물리법칙의 특성 - 리처드 파인먼

물리법칙의 특성, 리처드 파인먼, 전파과학사, 2018(전자책 발행)

 

 

 

 지구가 왜 둥근가? 모든 물체들은 서로 잡아당기기 때문에, 왜 정확히 둥글지 않은가? 자전으로 인해 바깥 부분이 약간 더 부풀어 균형을 이루기 때문에…

 

 

 그리하여 우리는 별들이 가까워짐에 따라 점점 더 세차게 회전하는 것을 보게 되며, 또한 나선형 별구름들의 모양에 대해 대략적이나마 정상적인 이해를 얻을 수 있을 것이다. 같은 방법으로 우리는 피겨 스케이트 선수의 회전에 

대해서도 이해할 수 있다. 처음에는 다리를 밖으로 편 채 천천히 돌지만, 다리를 안쪽으로 끌어당기면 도는 속도가 빨라진다. 다리를 안쪽으로 끌어당겼을 때 휩쓰는 면적이 다리를 밖으로 폈을 때와 같기 위해서는 도는 속도가 빨라질

수 밖에 없다.

 

 

 만약 두 사람이 각각 우주선을 타고 서로 스쳐 지나간다고 할 때 누가 움직이고 있고 누가 정지해 있는가에 대한 질문은 어떤 실험으로도 풀릴 수 없다는 사실이다. 우리는 그것을 상대성 원리라고 부른다. 직선상에서의 균일한 운동은

상대적이며, 또한 어떠한 현상이 되었든 양쪽의 관점에서 그 관찰이 가능하며, 결코 누가 서 있고 누가 움직이는지를 구분할 수가 없다.

 

 

 에너지는 우리가 알고 있는 한 완전하게 보존된다. 에너지는 단위화 되어 있지는 않다. 이제 질문은 에너지도 장의 근원인가이다. 답은 ‘예’이다. 아인슈타인은 중력이 에너지에 의해 생성되는 것으로 이해했다. 에너지와 질량은 동등하며,

따라서 질량이 중력을 생성한다는 뉴턴의 해석은 에너지가 중력을 생성한다는 설명으로 수정되었다.

 

 

 그것들이 숫자들이라는 개념에서 에너지 보존과 비슷한 법칙들이 또 있다. 그 가운데 하나가 운동량이다. 물체 내의 모든 입자의 질량에 각각의 속도를 곱하여 이것들을 모두 합하면 그 합이 입자들의 운동량이 되며, 총운동량은

보존된다. 지금은 운동량이 에너지와 매우 밀접하게 연관된 것으로 이해되고 있으며, 따라서 나는 그것들을 표에서 하나의 난에다 넣어 두었다. 

 

 

 정지된 태양 주위를 도는 행성에 미치는 힘이나 움직이는 태양 주위를 도는 행성에 미치는 힘은 서로 같다. 그러므로 두 경우에 있어서 행성의 속도 변화도 똑같다. 태양이 더 빨리 움직인다고 하면 행성도 그 방향으로 더 큰 속도를 얻을 

뿐 여전히 태양 주위를 돌고 있을 것이다. 결과적으로 어떠한 일정한 속도를 더해도 법칙들은 여전히 변하지 않으며, 따라서 태양계에서 행성들이 태양 주위를 도는 양상을 연구하는 것으로써는 태양 자체가 움직이는지 서 있는지를

알아낼 도리가 없다. 

 

 

 자연의 사실들이 쉽게 이해될 수 있는 것은 아니다. 위 실험의 결과는 너무 명백하게 상식에 위배되고 있어서 아직도 그 결과를 믿지 않는 사람들이 더러 있다. 그러나 시간이 흐르면서 많은 실험들에 의해 여러분이 아무리 빨리 이동하고

있어도 빛의 속도는 여전히 30만km/sec라는 사실이 암시되어 왔다. 이제 질문은 어떻게 그럴 수 있느냐이다.

 

 

 우리 자신들도 최초의 몇몇 분자들의 후손일 따름이며, 좌선분자의 형태가 아닌 우선분자의 형태로 형성되어진 것도 최초의 몇몇 분자들의 우연에 불과하다. 시작은 반드시 왼쪽이거나 또는 오른쪽이어야만 했으며, 그러고 나서는 자신을

재생하여 번식을 계속하는 것이다. 그것은 기계 공장의 나사들과 매우 비슷하다. 오른나사를 만들기 위해서는 오른나사 줄을, 그리고 왼나사를 만들려면 왼나사 줄을 사용한다. 생명체의 분자들이 한결같이 같은 종류의 나사 줄을

지니고 있다는 이러한 사실은 아마 생명 계통의 불변성에 관한 가장 심오한 증명이 될 것 같다. 

