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대단하고 유쾌한 과학 이야기( 브뤼

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일반 상대성 이론 1915년 아인슈타인은 ‘일반상대성 이론의 기초’라는 제목의 논문을 썼다. 이 이론에 따르면 중력은 뉴턴이 설명한 것 같은 힘이 아니다. 중력은 한편으로는 에너지가 존재하면 시공간이 변형된다는 사실의 표현이고 다른 한편으로는 시공간이 측지선이라고 하는 휘어진 직선(지구의 자오선처럼 수학적으로는 직선이지만 곡선 으로보일 수 있는 것) 에 따라 에너지 이동을 제한한다는 사실이 표현이기 때문이다. 아인슈타인에 따르면 지구는 태양 주위를 도는 것이 아니라 등속직선운동을 하면서 똑바로 이동하고 있으며 (중력이 힘이 아니라고 보면, 지구는 어떤 힘도 받지 않으므로 관성운동을 하는 것이 맞다) 대신 태양이라는 질량의 존재로 인해서 변형된 시공간 안에서 휘어진 직선에 따라 이동하는 것으로 설명할 수 있다. 텐서란 여러..
아인슈타인 특수상대성 이론은 공간과 시간에 대한 보편적인 이론이고, 일반상대성 이론은 중력에 대한 이론 이다. 아인슈타인의 관점에서 중력은 가속도의 표현에 지나지 않으며, 등가원리로 말하고자 한 것도 바로 그 내용 이다. 특수상대성 이론이 특수하다고 규정된 것은 이 이론이 관성계, 다시 말해서 가속도 운동을 하지 않는 좌표계에만 국한된 것이기 때문이다. 좌표계가 가속도 운동을 하면 특수상대성 이론의 방정식은 더 이상 통하지 않는다. 기와공이 자기 무게에 몸을 맡기면 그가 속한 좌표계 안에서는 어떤 힘도 그에게 작용하지 않고, 자기 옆에서 함께 떨어지는 기왓장은 정지해 있는 것처럼 보인다. 아인슈타인은 그러한 생각에서부터 출발해서 중력을 관성계 안에서 설명하려고 했지만 유클리드공간의 한계에 부딪혔고, 그래서 비유클리..
중력 뉴턴에 따르면 중력은 질량을 가진 물체가 다른 물체에 행사하는 힘이다. 중력은 아주 먼거리에서도 작용하는 인력으로 역학에서 가장 중요한 힘이지만, 이 중력이라는 인력에 반대되는 성질의 힘은 알려져 있지 않다. 예를 들면 전자기학에서는 인력이 있으면 척력도 있는데 말이다. 전자기학과 비교하면 양의 전하에 의해서 만들어지는 전기장도 크기가 무한하며, 그 세기 역시 증력의 경우와 마찬가지로 거리가 멀어지면 약해진다. 전기력과 달리 중력은 차단할 수가 없다. 아인슈타인은 이렇게 말햇다. '자유낙하를 하는 사람은 자신의 무게를 느끼지 못할 것이다. 그 생각에 스스로 놀랐다. 그리고 그 생각은 내가 새로운 중력이론을 연구하게 만들었다. 아인슈타인이 깨달은 것은 자유낙하를 하면 중력의 효과가 어떤 일정한 방식으로 상..
특수상대성 이론 아인슈타인이 가장 먼저 한 일은 공간과 시간이 본래 서로 구분되지 않는 성질을 가졌다고 규정하는 것이었다. 공간과 시간은 본질적으로 서로 묶여 있어서 따로 분리될 수 없다. 공간과 시간은 하나의 연속체이며, 이 연속체는 역동적 성질을 가지고 있어서 변형이 가능하다. 우리와 달 사이의 거리가 워낙 멀다보니 우리 시점에서는 달이 실제보다 훨씬 작게 보일 뿐이다. 상대성 이론의 틀에서 일어나는 일을 이해하려고 할 때에 이 비유가 주요한 이유는 많은 경우 관찰이 관찰자의 시점에 따라서 달라질 수 있음을 잘 보여주기 때문이다. 이것이 고전역학과 기본적인 차이점이다. 고전역학에서는 관찰되는 사실에 하나의 시점만 작용하기 때문이다. 예를 들면 시속 360킬로미터로 달리는 기차를 타고 있을 경우 기차안에서 가만히 서 ..
