물리학 역사연구의 철학적 기초

[dhleepaul]

"내가 더 멀리 볼 수 있었다면, 그것은 오직 내가 거인의 어깨 위에 서 있기 때문이다." - 아이작 뉴턴[1].

고대부터 물질의 거동은 반성과 연구의 대상이 되어 왔습니다: 물체가 방출될 때 왜 떨어지는지, 왜 서로 다른 물질이 다른 성질을 보이는지 등입니다. 다른 큰 질문들로는 지구의 형태와 태양, 달과 같은 천체의 움직임과 같은 우주의 특성에 관한 것들이 있었습니다. 각 시대의 정신과 당시 방법론에 따라 이러한 현상들을 설명하기 위해 여러 관점과 이론이 제안되었다. 대부분은 처음에는 철학적 기초와 함의(때로는 종교적이거나 형이상학적 의미의 함의)를 지녔으며, 오늘날 의미의 체계적인 실험적 검증에 기반을 두었거나 전혀 그렇지 않았습니다. 하지만 천문 관측(처음에는 육안으로)은 항상 우주론 모델의 지침 역할을 해왔습니다. 마지막으로, 현재의 과학적 구조주의 형태에 도달하려면, 역사에서 자연사상 분야에서 지성이 여러 차례 도약을 이루었으며, 이는 과학적 방법의 선구자였다고 볼 수 있다.

고대 그리스 자연철학자들의 자연 해석

기원전 6세기, 고대 그리스 식민지 이오니아에서 자연철학자들이 등장하여 논리에 기반한 세계 해석을 했고, 당시로서는 선구적인 세계관을 갖게 되었다. 이오니아 자연철학자들은 본질적으로 유물론자였으며, 이는 그들의 이론이 물질적 사물을 통해 자연을 해석하는 데 기반했다는 뜻입니다. 이오니아 자연철학자들의 공통된 특징은 모든 물질이 동일한 원초적 구성 요소로 구성되어 있다고 가정했다는 점이다.

기원전 625년경에 태어난 탈레스는 물이 모든 것의 시작이라고 가설을 세웠다. 그는 지구가 물 위에 떠 있다고 믿었는데, 이는 현대 지구물리학의 인식과 크게 다르지 않다고 여겼으며, 기원전 585년 태양의 일식도 예측했다. 아낙시만드로스(기원전 610-546년)는 무한을 존재의 시작으로 간주했으며, 그에게 존재는 공간적 끝이 없고 시간적으로도 무한하며 질적으로 불확정적이었다. 무한은 물질적이었지만, 그에게는 어떤 경험적 물질과도 동일시되지 않았다. 이것은 우주적 과정의 시작이었으며, "무한에서 항상 그리고 무한으로 가는 모든 것은 마지막"이라는 모든 상반된 변형의 기반이었다.

아낙시메네스(기원전 560년부터 500년까지)는 아낙시만드르의 무한대 대신 공기를 채택했습니다. 그에게 세상의 다양한 현상은 공기의 응결과 희석으로 설명된다. 아낙시메네스는 가장 따뜻한 것을 가장 얇은 것과 연관지었고, 가장 차가운 것을 가장 밀도 높은 것과 연관 지었다. 이는 정성적 결정의 정량화로 발전하는 길을 열었으며, 이는 과학의 탄생과 발전에 필수적인 조건이었다.

헤라클레이토스.

이 외에도 에페소스에서 헤라클레이토스(기원전 544-484년)는 세계의 영원한 존재를 믿었다. 그에게 물질의 변화는 두 가지 상반되는 움직임, 즉 불-바다-땅과 땅-바다-불의 형태로 나타났다. 연결 고리는 불안정한 불꽃이었다: "모든 것은 불과 교환되고, 모든 것은 불로 교환된다. 마치 물건이 금과 교환되고, 금이 물건과 교환되는 것처럼." 그러나 헤라클레이토스는 끊임없는 변화에도 불구하고 세계에서 안정적인 요소인 비율을 제안했다. 그에 따르면 모든 변화는 동일한 비율('같은 단어')로 일어난다.

