석군의 비밀수납장(Seokkun)

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 우리는 앞선 글을 통해 아인슈타인이 특수상대성 이론을 어떻게 만들게 되었는지를 살펴 보았습니다. 이를 통해 특수상대성 이론은 기존 뉴턴역학의 틀을 깨부수며 우리에게 새로운 상식을 가져다 주었다는 것도 알게 되었죠. OK! 빛의 불변의 속도를 받아들인 상태에서 모두에게 동일한 물리법칙이 적용될 수 있게 만든 이론이다! 그럼 다 해결된것 같은데 일반상대성 이론은 무엇이며 왜 만들었을까요? 고전 역학이라 불리는 뉴턴의 역학은 ‘관성기준계’의 기준에서 만들어 졌습니다. 쉽게 이야기해서 멈춰 있거나 일정한 속도로 움직이고 있는 관찰자의 기준에서 쓰여진 법칙이라는 것입니다. 뉴턴의 운동법칙은 제 1법칙인 관성의 법칙을 통해 관성을 물체의 기본 성질이라 표현합니다. 그리고 뉴턴의 운동법칙 제 2법칙 가속도의 법칙을 통해 힘과의 상호작용에서 물체의 운동이 일어난다고 설명하고 있죠.  ‘F=ma’. 외부에서 힘이 투입된 만큼 질량과 반비례하여 물체가 움직인다. 이것은 멈춰있거나 일정한 속도로 움직이는 ‘관성기준계’의 두 관찰자 입장에서 보면 아주 잘 들어맞는 설명입니다. 예를 들어 볼까요? 앞선 글에서 아인슈타인의 상상속으로 다시 들어가보죠. 텅 빈 우주 공간에서 일정한 속도로 서로 멀어지고 있는 두 관찰자 A와 B가 있다고 가정하여 봅시다. 관찰자 A는 자동차 만한 우주선을 타고 있으며, B는 축구장 만한 우주선을 타고 있습니다. 뉴턴의 운동법칙 제 1법칙인 관성의 법칙은 움직이는 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 계속해서 일정한 속도로 움직이려 하는 성질이 있다고 설명합니다. A와 B 둘은 서로 자신은 멈춰있고 상대방이 일정한 속도로 멀어지는 것으로 관찰할 것이고, 이 현상을 관성을 물체의 기본 성질로 보는 뉴턴의 제 1법칙으로 쉽게 설명 가능할 것입니다. 그런데 A가 갑자기 속도를 높입니다. B 입장에서 보면 멈춰있는 자신과 다르게 A가 가속을 하고 있는 것입니다. 그리고 이것은 뉴턴의 제 2법칙 가...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 현대 물리학의 시작이자 한 축을 담당하는 아인슈타인의 상대성 이론의 탄생 배경에 대해 설명하고자 합니다. 단순히 시간 지연, 공간 수축 같은 현상 만을 나열하는 것이 아닌 이 이론이 탄생하게 된 배경을 포함하여 여러분께 이해하기 쉽게 설명하고자 합니다. 그럼 시작해 볼까요? 1. 상대성 이론이란? 우리가 통상적으로 말하는 상대성이론은 독일 출신 물리학자 알베르트 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)이 발표한 이론으로 엄밀히 말하자면 두 가지 이론을 포함합니다.  첫 번째는 1905년에 발표한 특수상대성 이론으로, 서로에 대해 일정한 속도로 움직이는 특수한 상황에 놓인 두 관찰자 사이에 물리법칙이 어떻게 적용되는지 설명하는 이론입니다.  두 번째 이론은 일반상대성 이론으로, 1915년에 발표하였으며, 중력이 존재하는 상태에서 앞서 아인슈타인이 주장한 상대론적 물리법칙이 어떻게 적용되는지를 다루죠. 그럼 이 두 이론은 어떻게 탄생하게 됐고, 어떤 내용을 다루는지 조금 더 자세히 알아 볼까요? 2. 빛의 속도가 문제야! 앞선 전자기학의 발전을 다뤘던 글에서 맥스웰의 방정식을 면밀히 들여다보면 전기력과 자기력의 전달 속도, 즉,빛(전자기파)의 이동 속도는 관찰자의 상태를 따지지 않고 항상 일정하게 표현된다고 했었습니다.  하지만 200년 가까이 이어온 고전물리학의 근간인 뉴턴의 역학을 빌어 설명하자면 이는 말이 되질 않았죠. 