는 크기의 물질 (이것이 바로 특별한 조건)에서는
Newton의 설명이나, Einstein의 설명이나,
그 결과는 똑같이 나온다.(iii) 미시 세계에 대한 이해;
미시세계의 물질을 설명할 때는
Newton의 설명은 “틀린(incorrect)” 답을 제공하는 현상들이 존재하며,
“완벽한(exact)” 이론인 “양자역학(quantum mechanics)”으로만
설명될 수 있다.
물론, 인간이 감지하는 크기의 물질 (이것이 바로 특별한 조건)에서는
Newton의 설명이나, 양자역학의 설명이나,
그 결과는 똑같이 나온다.3. (타고난혀님의 질문에 대한 현재 과학의 설명);
(1) Einstein 의 우주;
Einstein은 Newton의 설명으로는 이해할 수 없었던
현상 – 예를 들어 왜 빛이 행성 주위를 지날 때
휘어지는가 – 들을 설명하기 위해,
우주 (시-공간으로 이루어진) 를 편편한 보자기가 펼쳐져있고,
그 위에 행성, 별, 들이 놓여져 있다고 생각합니다.
무거운 질량으로 인해 질량이 놓여진 부분은
움푹 파여 있다는 것이지요.
따라서, 빛은 항상 직진을 하고자 하나, 행성 주위에서는
휘어진 공간으로 인해 굽어서 나아간다고 보이는 거라는
이론(상대성 이론-relativity)을 세웁니다.
이 휘어진 공간 이론은 빛 뿐만 아니라, 지구가 태양 주위를
도는 이유도 설명합니다.
(mall 에 가면 볼 수 있는 장남감중에,
동전을 넣으면, 동전이 바로 중심으로 떨어지지 않고,
빙빙 돌면서 떨어지는 것이 있지요. 바로 black hole을
형상화한 겁니다.)
Big Bang 과 함께 수많은 지구같은 행성이 있었을 것인데,
지구를 제외한 다른 행성은 태양으로 빨려 없어졌거나,
태양의 힘으로부터 도망을 갔을 겁니다.
우연히 지구만, 현재의 위치에서 태양을 돌며, 인간이
살아가는 환경을 제공합니다.(2) 이론 물리학자의 꿈은 모든 삼라만상을 설명할 수 있는
단독이론(TOE=theory of everything,또는 GUT=Grand Unified theory)을
만드는 것입니다.
물리학자는 자연 현상을 설명할 때 힘(force)을 말합니다.
속도를 바꾸기 위해서는 반드시 힘이 필요하지요.
힘을 안다는 것은 다라서 운동을 안다는 것입니다.
그러므로, TOE란 자연에 존재하는 모든 힘을 설명할 수 있는
이론을 의미하지요.
물리학자는 이 우주에는 4가지의 힘밖에 없다고 생각합니다.
그 힘들을 쎈 놈 순서대로 쓰면 다음과 같습니다.
strong force(강력) > electromagnetic force (전자기력) >
weak force (약력) > gravitational force (중력).strong force 는 원자핵(atomic nucleus)안의 양성자, 중성자들이
퍼지지 않고, 함께 모여 있게 하는 힘이요,
electromagnetic force는 전하를 가진 물질들의 전기적, 자기적인
힘을 말하고,
weak force 는 중성자(neutron)가 핵분열을 해서 전자(electron)
등으로 쪼개질 때 작용하는 힘이며,
gravitational force 는 질량이 있는 모든 물질 사이에
작용하는 힘입니다.현재까지 (Jan 2007) 물리학자들은 strong force,
electromagnetic force, 그리고 weak force 를
하나로 때려 뭉쳐 설명할 수 있는 이론(Standard Model)을
만들었고, 아직도 gravitational force를 포함하는
이론을 찾고 있는 중입니다.(3) 왜 중력만이 특별한 힘인가?