이오니아를 제외하면, 엘레아에서 파르메니데스는 이오니아 물리학과 헤라클레테스 관점에 반대했다. 그에게 자연 세계는 초경험적 현실에 종속되며, 이오니아인의 인식을 신념("독사스")으로서 버린다. 파르메니데스는 두 가지 연구 경로를 구분했다("디지시오스 거리"). 진리의 길은 존재가 존재하고 비존재가 없다는 가정에서 출발한다("존재하므로, 그것이 비존재이다"). 교리의 길은 심지어 무존재조차도 존재한다는 가정에서 출발한다("빚은 비존재이다"). 무존재를 알거나 표현할 수 없는데, 왜냐하면 "같은 지성이 존재하고 존재한다"는 이유 때문이다. 이 명제는 데카르트적 코기토(cogito)와 유사하며, 지성을 존재와 동일시한다. 파르메니데스에게 존재는 공간을 채우는 물질이고, 비존재는 공허다. 엘레아테스의 제노는 파르메니데스의 제자로서 사물의 다수성과 운동을 거부함으로써 파르메니데스 존재론을 옹호했다. 그의 방법은 동일한 전제에서 모순을 드러내는 것이었는데, 제노의 역설은 잘 알려져 있다. 아리스토텔레스는 제노를 변증법(논증법)의 발명가로 간주했다(논증법적 의미에서).

고대 그리스 수학자 아르키메데스는 역학과 정수역학에 관한 많은 정량적으로 정확한 연구를 작성했습니다.

프톨레마이오스(천문학)와 아리스토텔레스(물리학)의 연구도 일상적인 관찰과 자주 충돌했다. 예를 들어, 활에서 쏘아진 화살이 공중을 계속 날아가면, 아리스토텔레스가 주장한 "모든 물체의 물리적 상태는 정지"(즉, 몸을 움직이게 하려면 힘이 필요하다)와 모순된다.

자연 규칙의 수학적 기초로 가는 길

아이작 뉴턴

전통적 진리를 재검토하고 새로운 해답을 찾으려는 의지는 과학 혁명으로 알려진 번성하는 과학 활동의 시기로 이어졌다. 그 기원은 12세기와 13세기에 유럽인들이 아리스토텔레스의 필사본을 재발견한 데서 찾을 수 있습니다. 이 시기의 최고의 영광은 1687년 아이작 뉴턴이 출간한 『자연철학의 수학적 원리』(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)였다.

대부분의 역사가들(예: 하워드 마골리스)은 과학 혁명의 시작을 1543년으로 본다. 폴란드 천문학자 니콜라우스 코페르니쿠스의 『천구의 회전에 관하여』의 첫 번째 사본이 출판된 때였다이 책은 12년 전에 쓰였으며(이 책은 그의 사망 당일에야 출판되었다). 책에는 지구가 태양을 공전하며, 태양의 축을 중심으로 자전한다고 명시되어 있습니다.

이 시기의 다른 중요한 업적으로는 갈릴레오 갈릴레이, 크리스티안 호이겐스, 요하네스 케플러, 블레즈 파스칼 등이 주목받았다.

17세기 초, 갈릴레오 갈릴레이는 자연 이론을 검증하기 위한 실험적 방법을 개척했으며, 이는 과학적 방법의 핵심이 되었다. 갈릴레오는 동역학 분야에서 여러 가설, 특히 관성의 법칙을 성공적으로 공식화하고 문서화했다. 1687년 뉴턴은 『자연철학의 수학적 원리』라는 저서를 출판하여 두 가지 포괄적이고 성공적인 물리 이론을 상세히 확립했다: 고전역학이 발전한 뉴턴의 운동 법칙; 그리고 중력의 근본적인 힘을 설명하는 뉴턴의 만유인력 법칙. 두 이론 모두 실험과 잘 일치했다. 그러나 『수학적 원리』에는 유체역학에 관한 여러 이론도 포함되어 있었다. 고전 역학은 이후 라그랑주, 해밀턴 등에 의해 크게 확장되어 새로운 형식주의, 원리, 결론을 제시했다. 지구 중력 법칙은 천체물리학의 한 분야를 개척했으며, 이는 물리 이론에 기반한 천문학적 현상을 설명한다.

뉴턴이 고전역학을 기초한 후, 물리학의 다음 주요 연구 분야는 전기의 본질에 관한 것이었다. 17세기와 18세기에 로버트 보일, 스티븐 그레이, 벤자민 프랭클린 같은 과학자들의 관측은 이후 연구의 기초를 마련했다. 또한 이러한 관찰은 전하와 전류에 대한 기본적인 이해로 이어졌다.

