물리학-호기심의 추구 또는 미의 탐구
물리학이란?
Ø 왜 물리학을 하는가?
Ø 심심해서, 그러나 호기심이 강해서 ( 0 ) Ø 아름다움에 대한 욕구가 강해서 ( 0 )
Ø 당장의 문제를 해결하기 위하여 ( 0,X )
Ø 왕관의 순도를 알기 위해(0)
Ø 이집트인의 홍수에 대한 대비- 공학의 시작(X)
Ø 배가 고파서 ( X )
Ø 장사를 하거나, 차선책으로 공학을 할 것
Ø 왜 물리학을 하는가?
Ø 심심해서, 그러나 호기심이 강해서 ( 0 ) Ø 아름다움에 대한 욕구가 강해서 ( 0 )
Ø 당장의 문제를 해결하기 위하여 ( 0,X )
Ø 왕관의 순도를 알기 위해(0)
Ø 이집트인의 홍수에 대한 대비- 공학의 시작(X)
Ø 배가 고파서 ( X )
Ø 장사를 하거나, 차선책으로 공학을 할 것
Science is a wonderful thing if one does not have to earn one's living at it.
- Albert Einstein
‘ 물리’에 대한 이미지
Ø 아름다움 Ø 정열
• 괴물
Ø 꿈
• 괴물
• 어려움
• 지겨움
물리학이란 어떤 학문인가?
Ø 물리(物理):
물리학(物理學, physics)은 넓은 의미로는자연에 관한 과학이다. 물리학자는 모든 일반적인 물질을
구성하는 소립자(입자 물리학)에서부터 물질적인우주
전 체의 행동(우주론)까지를 포괄하는 넓고 다양한 범위에 걸쳐 물질의 운동과 특성을 연구한다.Ø Physics (from the Greek, φύσις (
phýsis
), "nature" and φυσικός (physikós
), "natural")Ø 물리(物理):
물리학(物理學, physics)은 넓은 의미로는자연에 관한 과학이다. 물리학자는 모든 일반적인 물질을
구성하는 소립자(입자 물리학)에서부터 물질적인우주
전 체의 행동(우주론)까지를 포괄하는 넓고 다양한 범위에 걸쳐 물질의 운동과 특성을 연구한다.Ø Physics (from the Greek, φύσις (
phýsis
), "nature" and φυσικός (physikós
), "natural")간단히 말해서 물리는?
Ø 물질( 物質)의 이치(理致)를 연구하는 학문 Ø 물질이란
Ø 무생물(기존의 물리학 연구 대상)
Ø 기본입자(elementary particles)-입자물리, 핵물리 Ø 원자, 분자-원자, 분자물리
Ø 고체, 액체-고체물리, 응집물질 물리 Ø 플라스마-플라스마 물리
Ø 빛, 소리-광학, 음향학 Ø 다체계-통계물리
Ø 물질( 物質)의 이치(理致)를 연구하는 학문 Ø 물질이란
Ø 무생물(기존의 물리학 연구 대상)
Ø 기본입자(elementary particles)-입자물리, 핵물리 Ø 원자, 분자-원자, 분자물리
Ø 고체, 액체-고체물리, 응집물질 물리 Ø 플라스마-플라스마 물리
Ø 빛, 소리-광학, 음향학 Ø 다체계-통계물리
자연계에는 무생물만 있지 않다.
(새로운 물리학의 연구분야)
Ø 생물
Ø 생물의 연구-생물물리(biophysics)
Ø 의학의 연구-의학물리(medical physics)
Ø 경제, 사회(무형 물질)
Ø 경제의 연구-경제물리(econophysics) Ø 사회의 연구-사회물리(sociophysics)
Ø 일반적 복잡계 및 chaos의 연구-복잡계물리 (complexity), 비선형물리
Ø 생물
Ø 생물의 연구-생물물리(biophysics)
Ø 의학의 연구-의학물리(medical physics)
Ø 경제, 사회(무형 물질)
Ø 경제의 연구-경제물리(econophysics) Ø 사회의 연구-사회물리(sociophysics)
Ø 일반적 복잡계 및 chaos의 연구-복잡계물리
(complexity), 비선형물리
길이로 본 물리학의 영역
시간으로
시간으로 보는 보는 물리학의 물리학의 영역 영역: ~137 : ~137억년 억년
물리학이 만병통치다?
