물리학이란 무엇인가?

이 책의 정체는 양자물리학의 배경지식을 파악하기 위한 '물리학 개론서'라고 할 수 있다.

1장 원자가설

이 세상에 존재하는 모든 사물은 원자로 구성되어 있다. 이러한 원자는 일정한 거리에서 인력이 작요하며, 매우 근접한 거리에 이르면 전하적 성질에 의해 서로를 밀어내는 힘이 작용하게 된다. 물의 독특한 특성(액체, 고체, 기체)을 사례로 들으며 원자가설을 구체적으로 설명한다.

2장 기초 물리학

물리학 이론은 1920년 대 이전과 이후로 크게 나눌 수 있고 전 시대는 뉴턴의 만유인력이 이후는 아인슈타인의 상대성 이론 물리학의 발전을 이끌었다. 뉴턴과 다른게 아인슈타인은 3차원 공간에 시간의 차원을 추가 함으로서 시공간이라는 새로운 개념을 정착시켰다. 현재는 사물의 미시 세계를 다루는 양자물리학이 자리매김 했으며, 원자의 핵속의 운동과 법칙(핵력)을 발견하기 위한 과학자들의 많은 노력을 기울이고 있으나 알게된 것은 미비하다고 할 수 있다.

양자역학에 의하면, 우리는 임의의 물체의 위치와 빠르기(속도)를 ‘동시에’ 정확하게 알 수 없다. 운동량(질량 × 속도)의 불확정성과 위치의 불확정성은 서로 상보적 관계(한쪽이 커지면 다른 한쪽이 작아지는 관계)에 있으며, 이들을 곱하면 항상 어떤 특정 상수보다 크거나 같다.

3장 물리학과 다른 과학과의 관계

화학, 생물학, 천문학, 지질학, 심리학에서 물리학은 기존의 자연과학과 유산한 ‘산파’ 역할을 하며 여타 과학 분야 발전의 반석이 되었다. 물리학 자체도 다른 과학과의 교류를 통해 새로운 분야로 뻗어 나갈 힘을 얻은 것은 당연했다.

4장 에너지의 보존

물리학에서 발견한 에너지에는 다음과 같은 종류가 있다. 1) 중력에 의한 위치에너지 2) 운동에너지 3) 다른 형태의 에너지 (탄성에너지, 열에너지, 전기에너지, 복사에너지, 화학에너지, 질량에너지)로 구분할 수 있다. 에너지 보존법친을 포함하여 자연계에 존재하는 보존법칙으로 현재까지 여섯 가지가 발견되었다. 선운동량 보존법칙, 각 운동량 보존법칙, 전하 보존법칙, 바리온 보존법칙, 렙톤 보존법칙

5장 중력

케플러의 법칙에서 발전한 뉴턴의 중력(만유인력)의 법칙은 전 우주 사물의 운동원리를 간단한 명제로 정확히 설명한 위대한 업적이었다. 달과 지구의 관계에 이 법칙을 적용하여 논리적인 설명이 가능하다. 뉴턴의 중력법칙에 의해 달은 지구에 지구는 달에 서로에게 떨어지고 있다. 이러한 만유인역의 법칙은 범 우주적으로 적용됨이 밝혀졌다. 태양계를 넘어 은하는 물론 성단간에도 중력은 존재한다. 중력상수 G를 계산하게 되고, 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학 과의 통합문제가 남아있다.

6장 양자적 행동

양자역학(quantum mechanics)이란, 물질과 빛이 연출하는 모든 현상을 서술하는 도구이며, 특히 원자 규모의 미시세계에 주로 적용된다. 이는 총알 실험, 파동 실험, 전자(electron) 실험, 전자파동의 간섭 실험을 통해 양자역학의 원리, 불확정성원리를 도출하게 된다. 위의 실험에서 가장 수긍하기 사실은 “우리가 전자를 바라보고 있다는 것을, 생명체도 아닌 전자가 알아채는 것처럼 보이는 실험 결과이다.” 그리고 이러한 배후 법칙은 아직 없다.

고전역학과의 차이도 바로 이 지점에서 발생하는데 전자의 어디로 도달할 것인지를 정확히 예측하는 방법은 없다. 오직 확률만을 예측할 수 있을 뿐이다. 결국 불확정성원리는 양자역학을 유지하는 일종의 보호장치이다. 결국 하이젠베르크는 “위치와 운동량을 매우 높은 정확도로 동시에 측정할 수 있다면 양자역학은 붕괴된다”고 주장하며 정확한 측정이 불가능할 수밖에 없다는 결론에 도달했다.