쉽게 말해 달리는 버스 안에서 버스가 달리는 방향을 향해 빛을 쏘면 버스의 속도와 빛의 속도가 더해진 총 합이 버스 바깥에서 바라보는 관찰자가 경험할 빛의 속도일텐데, 맥스웰의 방정식에서의 빛(전자기파)의 속도는 버스 안과 밖을 동일하게 표현하고 있던 것입니다. 그렇다면 맥스웰의 방정식에 오류가 있었던 것일까요? 하지만 맥스웰의 방정식은 전자기 현상을 너무도 잘 설명하고 있었습니다.  3. 빛의 속도가 우주의 한계 속도이다! 그...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 지난 시간에 이어 현대 물리학 발전에 큰 부분을 차지하는 전자기이론에 대해 설명드리겠습니다. 1. 전자기 이론이란? 전자기 이론은 전기와 자기에 대한 연구를 말하며 오랜 발전 역사를 가지고 있습니다. 사실 인류는 번개와 자석 등을 통해 오랫동안 전기와 자기의 존재는 인지해왔지만 그 둘의 연관성은 생각해보지 못하고 서로 다른 학문으로서 발전시키고 있었습니다. 그런데 19세기 초 한 과학자에 의해 흥미로운 사실이 발견되죠. 2. 전기와 자기의 연관성을 처음 발견하다. 1820년 덴마크 물리학자 한스 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777-1851)는 전류가 흐르는 전선 주변에 나침반이 북쪽을 가리키지 않는다는 것을 처음 발견합니다. 전기와 자기의 연관성을 발견한 것입니다. 3. 전기와 자기는 하나다? 한스 외르스테드가 전기와 자기의 연관성을 발견한 다음 해, 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)는 외르스테드의 연구를 바탕으로한 실험에서 자기의 변화 또한 전류에 변화를 일으킨다는 사실을 발견합니다. 서로 별개로 보았던 전기와 자기는 사실 하나의 세트로 존재한다는 것을 발견한 것이죠. 그리고 장(Field)의 개념을 처음 도입합니다. 패러데이의 이 연구는 현재 전자기장 이론의 토대를 마련하였지만 아쉽게도 수학에 약했던 패러데이는 이 놀라운 발견을 하고도 수학적으로 아름답게 정리할 수가 없었습니다. 4. 더 나아가 빛은 전자기장의 파동이라고?? 페러데이가 제안한 전자기장의 수학적 설명은 19세기 중반 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)이 완성합니다. 그는 패러데이와 다른 과학자들의 연구를 전기장과 자기장의 움직임을 설명하는 네 가지 방정식으로 통합하고 발전시켰습니다.  그 네 가지 방정식을 간단히 말로 풀어서 설명하자면 이렇습니다. 전기장의 원천은 전하(훗날 전자로...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 현대 열역학의 기본 원리이자 훗날 양자역학에 지대한 영향을 준 통계역학에 대해 설명해 드릴께요! 1. 통계역학이란? 통계역학은 물리학의 한 분야로, 열역학과 고전역학을 결합하여 미시적인 입자들의 운동과 상호작용의 확률분포로 거시적인 물질계의 움직임을 설명하는 학문입니다. 2. 고전 통계역학 통계역학 발전의 핵심 인물 중 한 명은 1859년 기체의 분자 속도 분포 개념을 정립하여 "열이론"을 발표한 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)입니다.  또 다른 주요 인물은 맥스웰의 이론을 발전시켜 개별 분자의 운동 측면에서 기체의 움직임을 설명하는 기체 운동 이론을 확립한 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844-1906)입니다.  (그는 전 포스팅에서 설명하였던 시스템의 무질서 또는 무작위성을 측정하는 엔트로피의 개념을 도입했죠. 