Ø 전혀 옳은 이야기가 아님
Ø 물리학은 자연과학적 방법론에 따라 물질의 이치를 밝히고자 하는 학문의 한 분야임
Ø 그러면 왜 물리학자들은 생명, 경제, 사회 등 까지도 연구하려 하는가(주제넘게)?
Ø 생명, 경제, 사회 현상에도 일반적 물리적 법칙 이 성립됨을 알게 됨
Ø 컴퓨터의 발달로 계산 능력이 현저히 향상되어 연구능력이 생김
Ø 전혀 옳은 이야기가 아님
Ø 물리학은 자연과학적 방법론에 따라 물질의 이치를 밝히고자 하는 학문의 한 분야임
Ø 그러면 왜 물리학자들은 생명, 경제, 사회 등 까지도 연구하려 하는가(주제넘게)?
Ø 생명, 경제, 사회 현상에도 일반적 물리적 법칙 이 성립됨을 알게 됨
Ø 컴퓨터의 발달로 계산 능력이 현저히 향상되어
연구능력이 생김
호기심
(물리를 하는 가장 주된 이유)
Ø “호기심”
의 사전적 정의:Ø “새롭고 기이한 것에 대하여 끌리는 마음”
Ø 직관에서 벗어난 현상에 대한 동경:
Ø호기심의 해결을 위해 …
Ø 짧고 쉬운 정답을 찾는다.
Ø 짧은 설명이 여의치 않으면 어렵고 복잡한 설명과 수식을 곁들인 해석을 한다.
Ø 인간의 본질적 특성 Ø “호기심”
의 사전적 정의:Ø “새롭고 기이한 것에 대하여 끌리는 마음”
Ø 직관에서 벗어난 현상에 대한 동경:
Ø호기심의 해결을 위해 …
Ø 짧고 쉬운 정답을 찾는다.
Ø 짧은 설명이 여의치 않으면 어렵고 복잡한 설명과 수식을 곁들인 해석을 한다.
Ø 인간의 본질적 특성
판도라의 상자
Ø 그리스 신화에 의하면 판도라의 호기심(인간의 본성)
으로 세상에 불행이 시작되었고 또한 희망도 생겼다 .
우주를
우주를 지배하는 지배하는 궁극의 궁극의 물질과 물질과 법칙은 법칙은 무엇인가 무엇인가? ?
Ø물질의 가장 기본 요소는?
Ø우주의 나이와 실체는(밤하늘을 보면 반드시 느 껴야 하는 호기심)?
Ø두 질문은 하나로 요약될 수 있음
인간으로서 가질 수 있는 가장 근본적 질문(1)
우주를
우주를 지배하는 지배하는 궁극의 궁극의 물질과 물질과 법칙은 법칙은 무엇인가 무엇인가? ?
Ø물질의 가장 기본 요소는?
Ø우주의 나이와 실체는(밤하늘을 보면 반드시 느 껴야 하는 호기심)?
Ø두 질문은 하나로 요약될 수 있음
One Ring to rule them all, one Ring to find them, one Ring to bring them
and in the darkness bind them.
--- Lord of the Rings, J.R.R. Tolkien
무엇이든
무엇이든 많이 많이 모이면 모이면 어떤 어떤 일이 일이 일어나나 일어나나? ?
Ø생명은 무엇인가(What is life)?
Ø금속, 반도체, 초전도체, 태풍 등 다양한 현상은 어째서 일어나는가?
근본 질문(2)
Ø 다체계의 다른 여러 현상에 적용되는 다양한 개별 이론들이 통일된 일관성을 가짐(발현성질-emergent property)
Ø 발현성질-emergent property: 개개의 입자에는 존재하지 않으나, 입자가 많이 모이면 새롭게 나타나는 성질
-반도체, 초전도체, 금속, 태풍, 생명 등
아름다움과 물리학
Ø근본 질문에 대한 답은
Ø아름답고 간단해야 한다
Ø왜?-물리학자들의 고집(신념)임
Ø아름다움의 정의
ØWhat is beauty, anyway?
