에과09: 진화론과 전자기학

에피소드 과학철학

아홉째 주: 진화론과 전자기학

진화론: 그 이전 창조론의 시대

18세기까지 사람들은 모든 생물의 종(種)은 신이 따로따로 창조하여 현재까지 그대로 유지되었다고 하는 창조론을 믿었다. 이러한 이론은 사실 우리의 상식적인 경험과도

일치한다. 사람은 사람을 낳고, 개는 개를 낳고, 토마토씨를 뿌리면 토마토가 자라고... 그러나 과학적 지식이 쌓이고, 세상이 점점 좁아지고, 이전에 알려져 있지 않던 새로운 생물들이 발견되면서 학자들은 이제까지의 이론이

틀렸을지도 모른다는 생각을 하게 된다.

진화론: 린네

생물들의 새로운 분류체계를 세워 유명해진 린네 (Carl von Linné, 1707-78)조차 당시 새로 발견되는 생물 종 분류의 어려움을 느끼면서,종들 사이의 구분이 이제까지 생각과는 다르게 확실하지 않고 종이 변화하는 것일지도 모른다는 생각을 하게 된다.

진화론: 라마르크의 용불용설

라마르크(Jean Baptiste Lamarck, 1744~1829)는 동물의

비교 해부를 하면서 진화사상의 기초를 만든다. 그는 자신의 연구결과를 토대로 생물이 주위 환경에 적응하는 과정에서 형질을 획득하고, 그 형질을 다음 자손에게 물려주는 것을 통해 종이 변화한다는 이론을 만든다.

진화론: 지질학과 인구론

19세기에 이르러 지질학이 새로운 학문으로 자리잡았다. 이를 통해 발견된 화석들은 짧은 시간 동안에는 불가능한 일도 몇 십만년 오랜 시간을 통해서는 가능할지 모른다는 생각을

낳았다. 또 다윈은 당시 출간된 맬더스 (Thomas R. Malthus, 1766-1834)의 『인구론』 (1798)의 영향을 받는다. 이 책에 의하면 전쟁, 전염병, 기아 등이 없다면 농경, 의학, 기술의 진보에 의해 인구증가가 과도하게 일어날 것이다. 다윈은 재앙이 인구를 조절하는 것처럼 환경에 잘 적응하는 종이

경쟁에서 살아남는다는 ‘자연선택’이란 생각을 떠올리게 된다.

진화론: 비글호

1831년 영국 해군성은 2년 예정으로 남아메리카, 태평양, 동인도제도의 수로를 조사하고, 전 세계 여러 곳의 경도를 측정하기 위해 비글호를 바다에 띄우기로 결정한다. 다윈은 비글호에 승선할 기회를 잡아 진화론의 실증적 기초를 마련 하게 된다. 비글호는 영국을 떠난지 5년 후에야 돌아온다.

다윈은 관찰한 것, 느낀 점을 꼼꼼히 적어『비글호 항해기』

(The Voyage of the Beagle) (1839)를 출간했고, 이 때의 경험과 자신의 지식을 바탕으로 생물진화에 대한 생각을

『종의 기원』 (1859)으로 정리하여 발표한다.

진화론: 갈라파고스 제도

그는 여행 중 5주 동안 갈라파고스 제도에 머물렀다.

진화론의 섬이라고도 불리는 이 섬들은 육지로부터 멀리 떨어져 있고, 해류와 바람이 장벽 역할을 하기 때문에

대륙으로부터 동식물의 유입이 힘든 곳이다. 또한

갈라파고스 제도는 인간이 없었기 때문에 생물들은 인간의 영향을 받지 않고 진화할 수 있었다. 그래서 갈라파고스 각 섬들의 동식물은 독립적 진화과정을 거쳐 서로 약간씩

달라진 모습을 보여주고 있었다.

진화론: 갈라파고스 제도 (계속)

다윈은 갈라파고스 여러 섬의 생물들을 관찰하면서, 같은 계통의 생물들이 조금씩 다른 환경에서 진화할 때 나타나는 차이점들을 연구함으로써 진화에 대한 확실한 생각을 가질 수 있었다. 이 결과 그는 생물의 계통성을 중심으로 새로운 종의 기원, 즉 새로운 종이 형성되는 과정을 설명했다. 그는 유전학의 지식이 없이 순전히 관찰만으로 (i) 자연계의

생물들 가운데 생존경쟁을 통해 자연에 보다 잘 적응하는 것이 선택되어 남고, (ii) 선택된 생물의 종의 형질이

유전되어 진화가 이루어진다는 생각을 하게 된 것이다.