먼저 어떻게 positive charge 는 negative charge를
끌어당기는 지를 생각해봅시다.
이 둘은 순간적으로 상대의 존재를 알아차리는 것이 아닙니다.
그들 사이에서 그 둘을 연결해주고, 맺어주려는 것이 존재하지요.
이 예에서의 매개체는 바로 빛입니다. 빛이 두 전하사이를
오가면서 서로의 존재를 알려주고, 서로를 당기는
힘이 생기도록 만드는 것이지요.
방금 말한 이 힘은 electromagnetic force 의 경우입니다.
빛이 없다면, 우리는 전자, 전기적인 일은 블가능하겠지요.
같은 이유로, strong force 와 weak force도 설명됩니다.
각각 해당되는 매개체가 존재하며, 그 매개체가
힘을 전달하지요.
그 매개체들은 각각 실험적으로 발견되었고, 잘 이해되어 있습니다.그러나, 중력은 아주 특별합니다.
먼저, 중력은 위의 설명처럼 매개체가 과연 존재하는 지도
의문입니다.
왜냐하면, 지금까지의 가장 성공적인 중격을 설명하는 이론인
Einstein의 이론은 증력이란, 힘의 주고 받음이 아니라,
공간이 휘었기 때문이라고 주장하기 때문이지요.
Einstein의 이론은 중력은 힘이 아니고
공간의 현상일 뿐이다라고 말합니다.(4) 현재 물리학자는 미시세계를 설명하는 3가지의 힘을
(양자역학quantum mechanics 를 통해)이해하고 있습니다.
또한, 나머지 힘인 중력도 (Einstein 의 relativity를 통해)
알고있습니다.
지금의 문제는 이 모든 힘을 하나로 뭉치려는 의도이지요.이처럼 중력을 다른 세가지의 힘과 더불어 이해하기 위한
노력의 하나로 만든 것이 String Theory 입니다.
끈의 꿈틀거림을 바꿈으로써, 4가지 힘을 매개하는 매개체를
만들어서 4가지의 다른 힘을 한꺼번에 설명하겠다는 시도이지요.따라서, String Theory는 TOE 또는 GTU 를 향한
노력의 한 방법입니다.(5) (근데 흥미로웠던 사실중 하나가, 끈이론이 사실이고,
이 이론을 바탕으로 한다면, 어느 공간이든지, 끈만 연결할수
있다면, 이동이 가능하다고 한 것 같습니다.)
라고 하셨는데요, 이건 SF적인 상상입니다.현재의 우주에 사는 인간(human beings)은 4차원에서
살고있고 4차원(세 공간 + 시간)만 인지할 수 있습니다.
그러나, String Theory 뿐만 아니라, 많은 (수학의 또는 물리학의)
이론들은 이 보다 더 많은 차원을 밥먹듯이 만들어내고
또 연구합니다. 하나, 이것은 이론적인 논의일 뿐,
실제로 인간이 (physically, 물체적으로) 차원을 넘나들고,
공간 이동을 한다는 것은 아닙니다.(6) (우주의 공간을 구성하는 무언가?)
우주의 공간(물질과 물질 사이)은 Nothing 으로 구성되어 있습니다.
Nothing 은 진짜로 nothing 이고, 진공(vacuum)이라고도
말할 수 있습니다.
따라서, 인간이 우주복없이 우주공간에 던져지면,
인간 몸안의 높은 압력으로 인해, 육체가 풍선처럼 퍼져,
터져버리겠지요.(7) (지구와 마찰하는 무엇)
지구와 지구밖의 무엇이 마찰하는 것이 아닌,
지구안의 gas가 돌면서 지구 밖의 nothing 과의
마찰이겠지요.(
(모든 물질이 붙어 있을수 있는건, 원자와 원자 사이에
오가는 “무언가”가 굉장히 빠른 속도로 오가기
때문에 그 물질이 붙어 있을수 있다고 한걸 들었습니다.)Strong force 는 gluon 이라는 놈이,
electromagnetic force는 빛(=photon, light) 라는 놈이,
weak force 는 W 또는 Z boon 이라는 놈이
왔다 같다 하면서 각각의 힘을 전달해 주지요.
gluon 과 빛은 질량이 영(zero) 이므로
300,000 km/s 의 속도로 힘을 전달합니다.