 

 

 우리는 과거를 기억하지만 미래를 기억하지는 못한다. 우리는 아마 ‘무슨 일이 생겼을 것이다’와 ‘무슨 일이 생길지 모른다’에 대해서는 전혀 다른 종류의 인식을 갖는다. 과거와 미래는 추억과 그리고 분명한 자유 의지라는 개념에서도

심리학적으로 완전히 다르게 보인다. 우리는 스스로가 미래에 어떤 영향을 줄 수 있다고 믿지만, 그러나 우리들 가운데 어누 누구도 또는 거의 아무도 우리가 과거에 어떤 영향을 줄 수 있다고 믿지 않는다.

 

 

 즉, 우리가 지금까지 발견해 온 모든 물리 법칙들에서는 과거와 미래에 대한 어떤 구별이 있는 것처럼 보이지는 않는다. 활동사진이 도는 방향은 양쪽이 다 옳아야 하며 이것을 바라보는 물리학자는 웃지 않을 것이다.

 

 

 ‘열’을 보자. 열은 흔들림을 뜻하는 것으로 되어 있다. 뜨거운 물체라는 말은 흔들거리는 원자들의 덩어리라는 말일 따름이다. 그러나 열을 논하고 있는 동안 우리는 가끔 흔들리는 원자들을 잊곤 한다. 

 

 

 만약 여러분이 어떤 두 가지 일이 같은 시간에 일어났다고 생각한다면, 그것은 단지 여러분의 생각일 뿐이다. 다른 누군가는 하나가 다른 하나보다 먼저 일어났다는 결론을 내릴 수도 있다. 따라서 동시성은 단지 주관적인 감상일 따름이다.

 

 

 이제 우리는 전자나 빛이 어떻게 행동하는가를 알고 있다. 그러나 그것을 무엇이라고 이름지을 수 있을까? 만약 내가 그것들이 입자처럼 행동한다고 말하면 그것은 틀린 설명이다. 만약 내가 그것들이 파처럼 행동한다고 말해도 

마찬가지다. 그것들은 그것들만의 독특한 방법으로 행동한다. 

 

 

 전자는 때로는 입자처럼 때로는 파처럼 행동한다. 전자는 동시에 두 가지의 다른 방식으로 행동한다.

 

 

 개구리를 구성하는 원자들도 그 배열만 다를 뿐 돌에 있는 원자들과 다를 바 없다. 따라서 우리의 문제는 더 간단해졌다. 우리가 갖는 것은 어느 곳에서는 항상 같은 원자들뿐이다.

 

 

 먼저 원자의 바깥 부분에 있는 입자들인 전자가 있다. 그리고 핵이 있다. 그러나 오늘날 핵은 그 자체가 중성자와 양성자라고 불리는 두 가지의 입자들로 되어 있는 것으로 알려져 있다.

 

 

 별들을 보면 그것들도 원자들로 되어 있고 또한 빛을 발산하는데, 빛 자체는 광자라고 불리는 입자들로 설명된다. 맨 앞에서 우리는 중력을 이야기했다. 그리고 만약 양자 이론이 옳다면 중력도 입자들처럼 행동하는 어떤 종류의

파를 가져야 하는데, 이때의 입자들을 중력자 (graviton)라고 부른다.

 

 

 만약 어느 정도의 사랑이면 충분하고 어느 정도이면 지나치게 관대한가를 미리 정확하게 선을 긋는 일이 가능하다면, 우리가 시험할 수 있는 완벽하게 합리적인 이론이 될 수 있을 것이다. 이러한 문제가 거론되면 항상 언급되는

말이 ‘심리적인 문제를 다루는 데 있어서는 정확한 정의가 불가능하다’이다. 맞는 이야기이다. 그러나 그렇게 되면 그것에 대해 아무것도 알 수가 없다.

 

 

 우리가 여전히 발견이 이루어지고 있는 시대에 살고 있다는 것은 대단한 행운이다. 마치 미 대륙의 발견과도 같이 어떤 것에 대한 발견은 단 한번이다.