진화론: 사회문화적 영향

다윈은 진화론이 가진 혁명성을 잘 알았다. 그는 그 이론을 발표하기 전에 다양한 증거자료들을 수집했고, 덕분에

이전에는 받아들이기 힘들었던 진화론을 당시 지식인들이 받아들이게 됐다. 프로이트는 썼다: “인류는 역사상 두

차례에 걸쳐 과학의 손에 의해 중대한 모욕을 당했다.

첫번째는 우리 지구가 우주의 중심이 아니라, 상상하기조차 어려운 큰 규모의 우주 안의 한점 티끌에 지나지 않음을

깨달았을 때였다. 두번째는 생물학의 연구로 말미암아 신의 피조물로서의 인간의 특권을 강탈당하고, 동물계의 한

후손의 자리로 격하되었을 때였다.

내연기관: 내연기관과 외연기관

열에너지를 사용하여 기계적인 일을 얻는 장치를 열기관 (heat engine)이라 한다. 열기관은 내연기관과 외연기관이 있다.

내연기관: 외연기관의 단점

외연기관은 실린더 외부에서 연료를 태우는 것을 말하며 대표적인 것으로 증기기관이 있다. 증기기관은 산업혁명의 원동력이 되었지만 부피가 크고 효율도 낮았으며, 보일러의 폭발사고가 잦아 취급하기가 상당히 어려웠다. 이러한

이유로 더 작고 취급도 편리하고 안전할 뿐 아니라 효율도 높은 새로운 열기관이 요구되었다.

내연기관: 내연기관의 발전 배경

내연기관은 기관 내부에 연소장치를 설치하고 여기에서 나오는 열을 일로 바꾸는 장치이다. 대표적인 것으로

피스톤식 왕복기관이 있고, 가스기관, 가솔린기관,

디젤기관, 제트기관 등이 있다. 내연기관은 외연기관인 증기기관보다 늦게 실용화되었지만 실제로 그 연구는

일찍부터 있었다. 17세기와 18세기에 걸쳐 연료를 실린더 내에서 연소시켜 발생한 열에너지를 기계적 에너지로

변환시키고자 하는 시도는 계속 있어왔고, 증기기관이

실용화된 이후에야 비로소 내 연기관으로 발전시키는 것이 가능해졌다.

내연기관: 르누아르: 압축이 필요해!

세계 최초의 내연기관은 1860년 벨기에의 발명가인

르누아르(J. E. Lenoir, 1822-1900)에 의해서 제작되었다.

그는 증기기관을 본떠 조명용 가스를 연료로 사용하며 전기로 점화시키는 2행정 복동(複動)식* 내연기관을 만들었다. 그러나 점화 전에 실린더 안의 혼합기체를

압축시키지 않았기 때문에 열효율은 3-4%로 상당히 낮았다.

*복동(複動)식이란 피스톤이 움직일 때 둘 이상의 행정을 한꺼번에 처리하는 방식을 말하는 것이고, 단동식(單動)은 그 반대다.

내연기관: 오토: 단동식 4행정 기관

이후 1876년 독일의 오토(N. A. Otto, 1832-91)는 현재와

같은 식의 단동(單動)식 4행정기관을 만들어 특허를 받았다.

이것은 열효율이 14%에 이르렀으며, 오늘날 사용되는 자동차 엔진의 원형이다. 그러나 이 기관은 가스를

사용하였기 때문에 대형설비가 필요하다는 문제점이 있었다. 이는 특히 운송기관용으로는 적합하지 않았다.

내연기관: 다임러: 기화기

1883년 다임러(G. Daimler, 1834~1900) 등은 기화기를 고안하여 이를 장착한 가솔린엔진을 처음 만들었다. 또한 그는 엔진을 작고 가볍게, 그리고 회전수를 높여 고속으로 만들었고, 이를 자전거에 설치할 수 있는 특허를 받아 세계 최초로 오토바이를 만들었다. 또한 같은 해에 칼 벤츠도 비슷한 엔진을 만들어 3륜차에 이용했다.

내연기관: 단동식 4행정 기관 (현대)

1 - 흡기, 2 - 압축, 3 - 폭발, 4 - 배기.

파란 쪽이 흡기 측면이고 갈색 쪽이 배기

측면이다.

내연기관: 셀덴: 복동식 2행정 기관

한편 4행정기관보다는 일찍 고안되었지만 효율이 낮아 실용화가 늦어진 2행정기관은 1877년 셀덴 (J. Selden) 이 특허를 받았고, 1878년 영국의 클라크(D. Clack) 에 의해

실용적으로 완성되었다. 이후 1891년에 현재 사용되고 있는 형태와 같은 크랭크실 압축형이 완성되었다. 2행정기관은 4행정기관에 비해 간단하고 회전능률이 높아 오토바이 등 소형 운송기관에 주로 사용된다.

