물리학/역사

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물리학의 역사. 현재 과학의 화두, 첨단, 핵심이 된 물리학이니만큼 그 특유의 역사 역시 파란만장했다.

1 자연철학과 물리학

• 이 부분은 화학/역사도 같이 참고.

1.1 서론

인간은 옛날부터 자신들이 살고 있는 자연에 대하여 많은 의문을 품어왔다. 만물은 무엇으로 되어 있을까? 자연 현상은 왜 일어나는 것인가? 누군가는 종교에 의존하고, 누군가는 철학에 의존하였으며, 미신에서 벗어나기 시작한 옛 지식인들은 그럴듯한 설명을 내놓기 시작했다. 유가는 세상을 '덕'으로, 도가는 세상을 '도'로 설명하며, 힌두교는 윤회와 여러 신, 이집트 역시 번개, 구름, 강, 태양의 신 등을 내놓아 설명하기 시작했고, 그리스 역시 이를 따르다 결국 인도와 중국처럼 철학자들의 시대가 도래했다.

그러나 힘과 원에 대한 논리적 정의를 진작에 세워놨던(...) 묵자 정도를 제외하면 동양에 있어서 천문학을 제외한 물리학에 큰 관심을 기울인 자는 없었다. 그들에게 자연이란 신의 일부로 보았다. 하늘은 늘 그렇듯 존재하고, 자연도 그러하고, 사람은 하늘의 명을 따라 행동하는 것이기에 굳이 자연을 일일히 찾아보지 않아도 세상의 이치를 깨우칠 수 있다고 여겼기 때문이다. 세상의 이치는 핵심 원리인 도(道)를 깨우치면 그만이란 거다. 그래서 공자부터 시작해서 수많은 동양의 지식인들이 물리학에 관심이 없었다.

서양은 그와 다르게 물체를 하나하나 파해치면서 자연의 진리를 깨우치길 원했고, 그 결과 물리학이 기이학적으로 발전하기 시작한다.

1.2 그리스권과 이집트권에서

그리스, 이집트 지대에서는 물리학 연구가 흔했다. 천동설을 주창한 그 프톨레마이우스는 눈에서 물체를 보는 빛이 발사되어 물체를 볼 수 있다는 잘못된 이론을 만들었지만, 그 외의 여러가지 기하광학과 물리광학에서 큰 성과를 냈다. 그리고, 그 결론들을 실험을 통해 결론을 도출한 걸로 유명하다. 단지 자신의 가설에 맞지 않았던 실험은 잘못됐다고 버렸을 뿐(...) 인지부조화 천동설에서부터 알아봤지

그리스의 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 그럴듯하게 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.또, 진공의 존재를 믿지 않았다.

현대에서 보면은 참 황당한 논리지만, 아리스토텔레스 그는 그 나름대로 상당히 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 행성이 있다는 것 자체만으로도 새로운 이론일 텐데, 그 자리를 계속해서 도는 천체를 보고 달리 무슨 해석을 할 수 있었을까. 마찰력과 공기저항의 존재를 모르는 상황 속에서 현상을 추상화한다는 생각 자체가 엄청난 칭찬을 받을 만한 생각이다. 또한 위의 프톨레마이우스는 이런 이야기를 이때 이미 수학화를 했다고 하기도 한다.

현대 물리학에서도 벌어지는 형이상학적 논쟁 중 하나도 이때 시작되었다. 그리스 때부터 그리스의 학자들은 자연 현상을 수학적 모델로 설명하기 된다. 이때 이 수학적 모델이 사실인가, 아니면 자연을 묘사한 것에 불과한가 하는 논쟁이 일었는데, 수학적 모델이 사실인가라는 논쟁은 양자역학까지 지속된다.

로마 말기가 되면 기독교가 발전하게 되는데, 그 결과 물리학은 점점 사람들의 관심사에서 잊혀지고, 그 대신에 아리스토텔레스의 이론은 2000년 동안이나 크게 훼손되지 않고 유지될 수가 있었다. 그러나 오히려 2000년이나 유지된 이론은 기존에 아리스토텔레스가 주장한 이론의 본질보다는 상당히 보수적이고 편향적인 부분이 짙어져 정말 많은 과학자들의 장벽으로 남게 된다.

