세계관 이야기 (1)

세계는 어떤 모습인가?

░ 세계는 무엇으로 이루어져 있는지, 세계가 어떻게 질서 지어져 있는지, 왜 자연 현상들이 일어나는지?

세계는 어떤 모습인가?: 옛날, 옛적,, 그 옛날.. 박혁거세가 알에서 나오고(부인인 알영은 鷄龍이 옆구리로 나았다고 하고 (닭^鷄 에 용^龍 이라면; 대충 ‘날개 달린 용’ 곧 ‘공룡’의 마지막 남은 후손이었던, 그때까지 마지막 남아있던 날아다니는 ‘익룡’이 아니었을까 추측해 봅니다만?), 알지왕도 알에서 태어나고, 고구려 시조 주몽도 알에서 태어나고 등등.. 하던 시절(요즘과는 달리, 그때는 알에서 태어나는 사람들이 참 많았군요 ^^), 우리가 살아가는 세계가 이렇게 생겼다고 했습니다: 하늘은 위에 있고, 사람은 땅에서 살아가고 배 타고 바다 끝까지 나아가면; 거대 폭포에서 떨어져 끝장난다고 생각하면서 긴~ 세월 살아왔습니다..; 우리 고대 인류는 쭈~욱 그렇게 믿고 살아왔는데, 어느 날인가, 어느 똑똑한 미치광이(?) 한 사람이 나타나서는 '먼가 잘못됐다, 세상은 이렇게 돌아가고 있다'고 주장합니다: 원 세상에.. 하늘이 주변을 꽉 채우고 있고, 지구 위에는 사람이 똑바로 서서 걸어가고, 밑에도 옆에도 역시 사람이 똑바로 서서 걸어 다닌다는 겁니다(게다가, 바다의 물도 쏟아지지 않는군요 - 진짜 황당합니다 ^^). 장난도 정도껏 해야지 참, 이게 도데체 말이나 되는겁니까? 대체 저 사람은 왜 저런 '상식'에 어긋나는 황당한 생각을 했을까요? 몹시 궁금합니다..; 1. 아낙시만드로스의 추론: 기원전, 고대 그리스의 철학자였던 아낙시만드로스는 이렇게 상상했습니다만 - 물론, 지금 우리는 다 초딩 때 열심히 공부한 덕에 저 위대한 철학자보다도 더 이 가정과 결론이 맞다는 걸 잘 알고 있습니다 ^^; 2. 아리스토텔레스의 고뇌와 플라톤의 숙제: .. 이에, 그리스의 위대한 철학자 아리스토텔레스가 곰곰이 생각해보니 그건 아낙시만드로스 말이 맞는 듯했습니다. 그래서 (지구가 둥글다고는 인정하되)“세계는 신이 창조한 대로 자기 본성을 찾아간다, 신이 만든 우주의 중심인 지구를 둘러싸고 해와 달과 별들이 돌아간다”고 주장합니다. 그 이전에, 아리스토텔레스의 스승인 플라톤은 ‘하늘에서 보이는 천체들의 움직임을 지배하는 수학적 법칙을 발견할 수 있겠는가?’ 라는 숙제를 던졌었는데..; 프톨레마이오스의 천동설: 아리스토텔레스의 지구 중심설에 기반하여, 또 플라톤의 질문에 답하여, 프톨레마이오스는 겉으로 보기에 무작위로 움직이는 행성들의 운동을 예측할 수 있는 수학적인 천문학 체계를 제시하였고, 이는 코페르니쿠스가 지동설 체계를 들고나오기 이전까지 오랫동안 올바른 우주론으로 받아들여져 왔습니다. 이 아리스토텔레스 & 프톨레마이오스의 지구중심 세계관은 이후 1500년간 우리 인류의 이성과 자연과학을 질식시키면서, 또 강제하면서 기나긴 암흑의 중세 종교시대를 열게 됩니다(당연히, 그 1500년간 인류의 자연과학적 진보는 거의 멈췄습니다 ㅡㅡ;); 코페르니쿠스의 지동설: 아리스토텔레스 이후 근 1500년이 지난 후, 코페르니쿠스라는 사람이 나타나 프톨레마이오스의 위 그림을 다음과 같이 바꾸어 버립니다: 여기서는 지구 대신 태양을 맨 가운데 놓고, 지구는 태양 주위를 돌고, 달은 그 지구 주위를 돕니다. 이는 프로메테우스가 신들의 세상에 몰래 숨어들어가 불을 훔쳐다 당시 추위에 떨며 자던, 날것만 먹던 인류에게 선사한 이래, 우리 인류가 받은 두번째 큰 선물이었습니다. 이것은 또한 코페르니쿠스가 신들 몰래 하늘의 비밀을 훔쳐와서 우리 인류에게 보여준 경이에 찬 신세계였습니다!