내연기관: 복동식 2행정 기관 (현대)

피스톤이:

상승할 때- 압축, 흡기 하강할 때-

폭발, 배기

전자기학의 기본방정식

전자기학을 네 개 방정식으로 완벽하게 표현한 맥스웰

(James Clerk Maxwell, 1831-79)은 천재적인 수학자였다.

그는 패러데이가 했던 실험활동에 관심을 두고 상세하게 분석하면서 뉴턴의 미적분법을 적용하여 전기와 자기 사이의 연관성을 수학적으로 나타내었다. 이 방정식들은 전기와 자기의 힘을 전자기력 하나로 표현한다.

전자기현상의 모든 면을 통일적으로 기술한 이 식들은 아인슈타인의 특수상대성원리가 나오게 하는 배경을 제공하기도 했다.

광학과 전자기학의 통합

또한 그는 자기장의 변화와 전기장의 변화가 파동을

만들어냄을 발견하고, 이때 발생하는 파를 전자기파라고 이름붙인 후 속력까지 계산했는데, 빛의 속도와같았다.

이것은놀라운 일이었고, 이 사실은 빛이 전자기파라는

결론까지 이끌어낸다. 따라서 그의 가장 큰 업적은 광학이 전자기학의한 분야라는 것을 밝힌 것이다.

멘델의 유전법칙: 유전학이란?

생물은 특이한 형태와 기능적인 특징을 나타내는

유전형질을 가지고 있다. 부모로부터 그 자손에게 특정한 형질이 전해지는 현상을 유전(heredity)이라고 부른다.

이러한 유전현상과 유전물질(유전자)의 기능, 형질의 변이 등을 연구하는 학문 분야를 유전학(genetics)이라고 한다.

멘델의 유전법칙: 멘델의 발견의 의의

오늘날의 유전학은 오스트리아 수도사였던 멘델(Gregor Mendel, 1822-84)이 유전에 대한 통계적 · 수학적 기초를 정립했을 때 시작되었다. 이것은 다윈이 생각하지 못한 또 다른 과학적 접근방법으로, 생물이 환경의 변화에 적응하는 과정에서 생존에 유리한 형질이 후손에게 어떻게

전달되는지를 밝힌 것이었다. 그 이전에도 몇몇 학자들이 식물 잡종에 관한 연구를 통해 부모의 형질이 자손으로 전해진다는 사실을 알아냈지만 , 체계적이고 심층적인 연구는 멘델이 처음 시작하였다.

멘델의 유전법칙: 실험방법

멘델이 완두를 연구재료로 선택한 것은 완두가 주위 환경에 강하고, 성장도 빠르고, 변이들간에 차이가 분명하므로

유전현상을 관찰하기에 매우 적합했기 때문이다. 우선 2년 가까이 완두를 길러 7가지 두드러진 특질을 지닌

순종가계를 만들었다: (1) 완두종자의 모양, (2) 그 껍질의 색, (3) 줄기의 길이, (4) 꽃이 달린 위치, (5) 꽃잎의 색 , (6) 콩깍지의 색과 (7) 콩깍지의 모양 등이 그 형질들이다.

멘델의 유전법칙: 우열의 법칙

순종의 부모를 교배시켰을 경우 바로 첫번째 후손인 잡종 제 1 대(F1)에 나타난 형질을 우성이라 하고, 나타나지 않은

형질을 열성이라고 한다. 이때 F1에서 우성형질만 나타나는 현상을 ‘우열의 법칙’이라고 한다.

즉 짝을 이루는 대립되는 유전형질 가운데 하나는 언제나 우성이고 다른 하나는 열성이라는 것이다.

멘델의 유전법칙: 분리의 법칙

또한 멘델은 어떠한 형질적 특성을 나타내는 유전인자들은 쌍을 이루고, 이들은 아버지와 어머니로부터 각기 하나씩 유전된 것이며, 생식세포가 형성될 때에는 쌍을 이루고 있는 인자들이 서로 분리된다고 하였다. 이것을 ‘분리의 법칙’

이라 한다.

앞의 F1개체의 자가수정(같은 F1끼리 교배시키는 것)에서 F2를 얻을 때 우성과 열성의 대립인자는 하나씩 나뉘어져서 양자택일로 유전된다는 것이다.

멘델의 유전법칙: 독립의 법칙

그리고 각각의 특질은 다른 특질에 대해 독립적으로 작용하는 것을 ‘독립의 법칙’이라 한다.

% 여러 유전자가 연관되어 유전형이 발현될 경우에는 독립의 법칙이 지켜지지 않을 수 있다. 사람의 피부색과 같은 유전 형질은 수 많은 유전자가 연관되어 발현하기 때문에 예외가 된다.