-움베르토 에코에 의하면 아름다움이라는 것은 어떤 특정 문화 또 는 역사적 시기, 우리의 욕망과 무관하게 관조의 기쁨을 주는 것으로 정의 (미의 역사(History of Beauty, Umberto Eco, 2004) 이현경 역(2005, 열린책들))
Ø근본 질문에 대한 답은
Ø아름답고 간단해야 한다
Ø왜?-물리학자들의 고집(신념)임
Ø아름다움의 정의
ØWhat is beauty, anyway?
-움베르토 에코에 의하면 아름다움이라는 것은 어떤 특정 문화 또 는 역사적 시기, 우리의 욕망과 무관하게 관조의 기쁨을 주는 것으로 정의 (미의 역사(History of Beauty, Umberto Eco, 2004) 이현경 역(2005, 열린책들))
Umberto Eco, 1932년 ,이탈리아 알레산드리아, 볼로냐 대학 기호학 교수, 언어학자,철학자,소설 가,
그는 토마스 아퀴나스의 철학에서 퍼스널 컴퓨 터에 이르기까지 다방면에 걸쳐 지식을 쌓은 박 식한 사람이다. 에코는 토마스 아퀴나스의 철학 과 중세를 배경으로 한 소설에서부터 현대의 대 중문화와 가상현실에 대한 담론에 이르기까지 미학, 기호학, 문학, 에세이, 문화 비평 등의 영역 에서 이론과 실천의 경계를 넘나들며 경이로운 저술 활동을 펼치고 있다. 미의 역사는 읽기 쉬 우면서 즐거움을 주는 책임.
장미의 이름(영화로도 제작), 푸코의 진자 등의 소설로도 유명하다.
Note
Umberto Eco, 1932년 ,이탈리아 알레산드리아, 볼로냐 대학 기호학 교수, 언어학자,철학자,소설 가,
그는 토마스 아퀴나스의 철학에서 퍼스널 컴퓨 터에 이르기까지 다방면에 걸쳐 지식을 쌓은 박 식한 사람이다. 에코는 토마스 아퀴나스의 철학 과 중세를 배경으로 한 소설에서부터 현대의 대 중문화와 가상현실에 대한 담론에 이르기까지 미학, 기호학, 문학, 에세이, 문화 비평 등의 영역 에서 이론과 실천의 경계를 넘나들며 경이로운 저술 활동을 펼치고 있다. 미의 역사는 읽기 쉬 우면서 즐거움을 주는 책임.
장미의 이름(영화로도 제작), 푸코의 진자 등의 소설로도 유명하다.
아름다움에 대한 물리학적 답변
Ø 대칭성 (Symmetry)
단순 대칭보다 한 단계 높은 아름다움?
Ø 플라톤: 모든 물질의 구성 원 소는 대칭적이고 이들은 5개 의 완전도형에 대응된다
˜ 정12면체: 제5의 원소
(천상의 물체)
Ø 현대물리학에서는 특히 플라 톤적인 대칭성과 불변성의 아 름다움이 강조됨
대칭성의 추구-고대 그리스
Ø 플라톤: 모든 물질의 구성 원 소는 대칭적이고 이들은 5개 의 완전도형에 대응된다
˜ 정12면체: 제5의 원소
(천상의 물체)
Ø 현대물리학에서는 특히 플라 톤적인 대칭성과 불변성의 아 름다움이 강조됨
정6면체,흙 정4면체,불 정8면체, 공기 정20면체,물 정12면체, 에테르
Ø 주역: 우주의 원리를 대칭과 깨어짐으로 기술한 것으로 보 이는 중국의 경전
˜ 1701년 북경에 와있던 부베 신부가 주역이 2진법에 근거 하고 있음에 놀라 당시 2진법 을 연구하던 라이프니츠에게 보냄.