아리스토텔레스의 자연철학: 먼저, 하늘과 지구를 구별해야 한다 – 하늘은 원 운동을 하면서 영원히 지구 주위를 돈다(= 운동). 다음, 지구에서는 강제된 운동과 본성적 운동을 구별해야 한다. 강제적 운동은 밀침 때문에 생기고 밀침이 끝나면 운동도 끝난다(= 마찰). 반면, 본성적 운동은 각 물질이 자신의 ‘본래적 자리’(사회적으로는, 대략 ‘주인으로서의 지위’ 대 ‘노예로서의 본분’ 이렇게 이해하셔도 됩니다)를 찾아가는 과정으로 위아래 수직으로 움직인다(= 중력); 아리스토텔레스는 사과가 땅에 떨어지는 이유는 신이 내려준 사물의 본성(= 중심을 찾아가는 본성) 때문이라고 했습니다. 그래서 사과가 땅으로 떨어지고, 해와 달과 행성들이 끊임없이 한 치 오차없는 원 운동을 하면서 지구 주위를 돈다고 주장했습니다만.. 아리스토텔레스가 말한 ‘하늘의 원운동’은 나중에 케플러의 (태양 주위를 도는 행성들의 궤도와 그 속도 및 위치 등에 관한)행성의 공전법칙으로 뒤집어지고, (지상에서의)‘마찰’의 문제는 갈릴레오가 물체의 낙하법칙을 통해 제대로 밝히고, ‘중력’의 문제는 뉴턴이 자신이 창안한 미적분과 ‘지구 주위를 도는 작은 달’이라는 추론으로 증명한 중력의 법칙을 통해 확실한 마침표를 찍게 됩니다만..; 사실, 아리스토텔레스의 자연학 자체는 당시는 물론, 이후 근 천년 간에 걸쳐봐도 놀랄만한 지적 성취라고 볼만하지만, 문제는.. ‘이미 예정되어 있는 목적에 따른 질서’, ‘무엇이 더 세상에 좋은 것인가’ 를 전제로 이미 결론을 내어버린 상태로 자신의 논리를 전개한다면; 곧바로 커다란 난관에 부닥칠 수밖에 없습니다 - 이는 자연과 사회, 현실의 변화에 맞추어 자신의 견해를 재정립해 나가는 것이 아니라, 자신이 바라는 의도에 맞추어 세상을 재구성하고자 하는 어리석음일 뿐입니다 ㅡㅡ;

하늘의 비밀을 훔친 죄?: 신들로부터 불을 훔쳐왔던 프로메테우스는 그 뒤 어떤 형벌을 받았을까요? 또, 코페르니쿠스는?; 1. 우선, 불을 훔친 인간들에 대한 형벌로 제우스는 판도라라는 여자를 만들어 에피메테우스(= ‘때늦은 지혜’라는 의미)라는 사람에게 내려 보냈고, 에피메테우스는 판도라와 결혼합니다. 그런데, 판도라가 제우스로부터 선물로 받아온 상자를 열자 모든 악과 고역, 역병들이 튀어나와서 인간들 사이에 떠돌아다니게 됩니다. 깜짝 놀란 판도라가 급히 뚜껑을 닫았을 때는; 오직 하나, ‘희망’만이 ‘판도라의 상자’ 안에 갇혔다고 합니다 ㅡㅡ;; 2. 한편, 직접 불을 훔쳐간 프로메테우스에 대한 복수로 제우스는 그를 카프카스의 바위에 사슬로 묶고 독수리를 보내서 끊임없이 간을 쪼아먹게 했다고 하는데, 그 간은 영원한 생명을 가진 간이라서 인류를 위해 희생한 프로메테우스는 지금도 여전히 카프카스의 어느 바위에 묶인 채 끊임없이 독수리에게 간이 쪼이는 고통에 시달리고 있다고 합니다 ㅡㅡ;

갈릴레오 이야기

░ 코페르니쿠스가 하늘에 숨겨놓은 신들의 비밀을 훔쳐낸 이래, 케플러와 갈릴레이, 뉴턴과 아인슈타인 등으로 이어지는 기나긴 과학적 탐구 및 지식의 바톤 터치를 통해 우리가 살아가는 세계의 구조가 서서히 밝혀지게 됩니다..

