역학 이론의 변화

물리학의 한 분야인 역학은 고전역학, 양자역학, 상대성이론으로 나누어진다. 거시세계를 다루는 고전역학은 18세기에 뉴턴이 집대성하였다. 19세기말 발광체의 온도를 측정하려는 시도에서 출발한 ‘흑체복사’ 현상을 고전역학에 속하는 파동이론으로 설명할 수 없었다. 이 난제는 20세기에 빛을 포함한 전자파의 에너지가 불연속인 양자 형태로 존재한다는 개념을 막스 플랑크에 의하여 해결되었다. 그 후 여러 물리학자들이 플랑크의 연구를 계승 발전시켜 양자역학이 확립되었다. 미시세계의 물리학은 양자역학을 이용하여 잘 설명된다. 한편 빛의 속도가 언제나 일정하다는 실험 결과 역시 고전역학으로는 설명이 불가능하였다. 이 문제는 1905년에 아인슈타인이 등속도 운동을 다루는 특수상대성 이론을 발표한 후 해결되었다. 그는 연구를 계속하여 1916년에 보다 일반적인 가속운동에 적용될 수 있는 일반상대성이론을 발표하였다.

입자가 일정한 궤도를 따라 운동한다고 주장한 전통적인 뉴턴 역학에 따르면, 입자의 위치와 운동량을 정확하게 측정할 수 있다. 투수가 빠르게 던지는 공을 끝까지 제대로 볼 수 있는 사람은 드물지만, 고속도 카메라를 이용하면 공의 움직임을 추적할 수 있다. 우리가 매일 접하는 물체의 운동 역시 뉴턴이 집대성한 고전 역학에 의하여 진행되고 있다. 한편 19세기 말엽에 발견된 흑체복사는 빛의 파동설로는 해결될 수 없었다. 이 난제를 해결하기 위하여 막스 플랑크(1858-1947)가 양자 개념을 도입하였다. 그의 주장을 받아들인 여러 물리학자들이 계속 발전시키고 체계화시키는 과정에서 도입된 불확정성 원리에 의하면 입자의 위치와 운동량을 둘 다 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하다.

물론 불확정성은 우리가 일상적으로 경험하는 세계가 아닌 극미소의 세계 인 분자, 원자, 양성자, 중성자, 전자 및 기타 핵자들로 이루어진 미시 세계에서 일어나는 현상이다. 이런 소립자의 경우에, 소립자의 위치를 측정하기 위하여 입사된 빛의 영향을 받아 운동량이 변하게 되므로 소립자의 운동이 일정한 궤도를 따르지 않게 된다. 이 현상을 다르게 표현하면 소립자는 입자의 성질뿐만 아니라 파동의 성질도 가지고 있다고 해석된다.

빛의 속도가 빛이 진행하는 방향과 관찰자의 상태에 관계없이 일정하다는 현상이 19세기 말엽의 물리학자들을 곤혹스럽게 하였다. 이 난제에 대하여 오랫동안 해결책을 찾고 있던 아인슈타인(1879.3.14.~1955.4.18)이 드디어 상대성이론을 고안하였다. 상대성이론은 입자의 등속도 운동에 적용되는 특수상대성이론과 입자가 가속될 때의 운동을 설명하는 일반상대성이론으로 나누어진다. 난제로 남아있던 빛의 성질이 상대성이론에 의하여 명확하게 설명될 수 있다.

거시적인 물리현상의 이해에는 오늘날에도 고전역학이 사용되고 있다. 예를 들면 달로 여행한 우주선에서 필요하였던 일들, 우주공간에서의 도킹, 달로의 착륙 그리고 달에서의 이륙, 멀리 떨어진 토성의 위성인 타이탄으로의 탐사선 보내는 작업 등을 수행하기 위하여 고전역학을 이용하고 있다. 그러나 물질을 이루고 있는 소립자의 세계를 다루기 위해서는 양자역학의 적용이 필요하며 속도가 아주 빨라 거의 광속도에 근접할 경우와 중력이 지구에 비해서 아주 큰 주개열성, 백색왜성, 중성자성 및 블랙홀 등의 연구에는 상대성이론의 적용이 필수적이다. 역학이론에서 고전역학, 양자역학, 상대성이론은 공존하고 있는 패러다임들이다.