1.3 이슬람 전성기

서로마 제국의 멸망 후 100년, 아이러니하게도 아랍 지방의 학문과 문명은 전성기를 맞이해 사실상 유럽의 중세시대를 여러모로 압도했다.

주목할만한 학자로는 빛의 직진성을 발견한 '광학'의 저자 알하젠이 있겠다.

2 물리학의 수정

16세기 후반에서 17세기 초, 인간들 중에 관성의 개념을 밝혀낸 사람이 나타난다. 바로 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 보수적인 아리스토텔레스 식의 사고를 벗어나서, 오직 자신의 사고에서 난 직감만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그것에 대한 구체적인 정립이 현실적으로 어려웠다. 다만 아직 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는'힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는'힘인 것을 깨닫기가 쉽지 않았기에, 그를 대체하는 발상으로, 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 되었다.

반면 갈릴레이는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 의거하여 점차 뉴턴의 운동법칙의 기초가 되는 이론들을 쌓아갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀 냈으며, '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해냈다. 하지만 이것이 한계였던 점이 아쉬움에 남는다. 그의 시대에 자연은 전지전능한 조물주의 음악에 발맞추어 행진하는 피조물이었으며, 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다.

3 17세기 : 뉴턴의 우주, 우주의 뉴턴

3.1 뉴턴의 역학

결국 물리학의 창시자 뉴턴이 나타났다. 그는 지상에 흩어져 있는 물리학 지식의 파편들을 모아 세 가지 법칙을 만들었다. 관성의 법칙, 힘과 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙이 그것이다. 뉴턴은 지금까지의 모든 관찰 결과들이 이 세 가지 법칙을 만족한다는 사실을 깨달았고, 이를 《프린키피아》라는 세 권의 책에 담았다. 그의 방법을 이용하면 물체의 초기조건을 알 때 그 후 물체가 어떻게 운동할 것인지를 알아낼 수 있다.

하지만 단점이 하나 있는데, 물체가 왜 그렇게 운동하는지를 모른다는 사실이다. 뉴턴 자신도 이를 인정했으며, 그는 물체가 왜 이렇게 운동하는지에 대해서는 전혀 언급하지 않았고 단지 이렇게 계산하면 결과가 실제와 정확하게 일치한다는 것을 보였다. 뉴턴 이전에 철학의 한 부분이었던 물리학을 뉴턴 이후에는 수학의 언어로써 인간이 이를 쉽게 다룰 수 있게 하였다. [math]F=ma[/math]로 대표되는 운동방정식의 도입이 바로 그런것인데, 기존에 대부분의 자연철학자들이 피상적으로 자연현상을 설명하였다면, 뉴턴은 그때까지 발견된 자연현상들을 방정식의 형태로 표현한 것이다. 이런 방법을 통해서 자연현상 특히, 물체의 운동등이 기존에 비해 더욱더 직관적으로 설명 가능하였다.

3.2 뉴턴의 광학

(편집중)
빛을 입자로 보고 빛의 성질을 탐구하였다.
프리즘의 분광을 이용해 빛의 스펙트럽의 존재를 밝혀내었으며 분광된빛은 더이상 분광되지않는다는것을, 분광된빛을 다시 모으면 백색광이 된다는 사실도 실험적으로 입증했다.
(뉴턴은 이를 7가지색으로 분리된다고 서술하였는데 그때문이 영국과 대한민국(!!!)에서만 무지개를 7가지 색이라고 한다.)

4 18 - 19세기  : 포텐터진 물리학

뉴턴역학이 확고히 자리잡을 무렵 물리학은 2두 분야로 나뉘어 있었다. 하나는 천체역학, 유체역학, 고전역학 등 뉴턴 역학의 기반 하에 정리된 분야였는데, 이 분야들은 뉴턴 역학의 기반 아래 제대로된 수학화,정량화가 이루어져 현대과학에 걸맞는 수준이었다. 반면 열, 빛 자기, 전기 같은 것에 대해 연구하는 물리학이 있었는데, 이들은 패러다임도 잡혀있지 않고 수학화는커녕 제대로된 정량화도 안되어 있어 과학이라 부르기 부끄러운 수준이었다. 이렇게 나뉘어 있던 두 물리학은 18,19세기에 들어 큰 발전을 이루면서 전문화되고 에너지 개념을 통해 하나의 물리학으로 통합되었다.