갈릴레오 이야기: 1. 케플러의 공전법칙: 태양계의 공전 반경과 주기, 즉 궤도를 한 바퀴 도는 데에 걸리는 시간 사이의 법칙 - 공전 주기의 제곱은 공전 궤도의 반지름의 세제곱에 비례하며, 그 비례 상수는 공전의 중심이 되는 대상에 따라 정해진다; 케플러에 의하면; 모든 행성은 (아리스토텔레스의 ‘완벽한 원’이 아니라!)타원 궤도로 태양 주변을 도는데, 이 행성들이 태양에 가까워질수록 더 빨라진다는 것을, 또한 태양에서 멀리 떨어진 행성일수록 더 느리게 돈다는 것을 밝혀냅니다. 이것은 행성들이 태양의 중력에 묶여서 움직인다는 것을 말해주고 있는데, 이는 나중에 뉴턴이 자신이 창안한 미적분 방정식을 통해서 정확한 수치로 밝혀내게 됩니다. 이건, 여담이지만,, 뉴턴 때문에 우리가 그 무지무지 어려운 미적분 공부를 하게 된 것입니다 - 그래서 전 뉴턴에 대해 좀 불만입니다 ㅡㅡ;; 2. 갈릴레오의 낙하법칙: 지구상의 모든 물체는 아래로 떨어지면서 점점 더 속도가 붙는데(가속도), 이 가속도는 낙하하는 모든 물체에서 일정하다 - 곧, 낙하 시 (떨어지는 속도가 아니라)속도가 증가하는 비율은 모두 같은 9.8m/초²이다!; 망원경을 만들어 처음으로 하늘의 비밀을 훔쳐본 갈릴레이는 기울어진 빗면에서의 공 굴리기 실험을 통해서.. 정지 상태에서 낙하한 물체가 동일한 시간 간격 동안에(당시로서는 정확한 시간을 잴 수 있는 기기가 없었기에, 자신의 심장 맥박으로 그 수많은 간격들 사이사이의 시간들을 계산했다고 합니다 ㅡㅡ;) 지나가는 거리는 1부터 시작하는 홀수와 똑 같은 비율 즉 1, 3, 5, 7, … 로 나타난다는 것을 알아냅니다: 곧, 1, 1+3= 4, 4+5= 9, 9+7= 16, .. 즉, 1= 1², 4= 2², 9= 3², 16= 4², .. 따라서, 전체 낙하 거리는 시간의 제곱에 비례합니다! 그리고 1+3+5+7= 16, 이는 4x4의 정사각형이 됩니다!!; 3. 갈릴레오의 사고 실험: 갈릴레오는 사실 저 공굴리기 실험 이전에, 순전히 자신의 머리만으로 고도의 사고 실험을 먼저 합니다 - 이런 습성은, 아르키메데스나 뉴턴, 아인슈타인이 그랬듯이, 천재들만의 공통적인 특성입니다만..

뉴턴의 중력법칙

░ 이제 드디어 그 유명한 뉴턴씨를 만나볼 시간이군요 - 갈릴레이의 혜안과 뉴턴의 중력 법칙이 있었기에 우리 인류가 지구 바깥으로 우주선을 보낼 수 있게 되었습니다!

뉴턴의 중력법칙: 케플러가 행성의 운동법칙을 찾아내고, 갈릴레이가 땅으로 떨어지는 사과의 가속도를 밝혀내고(9.8m/초²), 뉴턴이 달이 지구를 도는 가속도(역시, 9.8m/초²)를 증명하면서 행성의 운동과 지상의 낙하 운동에 똑같은 어떤 ‘힘’이 작용함이 감지됩니다. 갈릴레이의 지상에서 떨어지는 물체의 가속도와 뉴턴의 공전하는 달의 궤도 가속도가 같습니다 - 곧, 모두가 지구 중력의 힘에 이끌리는 것이란 걸 알아낸 것입니다!; 이제 아리스토텔레스의 ‘사물의 본성’이니 ‘지구 중심’이니 하는 이론이 뿌리부터 뽑히고, 종교를 대신하는 이성과 과학의 시대가 열립니다! 저 위에서 본 아낙시만드로스의 그림에서, 지구 위에서만 아니라 아래쪽에서도 사람들이 떨어지지 않고 똑바로 걸어 다닐 수 있었던 이유는 바로 (지구 밑 사람들이 초능력을 가졌기 때문이 아니라)지구의 중력 때문이었던 것입니다. 