제임스 클라크 맥스웰

1821년 마이클 패러데이는 자기 연구와 전기 연구를 통합하여 움직이는 자석이 도체에 전류를 유도한다는 실험을 보여주었습니다. 패러데이는 또한 나중에 전자기장으로 불리는 물리적 개념을 고안했다. 제임스 클러크 맥스웰은 1864년에 이 아이디어를 발전시켜 전기장과 자기장 간의 상호작용을 설명하는 20개의 결합 방정식 시스템을 고안했다. 이 20개의 방정식은 이후 벡터 미적분을 이용해 네 개의 방정식으로 축소되었다.

현대 물리학

1921년의 알버트 아인슈타인

일반적인 전자기 현상을 넘어, 맥스웰 방정식은 빛을 설명하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 관찰은 1888년 하인리히 헤르츠가 전파를 발견하고, 1895년 빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견하면서 확인되었다. 전자기장으로 빛을 설명한 것은 알버트 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 출판하는 계기가 되었다. 이 이론은 고전 역학과 맥스웰 방정식을 통합했다. 특수 상대성 이론은 공간과 시간을 하나의 실체, 즉 시공간으로 통합합니다. 상대성 이론은 고전 역학보다 관성 기준계 간 변환의 새로운 규칙을 정의한다; 이는 고전역학을 대체하는 상대론적 역학의 발전을 전제로 한다. 저속(상대적) 속도 영역에서는 두 이론이 일치합니다. 아인슈타인은 중력을 계산에 포함시켜 특수 상대성 이론을 확장했다. 그는 1915년에 『일반 상대성 이론』을 출판했다.

팽창하는 우주의 도표

일반 상대성 이론의 일부는 아인슈타인의 장 방정식입니다. 이들은 에너지-운동량 텐서가 시공간을 굽히는 방식을 설명하며, 측지선 방정식과 결합되면 일반 상대성 이론의 기초를 형성합니다. 아인슈타인의 장 방정식을 더 발전시켜 빅뱅, 블랙홀, 그리고 팽창하는 우주를 예측하는 결과를 낳았다. 아인슈타인은 (대부분의 동시대인들처럼) 정적인 우주를 믿었고, 이를 위해 자신의 방정식을 수정하려 시도했다. 하지만 1927년까지 천문학자들은 우주 팽창에 대한 단서를 찾기 시작했고, 실제로 1929년 에드윈 허블에 의해 발견되었습니다.

18세기 이후로 로버트 보일, 토머스 영 등 많은 이들이 열역학의 발전을 시작했다. 1773년 베르누이는 통계적 논증과 고전 역학을 결합하여 열역학적 결과를 추론하며 통계역학 분야를 개척했다. 1798년 벤자민 톰슨은 기계적 일을 열로 변환하는 것을 입증했고, 1847 년 제임스 줄은 열과 기계적 에너지 양쪽에서 에너지 보존의 (총) 보존 법칙을 공식화했다.

1895년 뢴트겐은 X선을 발견했으나, 결국 이는 고주파 전자기 복사에 불과했다. 방사능은 1896년 앙리 베크렐에 의해 발견되었고, 마리 퀴리, 피에르 퀴리 등에 의해 추가 연구 가 이루어졌습니다. 이것이 핵물리학 분야가 시작된 방식입니다.

1897년, J.J. 톰슨은 전기 회로에서 전류를 운반하는 기본 입자인 전자를 발견했습니다. 1904년에 그는 (대중적인) 건포도 빵 모델로 알려진 최초의 원자 모델을 제안했다. (원자의 존재는 이미 1808년 존 달튼에 의해 제안된 바 있다.)

앙리 베크렐은 1896년에 우연히 방사능을 발견했다. 다음 해, 톰슨은 전자를 발견했다. 이러한 발견들은 원자가 물질의 궁극적 근본 구성 요소라는 많은 물리학자들의 가정을 반박했고, 원자 구조에 대한 추가 연구를 촉진시켰다.

1900년, 막스 플랑크는 흑체 방사선 현상에 대한 설명을 발표했다. 그의 방정식은 방사선이 본질적으로 양자화되어 있으며, 즉 이산 패킷으로 방출된다고 가정했다. 이 가설은 양자역학이 될 건축물의 첫 논거였다.

1920년대에 에르빈 슈뢰딩거, 베르너 하이젠베르크, 막스 보른은 양 자 이론의 논리적 후속 개념으로서 물질의 화학적 거동에 대한 일관된 그림과 원자 전자 구조에 대한 완전한 이론을 공식화하는 데 성공했다. 줄리안 슈윙거, 신-이티로 토모나가, 리처드 파인만은 1940년대까지 양자장 이론과 양자 전기역학을 이용해 램 이동을 설명할 수 있었다. 1959년 파인만은 원자 수준에서 물질을 조작할 수 있다고 가설을 세우며 나노기술 분야를 시작했다.