4.1 열의 원리 : 열역학의 탄생

뉴턴의 운동방정식은 곧 자연을 탐구하는 모든 학문과 심지어 계몽사조에까지 거대한 영향을 미쳤다. 곧 많은 철학 분야에서 뉴턴주의를 지향, 뉴턴의 방법론을 시도해보기 시작했으며, 심지어는 화학 역시 뉴턴의 계량적 사조에 큰 영향을 받았다. 그 뒤로 열역학이라는, 뚜렷히 고전 역학과 다른 신묘한 분야가 개발되기 시작했고, '칼로릭 이론'이라는 틀린 이론을 통해 시행착오를 겪은 뒤 카르노의 원리 등을 시작으로 열에서도 제대로 된 물리학적 고찰이 이어지기 시작했다. 이는 열역학 제 1법칙과 우주멸망법칙열역학 제 2법칙을 통해 정량적인 열역학 개념을 완성시켜 나갔다. 천체역학, 고전역학이라는 수학분야, 광학이라는 실험분야와 함께 열역학이라는 또 하나의 물리학 분야가 탄생한 것이다.

4.2 다시 한번 빛이 있으라, 전자기학의 정립

그렇게 어려웠던 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 이제 만물의 진리에 도달하였다고 생각하였다. 맥스웰은 자신이 통합해낸 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 그 결과, 빛은 파동이라고 믿게 된다.

가시광선영역 밖의 빛들 자외선과 적외선등도 발견되었다. 프리즘을 통해서 백색광을 여러 색으로 분리 시키는 실험에서, 붉은색과 보라색영역 바깥쪽에서도 온도가 올라가는 것을 발견하였다. 이 실험결과로 사람의 눈에 보이지 않는 빛도 있음을 밝혀내었고, 붉은색 바깥쪽의 빛을 적외선, 보라색 바깥쪽의 빛을 자외선이라고 명명하였다. 또한 여러 실험과 기존에 파동에 관한 정보들을 통합하여서, 붉은색의 빛은 긴 파장과 작은 에너지(진동수)를 가지고, 보라색계열의 빛은 짧은 파장과 큰 에너지(진동수)를 가지는 것을 밝혀내었다. 특히, X선의 발견은 수많은 사람들의 목숨을 구해주었고 지금도 의료계에선 활발하게 사용하는 중이다.

더 이상 딱히 할 게 없다! 지구상의 거의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 설명되지 않는 것이 없었다. 다만, 행성의 정확한 운동 이를테면 수성의 근일점 이동등과 흑체복사 등에서 아주 사소한 문제가 발견되었지만 이것도 곧 해결 될 것이라 생각하였다.

5 20세기 이후

5.1 상대성이론

• 상대성 이론/역사 항목 참고.

맥스웰은 빛의 속도가 전자기파의 속도와 동일한 1/(ε₀μ₀)^1/2이라고 증명해냈다고 했다. 그런데 이 속도는 무엇을 기준으로 측정한 속도인가? 모두가 알다시피 운동장에 서있는 사람이 잰 골프공의 속도와 자동차에서 달리는 사람이 잰 골프공의 속도는 다르다. 그렇다면 빛의 속도는 누가 잰 것인가? 이 질문에 대해 사람들은 에테르 등 가상의 절대관찰자를 만들어내려고 노력했다. 하지만, 빛의 속도는 지구의 자전등에 인해서 생기는 경로차와의 관계가 없음이 실험적으로 밝혀지면서 에테르 이론은 폐기하게 되었다. 결국 아인슈타인이 모든 관성계에 대해서 '빛의 속도는 일정하다' 하고 '모든 물리법칙은 동일하게 적용된다' 라는 가정을 하고, 이를 이용해 특수 상대성 이론을 정립하였고, 여기에 '관성질량과 중력질량은 본질적으로 다를진 몰라도 서로 구분 할 수 없다' 라는 가정을 이용하여 일반 상대성 이론을 만들었다. 이 두 이론을 합쳐서 상대성 이론 이라고 한다. 또한, 이 이론에 따르면 시간과 공간은 본질적으로 같다.

상대성 이론의 결론 중 하나는 '모든 물질은 에너지다.'인데, 이 이론에 의하면 물질이 단 1g만 에너지로 전환되어도 실로 어마어마한 에너지가 방출된다. 이를 이용하여서 핵무기가 개발되었다.