사과가 땅으로 떨어지는 것도, 달이 지구를 도는 것도,, 지구가 태양을 도는 것도,,, 다 같은 중력법칙에 따른 것일 뿐입니다!; 예리한 분들은 갈릴레이의 낙하법칙에서의 가속도와 달의 궤도 가속도가 같다는 말에 의문을 품을 수 있을 듯합니다: 사과가 땅에 떨어지는 가속도는 더 붙이지 않아도 될 듯하지만(자전거를 타고 언덕길을 내려가 본 적 있는 사람이라면 누구나 직감적으로 알 수 있습니다 – 페달을 밟지 않아도 속도는 점점 빨라집니다, 끊임없이 브레이크를 걸어줘야 합니다 ㅡㅡ;), 달이 지구 궤도를 도는 가속도 문제는 약간 혼란스러울 수 있겠습니다만..; 우주 자체가 끊임없이 팽창하고 있기에(나중에 아인슈타인의 일반 상대성이론으로 증명됩니다), 우리 우주 내 모든 사물은 외부에서 힘을 가하지 않는 한은 직선으로 움직입니다(달도 마찬가지입니다). 그런데, 달은 지구의 중력(예의 그 초의 제곱 당 9.8m 속도)에 묶여 있기에 똑바로 나아가지 못하고 (둥근 지구가 끌어당기는 중력에 묶여 끝없이 ‘둥글게, 둥~글게’)지구를 돌게 되는 겁니다. 사과는 그냥 직선으로 떨어집니다만, 사과도 대기권 바깥에 던져 놓는다면; 이 사과도 지구를 따라 돌아갈겁니다 - 지금 지구 주위를 돌고 있는 수많은 인공위성들마냥. 이 속도를 넘어설 수 있다면; 똑바로 갈 수 있습니다 - 곧, 우주선이 지구를 벗어나려면 바로 이 속도를 넘어서야 지구 중력을 벗어나 우주로 나아갈 수 있다는 것입니다; 1. 갈릴레이의 관성법칙: 갈릴레이의 관성의 법칙은 외부의 힘이 작용하지 않는 한, 정지한 물체는 그 상태를 계속 유지하고, 운동하는 물체는 같은 속도로 동일한 운동을 계속한다고 말한다 - 당시 갈릴레이는 그 이유를 명확히 설명할 수 없었지만.. 여기서 뉴턴은 물체에 작용하는 외부의 힘이 없다면; 그 물체는 정지 상태로 계속 머물든지 일정한 속도로 직선 운동을 계속한다는 사실, 따라서 힘은 운동을 일으키는 데 필요한 것이 아니라, 운동(의 속도나 경로)를 ‘변화’시키는 데 필요하다는 사실을 깨달게 됩니다. 그 이유는 나중에 아인슈타인에 의해 밝혀집니다 - 곧, 우주는 끊임없이 팽창하고 있기에, 이미 우주의 모든 사물은 끊임없이 ‘직선 운동’을 하고있는 것입니다!; 2. 뉴턴의 운동법칙: 외부에서 다른 힘이 가해지지 않으면 정지해 있는 물체는 영원히 정지해 있으려 하고, 움직이고 있는 물체는 영원히 같은 속도로 움직이고자 한다. 따라서, 물체의 운동 상태를 바꾸어주려면 외부에서 힘을 가해주어야만 하는데, 물체에 작용하는 힘은 질량과 가속도의 곱으로 나타낼 수 있다: F= ma(아인슈타인의 E= mc² 과 함께 인류사의 가장 유명한 공식인데, 운동의 속도에 변화를 주려면 힘을 더 크게 하거나 질량을 작게 해야 한다는 얘기입니다 - 음, 좀 어렵군요 ㅡㅡ;) ← 여기서 나오는 귀결로 작용과 반작용의 법칙이 도출되는데, 물체에 힘을 가하면; 그 물체도 반대방향으로 같은 크기의 힘으로 반발한다는 것입니다 - 우리가 땅을 딛고 걸을 수 있는 것도 로켓이 우주 공간으로 나갈 수 있는 것도 이 때문입니다!; 3. 뉴턴의 중력법칙: 여기서 뉴턴은 지구의 산 바로 위에 바짝 붙어 도는 작은 달을 가정하고, 이 작은 달이 움직이는 속도를 계산합니다. 이 ‘작은 달’의 공전 주기(큰 달과는 달리, 지구와 바짝 붙어서 돌기에 지구의 자전 곧 하루 24시간과 같다!)는 작은 달의 공전 반경(= 지구의 반지름)을 실제 달의 공전 반경 및 공전 주기(= 한달)에 대비한 비례식으로 계산할 수 있다(= 대략, 1시간 30분). 그런데, 공전하는 물체는 직선으로 움직이지 않고 계속 방향을 바꾸는데, 이 방향의 변화가 바로 가속이다. 따라서 작은 달은 지구 중심 쪽으로 가속이 되는 것인데, 그 결과값은 9.8m/초²이다! 곧, 작은 달이 우주로 튕겨나가지 않고 지구 주위를 돌게 만드는 힘은 (갈릴레오가 낙하 실험으로 증명했던)지상에서 사과를 바닥에 떨어지도록 만드는 힘과 같은 것, 바로 중력이다!