사실 엔트로피는 무질서도가 아니라 높은 확률로 변해간다고 보는 것이 더 정확합니다!) 이 둘의 통계법은 ‘ 맥스웰-볼츠만 통계 ’라 부르며 일반적인 입자들의 움직임을 설명하는데 쓰입니다. 3. 양자통계역학 그런데 과학의 발전과 더불어 좀 더 미시적인 입자들의 움직임을 설명하는데는 ‘맥스웰-볼츠만 통계’는 한계를 보였습니다. ‘맥스웰-볼츠만 통계’는 모든 입자를 구별 가능한 별개의 입자로 보았지만, 양자역학에서 전자와 같은 기본 입자들은 한 상태에 2개 이상의 입자가 존재할 수 없으며, 우주 저 멀리 있는 전자나 지구에 있는 전자나 서로 구분할 수 없이 똑같다고 보기 때문이죠. 이는 온도가 낮거나 높을 때 매우 다른 값을 보여줬습니다. 그래서 이 양자역학의 원리를 따르는 기본 입자들에 대입 할 통계법은 맥스웰-볼츠만의 것과는 달라야만 했습니다. 이 새로운 통계법은 1926년 이탈리아 출신 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi, 1901-1954)에 의해 만들어졌으며, 영국 출신 물리학자 폴 디...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 지난 시간에 이어 물리학 발전에서 아주 중요한 역할을 한 열역학에 대해 설명드릴께요! 길지 않으니 끝까지 고고! 열역학은 19세기에 확립된 물리학의 한 분야로, 이후 물리학, 공학 및 화학을 포함한 많은 분야의 기초가 되었습니다. 열역학은 열, 에너지, 그리고 일 간의 관계를 다루며 내연기관, 발전소 및 냉동 시스템과 같은 에너지 변환 장치의 동작을 이해할 수 있는 근거를 제공합니다. 1. 열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙으로도 알려진 열역학 제1법칙은 1841년 독일의 물리학자 쥴리어스 로버트 폰 마이어(Julius Robert von Mayer, 1814-1878)에 의해 탄생되었습니다. 이 법칙은 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며, 오직 한 형태에서 다른 형태로 변환될 뿐이라고 말합니다. 방의 온도를 올리든 내리든 거기에 투입된 에너지의 총 합은 항상 같다는 거죠. 즉, 전체 우주의 에너지는 더 증가하거나 감소하지 않고 항상 일정하다는 것입니다.  2. 열역학 제2법칙 엔트로피의 법칙으로도 알려진 열역학 제2법칙은 1824년 프랑스 엔지니어 니콜라 사디 카르노(Nicolas Sadi Carnot, 1837-1894)에 의해 처음 공식화되었습니다. 이는 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 이유를 설명합니다. 자세히 들여다보면 이 법칙은 모든 에너지 전달 또는 변환에서 일부 에너지는 불가피하게 폐열로 손실 된다고 설명합니다.  쉬운 예로 선풍기를 돌리기 위해 투입된 전기에너지는 그 에너지 100을 팬을 돌리는데 모두 쓰지 못하고 일부는 모터의 높아진 온도인 열 에너지로서 손실되는 것을 참고할 수 있겠습니다. 이 열로 변환된 에너지를 다시 원 상태로 돌려놓으려면 그 이상의 에너지가 필요합니다. 여기엔 차가워진 방 온도와 별도로 높은 전기세와 에어컨 실외기에서 뿜어져 나오는 높은 열을 생각하면 쉽겠죠. 이것은 결국 우주의 모든 에너지는 시간이 지남에 따라 열 에너지...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 고전 역학의 시초가 된 뉴턴 역학과 그 업적에 대하여 이해하기 쉽게 설명드릴께요! 1. 뉴턴 역학이란?(즉, 고전 역학이란?) 고전 역학이라고도 알려진 아이작 뉴턴의 역학은 물체의 움직임과 그 움직임을 유발하는 힘을 다루는 물리 이론입니다. 