Ø 우리나라 국기
˜ 대칭성과 깨어짐에 근거함
대칭성의 추구-동양
Ø 주역: 우주의 원리를 대칭과 깨어짐으로 기술한 것으로 보 이는 중국의 경전
˜ 1701년 북경에 와있던 부베 신부가 주역이 2진법에 근거 하고 있음에 놀라 당시 2진법 을 연구하던 라이프니츠에게 보냄.
Ø 우리나라 국기
˜ 대칭성과 깨어짐에 근거함
물리에서의 대칭성이란
Ø 물리 법칙에 변화를 주어도 법칙이 변하지 않을 때 그 법 칙이 그 변화에 대해 대칭성을 가지고 있다고 한다
Ø 우주에는 자연적으로 가지고 있어야 하는 대칭성이 있다 Ø 회전 대칭
Ø 좌우 대칭
Ø 공간의 원점 이동 (è 운동량 보존 법칙) Ø 시간의 원점 이동 (è 에너지 보존 법칙)
Ø 물리 법칙에 변화를 주어도 법칙이 변하지 않을 때 그 법 칙이 그 변화에 대해 대칭성을 가지고 있다고 한다
Ø 우주에는 자연적으로 가지고 있어야 하는 대칭성이 있다 Ø 회전 대칭
Ø 좌우 대칭
Ø 공간의 원점 이동 (è 운동량 보존 법칙) Ø 시간의 원점 이동 (è 에너지 보존 법칙)
Ø 독일의 수학자, 물리학자
Ø 대칭성이 있으면 그에 해당하는 보존법칙이 있다 는 정리를 증명함(1918년)
˜ 물리 이론의 가장 기초 원리 중 하나
Ø 여성이라는 이유로 차별을 많이 받았음
"여기는 대학교이지 목욕탕이 아닙니다!“
-- 스승 힐베르트가 뇌터의 무보수 강사 임용조차 반 대하는 동료 교수에게 화를 내며…
“막스 뇌터는 에미 뇌터의 아버지입니다.”
-- 역시 수학자였던 아버지 막스 뇌터의 장례식에서 에미 뇌터가 막스 뇌터의 딸이라는 얘기를 듣고 아 인슈타인이 한 대꾸
Emmy Nöther
(1882~1935)Ø 독일의 수학자, 물리학자
Ø 대칭성이 있으면 그에 해당하는 보존법칙이 있다 는 정리를 증명함(1918년)
˜ 물리 이론의 가장 기초 원리 중 하나
Ø 여성이라는 이유로 차별을 많이 받았음
"여기는 대학교이지 목욕탕이 아닙니다!“
-- 스승 힐베르트가 뇌터의 무보수 강사 임용조차 반 대하는 동료 교수에게 화를 내며…
“막스 뇌터는 에미 뇌터의 아버지입니다.”
-- 역시 수학자였던 아버지 막스 뇌터의 장례식에서 에미 뇌터가 막스 뇌터의 딸이라는 얘기를 듣고 아 인슈타인이 한 대꾸
Ø 자연의 기본 법칙이 장소에 따라 다르다면?
Ø 서울과 부산에서 행한 동일한 실험 결과가 다를 수도 있다
Ø 연세대에서 한 실험을 이대에서 했을 때 같은 결과가 나온다고 믿을 수 도 없다
Ø 전 세계적으로 공동으로 노력하여 과학을 연구하는 것은 자연의 기본 법칙이 장소에 따라 달라지지 않는다고 가정하고 있기 때문이다.
Ø 너무나 당연해서 보통은 언급도 하지 않는 대칭성 Ø 정말 너무나 당연한 것일까?
Ø 지구와 태양은?
Ø 지구와 100억 광년 너머의 우주 저쪽에서도 같은 법칙이 적용될까?
Ø 실험에서 아직 이에 어긋나는 현상은 관측되지 않았다.
대칭성이 왜 필요한가?
Ø 자연의 기본 법칙이 장소에 따라 다르다면?