그야말로, 찰라의 속도입니다.
W 와 Z boson이라는 놈은 양성자(proton)보다
100 배 무겁습니다. 다니는 속력이 왕창 느리겠지요.(9) (만약 행성끼리 끌어 다니는힘이 중력이면(태양과 지구)
그 중간에 무언가가 왔다 갔다 해야 하는건지요?)Einstein의 중력이론인 상대성이론(relativity)는
중력을 힘으로 보지 않고 공간 현상으로 봅니다만,
string theory는 이것 마져 매개체의 왔다갔다하는
현상에 의한 힘이라고 생각하고 있지요.
그 이론은 중력을 매개하는 놈은 graviton 이라고
이름지어 놓았고, 질량은 아마도 영(zero) 라고
추측합니다만, 아직까지는(Jan 2007) 실험에 의해
발견되지는 않았습니다.(10) (아이슈타인 이론이 사실이면, 왜 교과서에서는 아직도 아이
작 뉴튼의 중력 이론을 사용하고 있는것인지 궁금합니다..)<<<< a very great question.... >>>>
결론적으로 말하면, Newton의 모든 이론은 –
Newton의 중력이론, 그리고 Newton의 운동이론 –
들은 “틀린(incorrect)” 이론이 아닙니다.
다만, 특별한 경우에만 적용되는 approximation equation이지요.(i) Newton의 중력이론은 빛을 생각하지 않으면,
행성의 운행을 정확히 계산해낼 수 있는 이론입니다.
(ii) Newton의 운동 이론은 느린 속력의 모든 운동을
설명할 수 있습니다.
(iii) Newton의 운동 이론은 아주 작지 않는 크기의
물체의 운동을 기술할 수 있습니다.위의 경우에서 볼 수 있듯이, Newton 의 이론은
우리가 일상생활에서 사용하는데, 아주 정확한 결과를 주는
이론입니다.
다만, 행성주위의 빛 운동, 아주 빠른 운동, 아주 작은
현상들을 설명할 수는 없습니다.
교과서에서 볼 수있는 F=ma 는 느린 운동에서는 정확한 식이지만,
빠른 속력에서는 틀린(incorrect) 식입니다.
(incidentally, 천재 Newton은 사실 한번도 F = ma 라는 식을
사용한 적이 없으며, 대신에 F=dP/dt 라는 식을 사용했으며,
이 식은 Einstein의 완벽한 (exact) 식에서도 참(correct) 입니다.)Anyway, 왜 Newton을 아직도 학교에서 가르치는가?
의 답은
(i) 일상 생활에서는 Newton 만으로도 문제 없다.
– 파리 잡는데, 대포 쏠 수는 없다.
(ii) 완벽한 이론인 relativity(상대성이론)과
quantum mechanics(양자역학) 을 이해하기에는
왜 그 이론들이 필요했는제에 대한, 이전의 역사에
대한 이해가 필요하다.
– 이전 역사의 이해없이 미래는 없다는,
역사의 중요성은 과학에서도 적용된다.(11) 마지막으로, 일반일들이 Relativity
또는 quantum mechanics를 이해할 필요있는가?(i) relativity에 대한 이해 없이는 GPS(Global Positioning system)가
탄생하지도 못했을 것입니다.(ii) quantum mechanics의 이해 없이는 미래의,
현재의 computer 보다 상상도 못할 정도의 process 속도를 가진,
quantum computing과
새로운 security 에 관련된 quantum cryptography(암호학)에
대해 무지할 수 밖에 없다.___________________________________
이상입니다.