그것은 17세기 말 영국의 물리학자 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)에 의해 개발되었으며 인류의 물리학 분야에 가장 중요한 공헌 중 하나로 간주됩니다. 2. 대표 업적 하나! 뉴턴의 운동 법칙! 뉴턴의 역학은 물체에 작용하는 힘과 물체의 운동 결과 사이의 관계를 설명하는 세 가지 운동 법칙을 기반으로 합니다.    제1법칙 관성의 법칙 : 첫 번째 법칙은 정지한 물체는 정지 상태를 유지하고 운동 중인 물체는 힘이 작용하지 않는 한 등속 운동을 유지한다는 것입니다. 출발하는 버스에서 우리 몸이 뒤로 쏠리는 현상과 급정거하는 버스에서 우리 몸이 앞으로 쏠리는 현상 바로 이거죠!   제2법칙 가속도의 법칙 : 두 번째 법칙은 물체의 가속도는 물체에 적용된 알짜 힘에 정비례하고 질량에 반비례한다는 것입니다. 그 유명한 F=ma 공식! 간단히 물체를 움직이는 힘이 클수록 물체는 빠르게 움직이지만 물체가 무거울수록 그 힘은 더 크게 든다는 거죠!     제3법칙 작용 반작용의 법칙 : 세 번째 법칙은 모든 행동에 대해 동등하고 반대되는 반응이 있음을 나타냅니다. 쉽게 말해 벽을 주먹으로 치면 벽에 힘이 가해지지만 그 힘 만큼 벽도 나를 밀쳐내기에 내 주먹이 아프다는 거죠!ㅎㅎ 지금은 당연하게 생각하는 이것들을 뉴턴이 수학으로 공식화 한 것입니다. 3. 미적분학의 탄생! 운동 법칙 외에도 뉴턴은 물체의 운동을 설명하고 예측하는 데 필요한 수학적 도구를 개발했습니다. 그는 시간 경과에 따른 물체의 위치, 속도 및 가속도를 정확하게 계산할 수 있는 미적분학의 개념을 도입했습니다. 이 수학적 틀은 천체의...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 중세 시대의 물리학이 현대의 물리학에 미친 영향을 알아보겠습니다. 1. 중세 물리학이란? 중세 물리학은 5세기부터 15세기까지 중세 시대에 발달한 물리 이론과 개념을 말합니다. 이 시기는 고대 그리스 철학자들의 작품에 대한 관심이 되살아났고 그 전엔 없었던 자연 세계에 대한 새로운 생각들도 발전했습니다. 2. 기독교에 틀은 둔 중세 물리학 스콜라주의는 중세 시대의 지배적인 철학 및 과학 운동이었으며, 고대 그리스 철학자들의 사상과 기독교 신학을 조화시키는 것을 목표로 했습니다. 토마스 아퀴나스(Thomas Aquinas, 1225-1274)와 같은 스콜라 학자들은 물리학과 자연 철학에 대해 광범위하게 저술했으며 고대 그리스인들의 업적을 보존하고 발전시키는데 도움을 주었습니다. 3. 운동에 대한 이해. 즉, 물리학의 시작! 중세 물리학자들은 운동에 대한 현재 우리의 이해에 중요한 공헌을 했습니다. 그들은 운동량, 힘 및 가속도에 대한 초기 아이디어를 개발했으며, 운동은 물체가 자연 상태로 돌아가려는 경향의 결과라고 제안했습니다. 중세 물리학자들은 또한 빛의 속도가 유한하다는 발견, 빛이 직선으로 이동한다는 생각, 굴절의 개념을 포함하여 빛과 광학에 대한 우리의 이해에 중요한 공헌을 했습니다. 4. 별과 행성은 원형 궤도를 돈다! 하지만 아직은 천동설... 중세 천문학자들은 지구가 우주의 중심에 있다고 주장한 고대 그리스의 천문학자 프톨레마이오스(100?-170?)의 체계 발전과 별과 행성이 원형 궤도를 돈다는 생각을 포함하여 하늘에 대한 우리의 이해에 중요한 공헌을 했습니다. 중세 물리학자들은 또한 열역학 법칙, 열의 성질, 기체의 거동을 비롯한 자연 현상을 이해하는 데 기여했습니다. 비록 기술적 한계와 기독교적인 생각의 틀에 대한 한계가 중세 시대 더 발전된 사상과 이론을 제한했지만, 중세에 고대 그리스 물리학에 대한 관심이 되살아나면서 그들의 작품을 보존하는 데 도움이 되었고, 그것들은 현대...