물리학이란 자연과학의 한 분야로 물질과 물질이 시공간에서 어떻게 운동하는지, 그리고 그것과 관련된 힘과 에너지 등을 연구하는 분야입니다.
2천 년 이상 동안 물리학은 생물학, 천문학, 지구과학, 화학과 함께 자연 철학의 일부분으로 여겨졌지만, 15~16세기 서구권에서 일어난 르네상스 운동을 통해 고대 그리스 문화와 과학의 부활을 가능하게 했고 17세기 과학 혁명을 통하여 물리학은 철학에서 독립하여 독자적 학문으로 여겨지게 되었습니다.
그렇다면 물리학을 왜 배우는 것일까요?
물리학의 목표는 물리적인 세계를 실험에 기초한 이론을 개발하여 이해하는 것입니다. 물리학의 이론은 물리계가 어떻게 작동하는가를 흔히 수학적으로 표현하여 기술합니다. 물리계에 대한 이론을 예상하고 이러한 예상을 실험이나 관측으로 검증합니다. 만약 이런 과정을 통하여 검증한 것이 예측했던 이론과 일치한다면 이론은 유지되지만 잠깐에 불과하며 물리학의 작은 분야에서조차 모든 현상에 대해 완벽하게 설명할 수 있는 이론은 없습니다. 물리학은 모든 물체의 운동 원리를 이해하기 위하여 끊임없이 진화하는 과정에 있습니다.
물리학의 기본 법칙
물리학의 기본 법칙은 힘, 속도, 부피, 가속도 등의 물리량들을 포함하며 모든 물리량은 가장 기본적인 물리량인 질량(M), 시간(T), 길이(L) 세 가지를 이용하여 나타낼 수 있습니다.
우리가 어떤 물리량을 측정하여 결과를 얻고 다른 사람들과 공유하기 위해선 물리량의 단위가 통일되어야 합니다. 따라서 국제 위원회에서 1960년 물리량의 단위에 대하여 SI(System International)라고 하는 표준 단위를 사용하기로 정하였고 길이, 질량, 시간 각각의 표준 단위는 킬로그램(kg), 초(s), 미터(m)로 결정되었습니다.
질량
질량의 SI 단위인 킬로그램(kg)은 프랑스 세브르에 있는 국제도량형국에 보관된 백금과 이리듐 합금 도구의 질량으로 정의됩니다. 질량은 물체가 운동 상태 변화에 저항하는 성질을 나타내는 양이며 질량이 커질수록 운동 상태를 변화시키기 어렵습니다.
시간
시간은 1960년 전까지 1900년의 평균 태양일(태양이 하늘 최고점에 도달한 시각부터 다음날 최고점에 도달할 때까지 시간)로부터 정의되었고 이에 따르면 초(s)는 평균 태양일의 (1 / 60) x (1 / 60) x (1 / 24) = 1 / 86 400이 됩니다. 그러나 이후 1967년 세슘-133 원자에서 나오는 전자기파의 특성 진동수를 이용하는 원자시계를 이용하여 다시 정의되었으며 현재는 세슘-133 원자에서 나오는 복사선 주기의 9 192 631 700배 되는 시간을 1초로 정의합니다. 원자시계는 2천만년에 오차가 1초 이내인 높은 정확도를 가지고 있습니다.
◎ 과학에서는 수학과 달리 세 자리 이상의 수를 쓸 때 콤마를 붙이기보다 세 자리마다 띄어 쓰는 방식을 사용합니다. ex)12,345 = 12 345
길이
그렇다면 현재 우리가 알고 있는 "1m"의 길이는 누가 정한 것일까요? 1799년 프랑스에서 길이의 표준 단위를 미터로 정하면서 이를 적도로부터 북극까지의 거리의 천만분의 일로 정의했습니다.
이후 1960년까지 미터의 공식적인 거리는 항온 항습 장치 (공기의 온도와 습기를 유지하기 위한 장치)에 보관된 백금과 이리듐 합금 도구에 표시된 두 선 사이 거리로 유지하고 있었지만 두 선 사이 거리를 측정하는 것이 정밀하지 않다는 이유로 폐기되고 이후 크립톤(kr)-86 전등에서 나오는 주황빛의 파장의 1 650 763.73배로 정의되었습니다. 그러나 1983년 이 표준 또한 폐기되고 현재 사용되고 있는 진공 속의 빛이 1 / 299 792 458초 동안 움직인 거리로 정의되었습니다. 이 정의에 따르면 진공에서 빛의 속력은 299 792 458 m/s입니다.
여러 가지 근삿값들
지금까지 질량, 시간, 길이에 관한 정의를 알아보았고 이를 통해 여러 가지 근삿값들을 확인할 수 있습니다.
| 질량(kg) | |
| 태양 | 2 x 10^30 |
| 지구 | 6 x 10^24 |
| 달 | 7 x 10^22 |
| 사람 | 7 x 10^1 |
| 박테리아 | 1 x 10^-15 |
| 수소 원자 | 2 x 10^-27 |
| 전자 | 9 x 10^-31 |
| 시간(s) | |
| 우주의 나이 | 5 x 10^17 |
| 지구의 나이 | 1 x 10^17 |
| 20살인 사람 | 6 x 10^8 |
| 1년 | 3 x 10^17 |
| 1주일 | 6 x 10^5 |
| 1일 | 9 x 10^4 |
| 심장 박동 간격 | 8 x 10^-1 |
| 길이(m) | |
| 1광년 | 9 x 10^15 |
| 지구~태양 | 2 x 10^11 |
| 지구~달 | 4 x 10^8 |
| 지구 반지름 | 6 x 10^5 |
| 수소 원자 | 1 x 10^-10 |
| 원자핵 | 1 x 10^-14 |
| 양성자 지름 | 1 x 10^-15 |
앞에서 설명했던 SI 단위계 외에도 cgs단위계와 가우스 단위계가 존재하며 cgs 단위계나 가우스 단위계에서 질량, 시간, 길이의 표준 단위는 각각 그램(g), 초(s), 센티미터(cm)이며 미국 관습단위계에서는 세 가지를 각각 슬러그(slug), 초(s), 피트(ft)를 사용합니다.
미터를 사용하는 단위계에서는 10의 거듭제곱을 나타내는 접두어와 약자가 있습니다.
| 접두어 | 약자 | 거듭제곱 |
| pico- | p | 10^-12 |
| nano- | n | 10^-9 |
| micro- | µ | 10^-6 |
| milli- | m | 10^-3 |
| centi- | c | 10^-2 |
| kilo- | k | 10^3 |
| mega- | M | 10^6 |
| giga- | G | 10^9 |
| tera- | T | 10^12 |
◎ 물리학에서 주로 쓰는 거듭제곱 단위이므로 알아두면 도움이 됩니다.
◎ 참고문헌
Raymond A. Serway, Chris Vuille. 『일반물리학 11판』. 일반물리학 교재편찬위원회(역). 북스힐, 2019.