우주의 구조

░ 아인슈타인은 특수 상대성이론(1905년)을 통해 시간의 구조를 밝히고, 일반 상대성이론(1915년)을 통해 시-공간, 우주의 비밀을 밝혀냅니다..

우주의 모습: 아인슈타인은 자신의 첫 논문에서 양자 이론으로 가는 길을 열어주기도 했지만, 어쨌건 일반 상대성이론과 양자역학, 그에 기반한 천체물리학이 현재까지 함께 밝혀낸 우리 우주의 모습들을 보면서, 그 속에서 우리 지구와 우리 인류, 우리 삶은 대체 어떤 의미가 있는지 함께 고민해보기로 합니다 - 이하는, 그냥 생각도 좀 하시면서 그림과 함께 살펴 보시면 됩니다:; 1) 태양과 그 주변을 도는 행성들: 수성, 금성, 지구, 화성은 태양 옆에 붙어있는 점들인데, 너무 작아 잘 보이지 않는다. 그 바깥쪽의 목성과 토성, 천왕성, 해왕성은 꽤 크다; 2) 우리 은하계 속에서의 태양계: 우리 은하 중심에는 거대한 블랙홀이 요동치고 있고, 그 주위를 도는 수천억 개의 별들(및 거기에 딸린 행성들)은 하나의 점으로만 나타난다. 태양계는 이 수천억개 별들 중 하나일 뿐이고, 각 별들 주위를 도는 행성들은 너무 작아 점으로도 표시할 수 없다!; 3) 구부러진 시-공: 별의 중력에 의해 시간도 느려지고 공간도 휘어지는 구부러진 시-공(아인슈타인의 일반 상대성이론)에서 파동 치면서 움직이고 있는 수천억 개의 은하들 - 여기서는 우리 은하조차도 아주 작은 한 점으로만 나타날 뿐이고, 당연히 태양계는 점으로조차도 표시할 수 없다!; 4) 우주의 탄생과 그 팽창: 우리 우주는 최초에 한 점(대략, 수조x수조x수조 분의 1mm 정도 크기의 한 점)에서 빅뱅이 일어나고 계속해서 새로운 은하계와 별들, 행성들을 만들면서 팽창하고 있다고 합니다 - 이는 아인슈타인의 일반 상대성이론 방정식에서 나오는 필연적인 귀결인데, 아인슈타인은 "세상이 이럴 수는 없다"면서 스스로 자기 이론의 결론을 부정했지만, 최근의 천체물리학 관측에서는 거의 맞는걸로 확인되었습니다..; ✓ 참고로, 최근의 주류 이론(양자중력 이론)에서는 이런 모습으로 우리 우주가 팽창해왔다고 주장합니다(빅뱅 & 빅바운드); 5) 블랙홀의 민낯: 제임스웹 우주 망원경에 의해 처음으로 찍힌 블랙홀 사진입니다(2022년). 블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성이론의 필연적 귀결로, 이론적으로만 예측되어온 것이었는데.. 오랜 기간 이론적으로만 존재하여 오다 108년이 지나서야 (허블 망원경을 넘어선)제임스웹 우주 망원경이 만들어짐에 의해 실제로 우리 인류가 관측할 수 있게된 것입니다!; ✓ 최근인 2022년 말에 찍힌 블랙홀 사진입니다. 별을 잡아먹고 트림하는 모습이랍니다, 우리 태양계가 저기에 먹혔다고 생각하면 됩니다 ㅡㅡ;; 6) 우주의 역사: 지금까지 우리가 알고 있는 우주의 역사입니다. 138억년 전 ‘무한’히 작은(0.000~ mm) 한 점이 폭발하여(빅뱅) 나온 빛이 이동한 거리를 통해 우리 우주의 나이를 역산할 수 있습니다. 빛은 우주의 제한 속도(초당 30만km)입니다 - 그보다 빠른 것은 없습니다. 그래서 ‘빅뱅’ 이후 빛이 이동해온 거리가 바로 우주의 나이입니다. 이 우주의 역사는 아인슈타인의 일반 상대성이론 방정식에서 필연적으로 나오는 예측의 귀결들이었는데, 최근 몇 십년 간에 걸쳐 (암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 제외하고는)대부분 실제 관측을 통해 사실로 판명되었습니다 - 한 지성의 예지와 그 이론의 힘이 대단하다는걸 새삼 느끼게 됩니다!

창백한 푸른 섬

░ 마지막으로, 우리 인류가 1977년에 우주로 날려 보낸 보이저 1, 2호 얘기를 덧붙입니다..

보이저호 이야기: 보이저 1호는 태양계 내 행성들에 접근하여 그 중력을 이용하여 가속하는 Swing-by 방식으로 대략 시속 6만Km 속도로 날아갔는데.. 이제 간신히 태양풍의 영향을 살짝 벗어난 성간 우주로 들어섰다고 합니다. 이후 ‘오르트 구름’ 영역을 통과해야 완전히 태양계 영역을 벗어나 다른 별의 영역으로 들어서게 되는데, 앞으로 약 300년 후 오르트 구름에 진입하고, 이후 약 3만년 동안 이 지역을 항해하여 태양계를 벗어나면; 그 이후 다시 약 1만 6700년 후에는 우리 태양계에서 가장 가까운 별 프록시마 센타우리 영역 외곽에 도달할 것이라고 합니다..; 결국, 앞으로 최소 5만년간은 더 가야 우리 태양계에서 가장 가까운 첫번째 별을 직접 볼 수 있는데, 안타깝게도 보이저호와 통신할 수 있는 남은 기간은 최대 2030년까지라고 합니다. 아직도 태양계 영역 안이니(수천억개의 은하가 모인 우주는 더 말할 것도 없지만) 좀 작은 편에 속하는 우리 은하만 해도 크긴 크군요 - 우리 은하 내 수천억개 별 들 중 가장 가까운 별을 보는데만 해도 저 엄청난 속도로 아직 5만년 이상 남았는데, 그 이후 그 별까지 접근하는 데는 또 10만년 정도 더 걸리지 않을까 합니다 ㅡㅡ;; 보이저호는 Swing-by 방식으로 항행하는데, 이는 우주선이 적은 동력으로 먼 거리를 항행하기 위하여, 다른 행성의 중력을 이용하는 가속(및 감속, 방향 전환) 방법으로서, 우주선의 항행에서 이 방법을 사용하는 것은 필수적인데, 현재까지의 우리 인류 로켓 기술로는 목성 근처까지 밖에 갈 수 없기 때문입니다 ㅡㅡ;; 가령, 정지해 있는 행성에 우주선이 접근하는 상황을 가정해본다면; 우주선의 속도는 행성의 중력에 의해 끌려가기 때문에 점점 빨라집니다. 그러나 실제로 행성은 별을 따라 도는 궤도 운동을 하고 있기에, 우주선과 행성의 중력권에 접근하는 시간은 최대한 길게(행성의 중력 에너지를 최대한 얻기 위하여), 벗어나는 시간은 최대한 짧게(우주선의 에너지가 최고치가 되었을 때 탈출하기 위하여) 우주선의 궤도를 조정할 수 있습니다(1959년 소련에서 최초로 달에서 시험하고, 1974년 NASA에서 최초의 행성 스윙바이를 실행함) - 이 기술은 지상에서 우주선을 쏠 때(곧, 가속 시)나 우주선을 지상에 착륙시킬 때(곧, 감속 시) 역시 이용됩니다; 이 Swing-by를 이용한다면; 힘 하나 안들이면서(? 실은, 힘을 배가시키면서!) 원래보다 더 빠른 속도를 얻을 수 있게 되고(사실, 이 행동은 행성으로부터 중력의 힘을 뺏어오는 것이기에 에너지 보존법칙에 따라 행성의 속도가 그만큼 느려집니다 - 머, 작은 우주선이라 극히 미미한 정도이긴 하지만), 이렇게 더 빨라진 속도로 행성의 중력권을 벗어나게 되면; (우주 공간은 진공이라 마찰이 작용하지 않으므로)그 가속된 속력을 (다른 행성의 중력에 영향을 받지 않는 동안은)그대로 유지하면서 나아갈 수 있게 됩니다 – 이것이 바로 보이저호가 목성을 지나서도 여전히 날아갈 수 있는 비결입니다!