Ø 서울과 부산에서 행한 동일한 실험 결과가 다를 수도 있다
Ø 연세대에서 한 실험을 이대에서 했을 때 같은 결과가 나온다고 믿을 수 도 없다
Ø 전 세계적으로 공동으로 노력하여 과학을 연구하는 것은 자연의 기본 법칙이 장소에 따라 달라지지 않는다고 가정하고 있기 때문이다.
Ø 너무나 당연해서 보통은 언급도 하지 않는 대칭성 Ø 정말 너무나 당연한 것일까?
Ø 지구와 태양은?
Ø 지구와 100억 광년 너머의 우주 저쪽에서도 같은 법칙이 적용될까?
Ø 실험에서 아직 이에 어긋나는 현상은 관측되지 않았다.
Ø 자연의 기본 법칙이 시간에 따라 다르다면?
Ø 어제와 오늘 한 실험 결과가 다를 수도 있다 Ø 아무도 검증 실험을 할 수 없다
Ø 과학이 검증 가능한 것은 기본 법칙이 시간에 따라 달라지지 않는다고 가정하기 때문이다
Ø 너무나 당연해서 보통은 언급도 하지 않는 대칭성 Ø 정말 너무나 당연한 것일까?
Ø 사람이 나타나기도 전인 1억 년 전에는?
Ø 우주가 탄생하던 137억 년 전에는?
Ø 실험에서 아직 이에 어긋나는 현상은 관측되지 않았다.
Ø 뇌터의 정리에 의하면 물리 법칙이 시간이 지나도 불변이라는 대칭성에서 에너지 보존 법칙이 나온다
시간과 에너지 보존
Ø 자연의 기본 법칙이 시간에 따라 다르다면?
Ø 어제와 오늘 한 실험 결과가 다를 수도 있다 Ø 아무도 검증 실험을 할 수 없다
Ø 과학이 검증 가능한 것은 기본 법칙이 시간에 따라 달라지지 않는다고 가정하기 때문이다
Ø 너무나 당연해서 보통은 언급도 하지 않는 대칭성 Ø 정말 너무나 당연한 것일까?
Ø 사람이 나타나기도 전인 1억 년 전에는?
Ø 우주가 탄생하던 137억 년 전에는?
Ø 실험에서 아직 이에 어긋나는 현상은 관측되지 않았다.
Ø 뇌터의 정리에 의하면 물리 법칙이 시간이 지나도 불변이라는 대칭성에서 에너지 보존 법칙이 나온다
Ø 자연의 기본 법칙이 방향에 따라 다르다면?
Ø 동쪽 방향에서 한 실험과 남쪽 방향에서 한 실험에서 다른 결과가 나 올 수 있다
Ø 우주에 동서남북이 있을까?
Ø 동서남북은 지구에서나 존재하는 것!
Ø 실험에서 회전 대칭성에 어긋나는 현상은 관측되지 않음
방향에 대한 대칭-회전
Ø 자연의 기본 법칙이 좌우변환에 대해 다르다면?
Ø 실제 장면을 찍은 영화와 거울에 비친 모습을 찍은 영화를 구별할 수 있다
Ø 자연의 근본 법칙이 왼쪽과 오른쪽을 차별할까?
좌우 대칭(거울 대칭)
Ø 물질-반물질 대칭성
Ø 시간 역전 대칭성
Ø 내부 대칭성
Ø 게이지 대칭성
Ø 초대칭성
그 밖의 근본적인 대칭성(자세히 몰라도 됨)
Ø 물질-반물질 대칭성
Ø 시간 역전 대칭성
Ø 내부 대칭성
Ø 게이지 대칭성
Ø 초대칭성
사람은 좌우 대칭일까?
Ø
사람의 심장은 왜 왼쪽에 있을까?
Ø
사람은 왜 오른손잡이가 많을까?
Ø
“대칭성의 자발적 깨짐 현상
(spontaneous symmetry breaking)”
대칭성의 자발적 깨짐(우주와 생명을 포 함한 모든 현상의 원천으로 보임)
처음에 식탁은 대칭적으로 놓여있지만 누군가가 우연히 오른쪽 컵을 집으면 다른 사람도 모두 오른쪽 컵을 집게 된다 è좌우대칭성이 자발적으로 깨진다(행동 은 대칭을 깬다)
공이 위에 있으면 매우 대칭적이지만 공은 곧 굴러 떨어질 것이다
어떤 쪽으로 굴러 떨어질까?