5.2 빅뱅과 우주의 시공

일반 상대성 이론이 정확하다면 우주크기의 도함수, 즉 우주팽창 속도는 항상 0이 아니어야 하는데, 이 말은 즉 우주가 정상 상태가 아니고 크기가 커지거나 작아지는 상태라는 뜻이 된다. 아인슈타인은 이게 마음에 들지 않아서 우주상수란 개념을 추가하고, 우주가 정상상태라고 주장하였다. 하지만, 이는 곧 반박되었는데, 허블이 밤하늘에 대부분의 천체에서 적색편이를 발견하였으며, 이에 우주가 팽창하고 있음을 밝혀낸 것이다.

우주는 지금 이 순간에도 팽창하고 있는데, 이팽창하는 속도를 역으로 계산해보면 개략적인 우주의 나이를 알 수가 있게 된다. 이 방법으로 밝혀낸 개략적인 우주의 나이는 약 138억 년이다.

5.3 양자역학

또, 금속에 빛을 쏘면 전자가 튀어나가는 현상이 있는데, 자세한건 광전효과를 참고하길 바란다. 아인슈타인은 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로써 인정이 된다.

그 후, 드브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고 입자의 파동성을 제안한다. 전자를 빛과 같이 발사하는 실험을 해보니 전자도 빛과 마찬가지로 회절무늬가 생긴다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 유도 과정을 보면 이해할 수가 없고 말이 되지 않는다. 하지만 결과가 맞는데 어떡하리, 그냥 믿는 수밖에.

흑체가 복사하는 빛의 세기를 파장에 따라 정렬할 때 고전물리학적 관점 즉, 빛은 파동이라는 관점에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인데다, 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 플랑크는 이 현상을 에너지의 양자화라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정한후에 통계를 이용하여 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.

결국 슈뢰딩거와 함께, 많은 과학자들은 양자역학이라는 새로운 분야를 만들어낸다. 여러 번의 시행착오 끝에 파동함수라는 것을 만들어내고, 고유치 문제를 변형해 연산자를 만들어 이를 측정의 개념에 대응시키면서 슈뢰딩거 방정식을 만들어낸다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 사이함수는 복소수이다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 하이젠베르크의 불확정성의 원리가 발표되었다. 그 후에 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다.

양자 역학의 발전으로 기존 원자 모형인 러더퍼드의 원자모델의 문제점을 수정할 수 있게 되었다. 러더퍼드의 원자 모형에 의하면 전자는 극히 짧은시간내에 원자핵과 충돌해야 하는데, 실험해보니 영 딴판이었던 것이다. 이에 보어는 전자의 궤도를 양자역학적으로 계산하여서 새로운 원자 모형을 만들었다. 이 원자 모형에 의하면 전자의 위치는 연속적인 공간이 아니라, 원자핵에 대하여 비연속적인 공간을 따라 존재한다.

파인먼은 양자 역학과 전자기학을 하나로 묶은 양자전자기역학을 발표하였다.

입자의 본질에 대한 연구 또한 끊임없이 계속되고 있다.

6 21세기 이후 ~ 현재

현대의 물리학은 더욱더 본질적인 입자의 탐구와 다른 이론과의 통합을 목표로 하고 있다. 가장 최근의 업적으론 힉스 입자의 발견과 중력파검출이 있다.

현재의 물리학은 하나의 이론체계로 최대한 많은 것들을 설명할 수 있는 이론의 통합과 더욱더 본질적인 탐구를 목적으로 한다. 상대성 이론과 양자역학이 각각의 주 분야인 (고속/강한 중력의)거시영역과 미시영역에 대해선 잘 맞으나 이 둘의 개념 자체가 다르며, 섣불리 합치면 양자 요동 등을 고려시 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주같은 극단적인 고에너지 미시현상을 설명하지 못하는 경우가 발생한다. 때문에 새로운 개념을 통해 이를 합쳐야 하며, 이것을 시도하는게 초끈이론이니 고리양자중력이론이니 하는 것들.

미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학은 엔트로피 개념이 정보이론과 연결되며 빅데이터나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.

여기까지 오는 동안 파란 링크 한번도 안 눌렀다면 이해를 못했거나 물리학 박사다 물리학과 학부 2학년인데 다 이해된다.이 바닥에선 전부 유명한 사람들이라서 물리1만 해도 뭔소린진 다 안다. 이 바닥에선 전부 유명한 사람들이라서