창백한 푸른 점: 그래서 결론은 머냐구요? 이 거대한 우주 앞에서 좀 더 겸손하고, 욕심도 좀 내려놓고, 그렇게 살아가도 될 듯합니다.. (결론이 좀 겸손한가요?); 저 창백한 푸른 섬이 보이저호가 마지막으로 지구를 돌아보면서 보여준 우리 인류의 유일한 보금자리, 우리 삶의 터전입니다. 주변의 흰 점들은 모두 하나 하나 태양계와 같은 우리 은하계의 별들입니다.. 우주는 얼마나 클까?

세계는 어떤 모습인가? (2)

░ 이제 우리가 살아가는 이 세계를 이해하기 위한 긴 여정을 다시 시작합니다..

세계는 어떤 모습인가? (2부를 시작하며): 무슨 이유로 땅에서는 사물이 아래로 추락하고, 하늘에서는 궤도를 따라 행성들이 돌아가는가?; 1. 뉴턴의 중력법칙: 바로 이 중력이 일직선으로만 움직이는 모든 천체에 작용하여 지구의 달, 태양의 행성들을 궤도를 따라 돌게 만드는 것이다: 곧, 우주는 물체들이 보편적인 ‘힘’, 바로 중력으로 서로 끌어당기고 있는 ‘빈 공간’이다. 이제 아리스토텔레스의 사물의 ‘본성적 자리’나 프톨레마이오스의 ‘세계의 중심’도 없으며, 하늘과 땅 사이에 있던 구분도 사라진다: 세계는 시간의 흐름에 따라, 빈 공간 속에서.. 입자들이 서로를 힘으로 끌어당기면서 움직여 나가는 것이다!; (! 뉴턴은 자신이 만든 미적분을 써서 중력법칙을 증명해내는 한편, 자신의 이론에 뭔가 빠진게 있다는 생각을 했습니다. 중간의 어떤 매개도 없이 지구의 중력만으로 달을 끌어 당긴다는게 가당치않아 보였던거죠. 하지만 아쉽게도, 뉴턴은 끝내 이 의문을 풀지 못했습니다..); 2. 패러데이의 전자기장: 이후, 패러데이는 뉴턴의 ‘빈 공간’이 실은 전자기장으로 채워져 있음을 밝혀낸다: 때로는 진동도 하고, 물결처럼 파동 치면서 퍼져 나가는 전자기파가 ‘빈 공간’을 채우고 있으면서 이 힘을 주변으로 전달한다. 곧, 두 물체 사이에 퍼져 있는 보이지 않는 ‘역선’들이 두 물체 사이에서 끌어당기거나 밀어내는 ‘힘’을 전달하는 것이다(초등학교 때 하던, 떨어진 채 서로 밀고 당기던 자석 놀이, 천으로 문지른 유리 막대기로 떨어져 있는 종이 당겨오기 놀이 등을 생각해 보십시오) - 이제 세계는 더 이상 (뉴턴의)시간의 흐름에 따라 빈 공간 속에서 움직이는 입자들만으로 이루어져 있는 것이 아니라, 공간 속의 입자들과 장으로 구성되어 있는 것이다!; (! 뉴턴은 빛을 ‘입자’라고 봤는데, 나중에 아인슈타인에 의해 빛은 ‘입자’이자 ‘파동’임이 밝혀집니다); 3. 맥스웰의 전-자기 방정식: 패러데이의 ‘장’이 맥스웰의 방정식에서는 전기장과 자기장이 함께 손잡고 나아가는 새로운 종류의 ‘파동’으로 나타난다 - 곧, 변하는 전기장은 변하는 자기장을 만들어내고, 변하는 자기장은 다시 전기장을 만들어내면서 함께 나아가는 에너지 파동인 것이다; 맥스웰은, 자신의 방정식에 따르면 패러데이의 ‘역선’들이 마치 바다의 파도처럼 물결칠 수 있음이 예측된다는 사실을 알아채고, 그 파동이 움직이는 속도를 계산하여 그 결과가 정확히 빛의 속도와 같다는 것을 밝혀냅니다. 곧, 빛이란 패러데이 선들의 빠른 진동에 다름아니다 - 전기와 자기는 함께 보이지 않는 에너지파를 이루어 빛의 속도로 나아가고 있는 것이다!; 맥스웰은 또한, 자신의 방정식을 통해 패러데이 선들이 빛보다 느린 주파수로 진동할 수도 있다는 것을 알아냅니다 - 곧, 전하들의 운동에 의해 발생하여 다른 전하들의 운동을 유발하는, 또 다른 파동들이 존재한다는 것이죠. 그래서 여기에서 전하를 흔들면 파동이 발생해 저기에 전류를 흐르게 할 수가 있다는 것입니다!

