물리학 I(1)

서론

물리는 만물의 이치를 탐구하는 학문으로 자연과학의 수많은 분야의 시작이라고 할 수 있다. 이러한 물리는 고대에서부터 시작되어 현재까지 이어지고 있다. 고대에서는 철학자 등 다양한 사람들이 우리가 살아가는 이 세상이 어떻게 만들어지고 구성되어 있는지, 세상을 구성하는 물질이 어떠한 법칙에 의해 운용되는지에 대한 탐구가 중심이 된다. 이러한 흐름은 고대 그리스의 철학자, 유대인들의 구약 성경, 그리고 동양의 음양오행 사상을 보면 느껴질 것이다. 한 예로 고대부터 현대까지 이어져 온 '세상의 모든 물질은 어떻게 구성되는가?'에 대해 알아보자.

고대 그리스의 아리스토텔레스와 같은 철학자들은 세상을 구성하는 물질이 불, 물, 흙, 공기라는 4가지 원소로 이루어져 있다는 사원소설을 주장하며 주류로 자리 잡았다. 이와 달리 당시 모든 물질은 더 이상 쪼개어지지 않는 어떤 물질로 이루어진다는 원자설을 주장한 데모크리토스는 주류가 되지 못하고 서서히 잊히게 되었다. 그러나 이후 데모크리토스의 원자설은 많은 물리학자들에 의해 다시금 살아났다. 현재에는 모든 물질은 원자핵과 전자로 이루어진 원자의 결합에 의해 만들어지며, 원자를 구성하는 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되며, 양성자와 중성자는 다시 쿼크라는 소립자에 의해 구성된다고 설명한다.

이렇듯 물리학이라는 학문은 다른 학문들과 마찬가지로 끊임없이 변화해 왔다. 필자 개인적으로는 물리학의 가장 큰 패러다임의 변화는 뉴턴이 미분을 발명하고,^[각주:1] 미적분으로 자연현상을 설명하면서라고 생각한다. 뉴턴의 미적분 발명 이후 물리학은 정적인 자연현상의 설명에서 동적인 자연현상의 설명으로 나아갔다. 현재는 몇 가지 변수로는 설명하기 어려운 자연현상이 존재함을 알게 되었고, 이를 설명하기 위해 확률이라는 무기를 들고 나왔다. 이는 주로 양자역학이나 복잡계를 설명하기 위해 사용된다. 자연현상을 설명하기 위한 물리학의 도구의 변화는 앞으로도 계속될 것이다.

그러나 이러한 도구의 변화는 더욱 깔끔하고 간단하게 현상을 설명하기도 하지만 그만큼 배워야 할 내용이 많아져 어렵게 느껴지기도 한다. 이것이 많은 학생들이 물리를 기피하는 주된 원인이라고 생각한다. 그러나 물리 또한 여타 학문처럼 흥미로운 내용과 개념이 많고, 여전히 새로운 것, 우리가 모르는 것이 많다. 즉, 다시 말해 우리가 새로이 찾아낼 수 있는 부분이 무궁무진하게 남아있다는 의미이다. 필자는 이러한 부분에서 큰 흥미를 느껴 물리를 배워왔고, 또 배워가고 있다.

이러한 물리학의 흥미를 고등학생들에게 전달하기 위해, 그리고 고등학교의 물리를 다시금 배우고 싶어하는 이들을 위해 시리즈 <물리학 I>을 시작한다. 본 시리즈에서는 먼저 과학의 가장 기본이 된다고 할 수 있는 단위로 시작하여, 고등학교에서 나오는 고전역학에 대하여 다룬 후, 특수상대성이론과 파동에 대해 고등학교 영역 내에서 다루고자 한다.

미분적분학 발명은 바퀴나 활자 인쇄의 발명만큼 극적이고 혁명적인 효과를 가져왔으며 그야말로 중력 등 보이지 않는 것을 볼 수 있게 한 것이다.

-케이스 데블린 <수학의 언어> 中