아인슈타인의 세 번째 논문 아인슈타인은 세 번째 논문 ‘운동하는 물체의 전기역학에 대해서’를 통해서 이른바 특수상대성이론을 내놓았다. 그는 우주는 우아한 법칙에 의해서 지배되고 있다고 확신했다는 것이다. 그는 우주를 전체적 으로 이해하는 방식이 우아해야 한다고 보았고, 모든 것이 서로 조화와 균형을 이루어야 한다고 생각했다. 그의 첫번째 논문은 빛이 광양자 라고 불리는 입자로 이루어져 있음을 증명한 광전효과에 관한 것이었다. 아인슈타인은 에테르의 존재를 부정하기 위한 연구에 들어갔다. 전자기파가 진공에서도 전달될 수 있음을 보여주고, 운동중인 정전기장 및 길이의 수축현상과 관련해서 아인슈타인은 공간과 시간에 대해서 전혀 새로운 이론을 확립하게 된다. 폰 몰트케 백작은 뛰어난 군사 전략가로 프로이센의 육군 참모총장을 역임하고, 독일..
볼츠만 외 열역학을 통계와 연관지어 생각한 사람은 볼츠만이 처음이었다. 오스트리아 물리학자이자 철학자인 볼츠만은 어떤 기체안에 든 수많은 원자들, 몇 분자들이 미시적 차원에서 가지는 작용을 그 기체가 거시적 차원에서 보여주는 열역학적 작용과 연관지을 수 있으리라고 보았다. 열역학의 거시적 작용을 열역학 계의 미시적 성질을 통해서 설명하는 이론이었다. S= k.ln(w) 이 공식이 말하는 것은 무엇일까? 아보가드로법칙으로 온도와 압력이 표준상태일 경우 기체 1리터에는 자체 종류와 상관없이 약 3x10개의 분자가 들어있다는 것을 알고 있다. 볼츠만은 분자들의 배열에 대한 수를 계의 미시적 상태의 수로 놓았을 때 (식에서 W)계의 엔트로피(식에서 S)와 그 수 사이에 수학적 관계가 존재함을 밝혔다. 계의 엔트로피는 그 ..
열역학의 세가지 법칙 열역학계가 외부와 에너지(열이나 일)를 교환하되 물질교환은 허용하지 않으면 '닫힌 계'라하고, 에너지교환도 허용하지 않으면 '고립계'라고 한다. 닫힌 계나 고립계에 해당하지 않는 나머지의 경우 모두 열린계에 속한다. * 열역학 제1법칙 닫힌 계에서 어떤 변화가 발생했을 때 그 계의 에너지 변화는 외부환경과 교환한 에너지 양과 동일하다. 우리가 속해있는 닫힌계가 에너지를 잃으면 그 에너지는 외부환경이 이런저런 형태로 가져간다는 뜻이다. 아무것도 생성되지도 소멸되지도 않는다는 말이 에너지에도 적용됨을 보여준 것이다. 어떤 계가 거시적 차원에서는 정지해 있는 것처럼 보여도 입자든 분자든 간에 그것을 이루는 요소들의 차원에서는 정지 상태에 있는 것이 아니다. 열역학 제1법칙은 일과 열 사이 미시적 차원에서 존재..
프란시스 베이컨, 사디 카르노 열역학이란 도대체 무엇일까? 열역학이란 열의 교환을 연구하는 학문이다. 열역학은 거시적인 系를 연구하는 학문이기도 하며, 일을 연구하는 학문이기도 하다. 사람들은 열과 열의 느낌을 혼돈한다. 200도로가열되는 오븐 안에 1시간 가까이 있으면 파이와 파이틀은 둘 다 열평형에 이른다. 열의 느낌과 관련해서 우리의 감각은 물체의 온도를 측정하기 위해서 존재하는 것이 아니라, 화상 위험이 있을 경우 그것을 경고하기 위해서 존재하는 것이다. 그렇다면 파이틀이 파이보다 훨씬 더 뜨겁게 느껴지는 것은 왜 그럴까? 그 이유는 파이틀을 이루고 있는 물질과 관련이 있다. 금속이 동일한 온도의 나무나 플라스틱에 비해서 우리 손에 더 차갑게 느껴지는 것도 마찬가지 원리이다. 손에서 많은 양의 열이 금속으로 옮겨가기 때문에 차..

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