아인슈타인의 직관: 중력장은 ‘시간의 흐름’에 따라 ‘빈 공간 속에서’ 퍼져 나가는 것이 아니라, 중력장 그 자체가 바로 공간이다!; 아인슈타인에 의하면; 공간은 파도처럼 물결을 이루며 휘기도 하고 굴절도 하고 왜곡되기도 하는 실체이다. 태양의 중력은 자신의 주변 공간을 굴절시키고, 지구는 (뉴턴의)‘신비로운 원거리 힘’에 이끌려 태양 주위를 도는 것이 아니라, 직선으로 주행하되 태양의 중력에 의해 생성된 기울어진 공간 속에서 주행하기에 태양 주위를 돌게 되는 것이다 - 곧, 행성들이 태양 주위를 돌고 물체가 바닥으로 떨어지는 것도 공간 자체가 곡선을 이루고 있기 때문인 것이다!; (! 이전에 얘기한.. “지구가 돌아간다면 우리가 배 위에서 점프하면 바다에 빠질 것이 아닌가?”라는 물음에 이제 갈릴레오가 제대로 답할 수 있을거 같군요: “지구 또한 중력을 통해 주변 공간을 휘게 만들기에.. 저 깔때기 속에서의 구슬의 움직임처럼, 우리가 배 위에서 점프하면; 항해하는 배도 그렇듯이, 배 위에서 점프하는 우리 또한 깔때기 안에서 기울어진 채 지구를 따라 돌아가기 때문에 바다에 빠질 일은 없을 듯합니다 ㅎ”)

빛이란 무엇인가?

░ 아인슈타인은 ‘절대 시간’과 ‘절대 공간’을 전제로한 (뉴턴의)시간과 공간에 대한 그동안의 개념이 잘못된 것이 아닐까 의심한다..

빛이란 무엇인가?: (물방울 입자가 프리즘처럼 작용하여 빛을 분해하는)무지개의 비밀을 밝힌 뉴턴은 색이 빛의 성질이라는 것을 알아채고 빛을 탐구하기 시작합니다. 하지만, 당시 시인들은 (무지개를 각각의 빛들로 분해함으로써)뉴턴이 자신들의 시적 감흥을 떨어뜨렸다고 영 불만이었다고 합니다 ^^ 그럼에도, 정녕 빛이란 무엇인가요?; 뉴턴은 빛이 ‘입자’(알갱이)로 되어 있다고 생각했습니다: 빛이 물체에 비치면 그림자가 생기는데, 빛이 만약 ‘파동’이라면 빛은 유연하게 물체를 감싼 채 옆으로 해서 뒤로 돌아갈 것이기에 그림자는 생기지 않을 것이다. 반면, 뉴턴과 동시대를 살았던 네덜란드의 물리학자 하위헌스는 빛이 파동이라고 주장합니다: 빛이 만약 입자라면 물체와 부딪쳤을 때 튕겨져 나가야 하는데, 실은 똑바로 나아가기에.; 하지만 이때까지도 사람들은 빛은 에테르(세상을 이루는 4원소라고 생각하던 물, 불, 흙, 공기 이외에 아리스토텔레스가 나중에 추가한 하늘의 ‘제 5원소’)라는 가상의 물질이 매개한다고 생각하고 있었습니다 - 곧, 소리가 공기를 통해 전달되듯이 빛은 에테르를 통해 전달된다는 것입니다. 맥스웰 또한 그 ‘에테르’ 가설을 증명하려고 애썼지만, 결코 증명할 수는 없었습니다 ㅡㅡ;; 색은 또 무엇인가요? 우리를 둘러싼 세계에서 색은 빛이라는 전자기파의 주파수(진동의 속도)인데, 우리가 지각하는 색은 서로 다른 주파수의 전자기파를 식별하는 우리 눈의 수용체가 생성해낸 신경신호의 심리물리적 반응이다 - 곧, ‘본다는 것’은 물체에서 반사된 빛을 지각하는 것이고, 빛은 패러데이 선들의 움직임이다. 횡단보도 건너편 파란색 신호등의 깜박임이 눈에 보인다면; 그건 신호등과 나 사이에 이 진동하는 선들의 호수가 있어서 그 영상을 우리에게 옮겨주기 때문인 것이다!