열역학 제2법칙과 엔트로피:산업적 배경

19세기 초 프랑스에서는 영국산업혁명의 영향으로

열에너지를 역학적 에너지로 바꾸어 주는 열기관에 관심이 많았다. 열기관을 동력으로 사용하는 공장의 소유주들은 적은 돈을 사용하여 많은 이익을 남기기 위해 열효율이 높은, 즉 적은 화석 연료의 사용으로 많은 일을 하는

열기관을 만들고자 했다. 이에 따라 열기관을 다루는 기계공의 역할이 중요했고, 이들은 우수한 성능을 가진 열기관을 만들기 위해 노력하게 되었다. 뿐만 아니라

열기관의 기본 원리와 열의 전달과 홉수, 이에 따른 온도 변화 등을 수학적으로 표현할 필요성이 생겼다.

열역학 제2법칙과 엔트로피:카르노

이에 따라 열기관을 다루는 기계공의 역할이 중요했고, 이들은 우수한 성능을 가진 열기관을 만들기 위해 노력하게 되었다. 뿐만 아니라 열기관의 기본 원리와 열의 전달과 흡수, 이에 따른 온도 변화 등을 수학적으로 표현할 필요성이 생겼다. 이에 프랑스의 물리학자이자 전문 기술자였던 카르노는 1824년 「열의 동력에 대한 논문」에서 “열기관의 최대 효율은 그 열기관을 구성하는

부품들의 두 온도만의 함수가 된다" (카르노의 정 리)고 발표했다.

(수식으로 표현하면 (T_H-T_c)/T_H이 된다; 여기서 T_H은 높은 온도, T_C는 낮은 온도이다.)

열역학 제2법칙과 엔트로피:카르노

(도형)

열역학 제2법칙과 엔트로피:톰슨

영국의 톰슨(W. Thomson, 또는 Kelvin경, 1824-1907)은 주위로부터 방출된 열을 다시 흡수해서 일을 하는 것은 불가능하다는 것을 바탕으로 카르노의 정리를 증명했다.

예를들면 거친 면 위에서 운동하는 물체는 지속적인 마찰력의 작용으로 인해 언젠가 정지하며, 가지고 있던 운동에너지는 마찰열로 방출한다. 그러나 이 물체가 운동하면서 공기중으로 방출했던 마찰열을 모두 다시 홉수할 수만 있다면 정지하지 않고 계속 운동할 수 있을 것이다. 물론 이런 일은 자연에서 일어나지 않는다.

열역학 제2법칙과 엔트로피:

클라우지우스

이런 식으로 정리된 열역학 제 2법칙은 클라우지우스

(Rudolf J. E. Clausius, 1822-88)에게는 불완전해 보였다.

법칙이 일반적으로 가지는 보편성 · 규칙성도 없어 보였고, 수학적으로 표현된 것도 아니었다. 그는 더 보편적일 뿐 아니라 완전하게 정리된 수학적 표현을 찾기 위해

1850년부터 15년 동안 노력하였다. 마침내 그는 엔트로피란 개념을 불완전하게나마 정립하고, 1865년 우주의 에너지는 일정하다는 것(열역학 제 1법칙)과 우주의 엔트로피는 항상 증가한다(열역학 제 2법칙)는 내용의 「우주의 두 가지 기본 법칙들」이란 논문을 발표한다.

열역학 제2법칙과 엔트로피:볼츠만

클라우지우스에 이어 볼츠만(Ludwig Boltzmann,

1844-1906) 은 주어진 상태에 대한 엔트로피가 수학적 확률로 표현될 수 있음을 보여 주었다. 이러한 볼츠만의 수학적 논의를 통해 열역학 제 2법칙의 통계적·확률론적 의미가 명확해질 수 있었고, 이는 물리학에서

통계역학이라는 새로운 분야를 여는 초석이 되었다. 그리고 이러한 통계 역학에 따라 분자들로 이루어진 계는 어느

물리적 과정에서도 엔트로피가 증가한다는 것이

설명되었다. 왜냐하면 계는 확률이 작은 쪽에서 큰 쪽으로 갈 것이고, 확률이 큰 쪽이 엔트로피가 크기 때문이다.

토론거리

Q1. 라마르크의 용불용설과 다윈의 적자생존설의 차이는 무엇일까?

Q2. 복동 2행정 기관의 구조를 살펴보면 단동 4행정

기관과는 달리 밸브가 없는 것을 알 수 있다. 이런 구조의 장단점은 무엇일까?

Q3. 디젤기관의 실린더 내부 온도는 매우 높도록

설계되었다. 왜일까? 카르노의 법칙에 의거해서 생각해 보라.