1911년, 러더퍼드(어니스트 러더퍼드)는 산란 실험을 바탕으로 양전하를 띤 양전하 성분인 양성자로 구성된 조밀하고 매우 밀도 높은 원자핵의 존재를 결론지었습니다. 중성자, 즉 핵의 중성(전하 없음) 성분은 1932년 제임스 채드윅에 의해 발견되었습니다.

질량과 에너지의 동등성(아인슈타인, 1905)은 제2차 세계대전 중 두 진영이 핵물리학 연구를 진행하며 핵폭탄 제작을 목표로 극적으로 검증되었다. 하이젠베르크가 주도한 독일 프로젝트는 실패로 끝났고, 연합군 맨해튼 계획은 목표를 달성했다. 미국에서는 엔리코 페르미가 이끄는 팀이 1942년에 최초의 인공 핵 연쇄 반응을 만들어냈고, 1945년에는 뉴멕시코 알라모고르도 근처 트리니티 지역에서 세계 최초의 핵폭발물이 폭발했다.

1900년 이후 플랑크, 아인슈타인, 보어 등은 다양한 '이상 현상' 실험 결과를 설명하기 위해 양자 이론을 발전시키기 시작했고, 이산적인 에너지 준위를 도입했다. 하이젠베르크는 1925년, 슈뢰딩거와 디랙은 1926년에 형식적으로 양자역학을 공식화하여 이전의 양자 이론들을 명확히 했다. 양자역학에서 물리적 측정 결과는 본질적으로 확률적이며; 이론은 이러한 확률을 계산하는 방법을 제공합니다. 이 연구는 미시적 규모에서 물질의 거동을 성공적으로 설명합니다.

현대 물리학 분야

양자역학은 또한 결정 구조, 반도성, 초전도 같은 현상을 포함한 고체와 액체 물체의 물리적 거동을 연구하는 물리적 응집물질을 연구할 수 있는 이론적 도구를 제공했습니다. 응집물질의 선구자 중 한 명은 1928년에 결정 구조 내 전자의 거동을 양자역학적으로 기술한 펠릭스 블로흐(Felix Bloch)입니다.

양자장 이론은 특수 상대성 이론과 양립할 수 있도록 양자역학을 확장하려는 의도로 공식화되었다. 이 영화는 1940년대 후반에 파인만, 줄리안 슈윙거, 토모나가, 프리먼 다이슨의 노력 덕분에 현재의 형태로 완성되었습니다. 그들은 전자기 상호작용을 설명하는 양자 전기역학 이론을 공식화했다. 양자장 이론은 다음을 제공했다. 자연의 근본적인 힘과 기본 입자를 연구하는 현대 입자물리학의 개념적 틀. 1950년대에 양 씨씨와 리씨 씨는 아원자 입자의 붕괴에서 예상치 못한 비대칭성을 발견했다. 1954년, 첸닝 양과 로버트 밀스는 표준 모형의 개념적 틀을 제공하는 계층 이론 계열을 개발했다. 표준 모형은 1970년대에 완성되었으며, 지금까지 관측된 거의 모든 기본 입자를 성공적으로 기술합니다.

20세기 물리학의 두 주요 이론인 일반 상대성 이론과 양자역학은 현재 서로 양립할 수 없습니다. 일반 상대성 이론은 우주를 행성과 행성계 규모로 설명하는 반면, 양자역학은 아원자 규모에서 적용됩니다. 이 간극은 끈 이론에 의해 메우려 하는데, 끈 이론은 시공간을 점들이 아닌 1차원 객체, 즉 끈(String)의 다중성으로 다룬다. 이 화음들은 일반적인 화음과 유사한 성질(예: 장력과 진동)을 가집니다. 이들은 유망한 이론이지만, 아직 실험적으로 통제 가능한 결과를 내지 못했습니다. 끈 이론을 실험적으로 확인하기 위한 연구가 진행 중입니다.

유엔은 2005년을 세계 물리학의 해로 선포했습니다.

참고문헌

1. 로버트 훅에게 보내는 편지 (1676년 2월 15일, 그레고리성력 계산에 따르면 1월 1일을 새해 첫날로 간주함. 율리우스력으로 1675년 2월 5일, 3월 25일이 새해 첫날에 해당)