우연히 어느 한쪽으로 굴러 떨어질 것이다
è 회전대칭성이 자발적으로 깨진다
대칭성의 깨어짐
온도가 내려가면 대칭성이 자발적으로 깨어진다.
예: 수증기-> 물->얼음
Ø 자연의 근본 법칙도 본래는 대칭적이지만 나중에 우연히 어떤 한 방향을 선택하여 자발적으로 깨어지는 경우가 있 다.
Ø 이것이 전자가 질량을 가지는 이유이기도 하다(우주가 진화를 시작한 이유)
Ø 사람처럼 거시적으로 좌우 대칭성이 없는 경우는 이처럼 본래 있던 대칭성이 우연히 자발적으로 깨어진 현상이다.
Ø 예를 들면, 우연히 심장이 왼쪽에 있는 유전자가 많이 살아남았다
Ø 하지만, 우주의 네 가지 근본적인 힘 가운데는 처음부터 왼쪽과 오른쪽을 차별하는 힘이 있다! 즉, 이 힘은 좌우 대 칭성이 없다! (1956년 발견)
Ø 대칭성과 대칭성의 깨어짐은 현대물리학의 가장 큰 기본 틀이다: 학기말까지의 주제
Ø 자연의 근본 법칙도 본래는 대칭적이지만 나중에 우연히 어떤 한 방향을 선택하여 자발적으로 깨어지는 경우가 있 다.
Ø 이것이 전자가 질량을 가지는 이유이기도 하다(우주가 진화를 시작한 이유)
Ø 사람처럼 거시적으로 좌우 대칭성이 없는 경우는 이처럼 본래 있던 대칭성이 우연히 자발적으로 깨어진 현상이다.
Ø 예를 들면, 우연히 심장이 왼쪽에 있는 유전자가 많이 살아남았다
Ø 하지만, 우주의 네 가지 근본적인 힘 가운데는 처음부터 왼쪽과 오른쪽을 차별하는 힘이 있다! 즉, 이 힘은 좌우 대 칭성이 없다! (1956년 발견)
Ø 대칭성과 대칭성의 깨어짐은 현대물리학의 가장 큰 기본 틀이다: 학기말까지의 주제
대칭에서 미를 추구한 화가
모우리츠 코르넬리스 에셔(Maurits Cornelis Escher 1898년 6월 17일 ~ 1972년 3월 27일)는 네덜란드 출신 의 판화가이다.
패턴과 공간의 환영을 반복한 대칭에 근거한 작품을 발 표하였다. 이슬람인의 모자이크에 영감을 받았으며 단 순한 기하학적 무늬에서 수학적 변환을 이용한 창조적 형태의 작품 세계를 구축하였다.
Note
모우리츠 코르넬리스 에셔(Maurits Cornelis Escher 1898년 6월 17일 ~ 1972년 3월 27일)는 네덜란드 출신 의 판화가이다.
패턴과 공간의 환영을 반복한 대칭에 근거한 작품을 발 표하였다. 이슬람인의 모자이크에 영감을 받았으며 단 순한 기하학적 무늬에서 수학적 변환을 이용한 창조적 형태의 작품 세계를 구축하였다.
물리학의 현대적 이해보다 더 적절한 과목의 이름(?)
동영상
대통령을 위한 물리학 : 10년 후 세계를 움직일 5가지 과학 코드
리처드 뮬러 저/장종훈 역 | 살 림출판사 | 원제 Physics For Future Presidents | 2011년 10월
대칭과 아름다운 우주
리언 레더먼,크리스토퍼 힐 공저/
안기연 역 | 승산 | 2012년 01월
아름다움은 왜 진리인가 : 대칭 의 역사
이언 스튜어트 저/안재권 공역
| 승산 | 원제 Why Beauty Is Trurh : A History of Symmetry
| 2010년 03월