특수 상대성이론: 내가 만약 거울을 들고 빛의 속도로 움직인다면; 거울 속에 있는 내 얼굴이 보일까? – 아인슈타인; 시속 80Km로 달리는 자동차를 타고 같은 방향으로 움직이는 빛을 보면 빛은 빛의 속도에서 80Km를 뺀 만큼 느리게 나아가고, 자동차가 빛과 반대 방향으로 달린다면 빛은 빛의 속도보다 80Km만큼 더 빠르게 뒤로 지나치게 된다. 곧, 빛의 속도로 움직이면서 거울을 보면 얼굴에서 나온 빛은 절대 거울에 닿지 않을 것이고, 거울에는 자신의 얼굴이 비치지 않는다. 그러나 아인슈타인은 '보인다'고 말합니다. 왜? 빛의 속도에 나의 속도를 더하지 말라!; 뉴턴 역학에서의 절대시간과 절대공간은 우주의 어디서나 적용되는 보편적인 개념으로서 시간은 빨라지거나 느려지지 않으며, 공간은 늘어나거나 줄어들지 않는다. 또한, 물체에 힘만 보태준다면 어떤 속도로도 움직일 수 있다. 하지만, 아인슈타인의 특수 상대성이론은 빛의 속도는 항상 일정하며, 움직이는 물체는 시간이 지연되고 질량은 커진다 는 것을 보여줍니다. 곧, 우주를 구성하는 모든 물체는 질량과 에너지가 결합된 형태로 나타나며, 주변 조건에 따라 상호 전환되는데, 만약 물질을 결합하고 있는 에너지의 작은 부분이라도 풀려난다면; 그 결과는 원자폭탄 같은 핵분열로 이어질 수 있다는 것입니다!

일반 상대성이론

░ 특수 상대성이론에 따르면; 속도가 빠른 곳에서는 시간이 천천히 흐르고, 속도가 느린 곳에서는 빠르게 흐른다. 일반 상대성이론에 의하면; 중력이 센 곳에서는 시간이 천천히 흐르고, 중력이 약한 곳에서는 빨리 흐른다

일반 상대성이론: 도대체 중력이란 무엇일까? 아인슈타인은 '중력과 가속은 같다' 고 말한다..; 뉴턴의 중력법칙에 따르면; 두 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 존재한다. 그런데, 안드로이드은하 제국 군대의 전격적인 핵 공격에 의해 지금 갑자기 태양이 파괴된다면; 태양의 중력에서 벗어난 지구는 곧바로 직선으로 움직일 터인데.. 지구에 사는 우리는 8분 뒤에야 태양이 사라진 암흑 세상에 접하게되고(태양과 지구의 거리는 빛의 속도로 8분임), 이는 중력 효과가 (우주의 제한 속도인)빛보다 더 빠르다는 모순적 결론에 이르게 된다(?); 이에, 아인슈타인은 중력은 실제로 사물을 끌어당기는 미지의 힘이 아니라 별의 질량에 의해 주변 시-공이 구부러지고 휘어져있기에 발생하는 것이라고 말한다: 별의 중력은 주변의 시-공간 구조를 구부러뜨리고, (직선 운동을 하는)주변 행성들은 이 구부러진 시-공간 속에서 별 주위를 반복적으로 돌게 되는 것이다(곧, 행성들은 어떤 힘에 이끌려 별 주위를 도는 것이 아니라 그저 구부러진 시-공간에서 저항이 가장 작은 경로를 따라 움직일 뿐인 것이다!). 별을 둘러싼 구부러진 곡면은 (직선 운동을 하는)행성들이 별 주위를 돌도록 할 뿐 아니라, (직선으로 이동하는)빛조차도 굴절시킨다 - 곧, 공간만 아니라 시간도 휘어진다!

양자이론

░ 브라운 운동을 분석한 자신의 최초 논문을 통해 물질의 입자 구조를 증명한 아인슈타인은, 빛 또한 입자 구조를 가질 수밖에 없음을 밝혀냈는데, 이는 이후 현대 양자이론으로 가는 길을 열어준다: 빛을 포함해 모든 사물의 바탕에는 입자성이 존재한다!

양자이론의 서막(& 끝): 제목이 ‘하 수상하군요’ ^^ 양자이론에 따르면; 모든 사물에는 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위 가 존재하는데, 그것은 바로 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위인 양자입니다(빛의 단일 양자는 광자라고 부릅니다); 플랑크 상수: 모두가 에너지는 연속적으로 변화하는 것이라고 알고 있던 때, 플랑크는 전자기장의 에너지가 ‘양자들’의 묶음, 즉 에너지 덩어리로 분포되어 있다고 상상하고, 그 묶음의 크기가 전자기파의 진동수(= 색)에 의존한다고 가정한다: 에너지= 플랑크상수 x 진동수 ← 에너지는 진동수의 파동 시 각 '에너지 묶음'에 얼마나 많은 에너지가 있는지를 결정하는 플랑크상수에 의존한다; 이에, 아인슈타인은 빛을 쬐이면 전자가 튀어나와 약한 전류를 발생시키는 물질들의 광전효과(예: 빛을 감지하는 센서의 작동 등) 분석에서 이 효과가 빛의 강도(= 에너지량)가 아니라 빛의 색(= 진동수)에 따라서 발생한다는 관찰 결과에 의거하여, 플랑크의 '에너지 묶음'이라는 아이디어를 차용한다:; 곧, 빛이 에너지의 알갱이 형태로 온다고 가정할 때, 전자를 때려서 방출시키는 것은 빛의 세기가 아니라 빛의 개별 에너지 알갱이가 충분히 큰 때 발생하는 것이다. 다시 말하자면; 빛은 무리를 이루어, 빛의 입자(= 광자)들이 모여 만들어지는 것이다!