고전역학과 양자역학의 차이

[유토피아]

1.

첨단 과학이라 불리는 현대 과학은 고대로부터 수천년에 걸쳐 수많은 사람들에 의해 연구되고 발견되어 오늘날에 이른 것이다. 고대 과학에 있어서 여러 가지 과학법칙과 이론이 있었지만 그것은 그냥 단지 이론과 법칙일 뿐 과학의 체계와 틀을 갖추진 못한 상태였다. 그러한 상태의 고대과학으을 현대 과학의 토대로 만든 것은 근대 과학혁명이었다. 근대 과학혁명에 와서야 비로소 과학이라는 체계와 틀이 확립되었고, 이러한 토대위에서 비로소 현대의 첨단 과학이 탄생할 수 있었다. 모든 근대과학의 기본 이론은 누가 뭐라고 해도 역학이라고 하겠다. 역학은 모든 과학을 연구하느데 있어서 빠질수 없는 가장 기본적인 학문분야이다. 역학이란, 물체간에 서로 작용하는 힘과 운동원리에 대한 학문으로 “과학”이라 불리우는 학문중에서 가장 먼저 기초가 확립되고 체계화가 이루어진 분야이며, 이 역학 중에서도 운동역학은 최초로 체계화된 학문이며, 또한 최초의 역학이론이었다. 이러한 역학에는 운동학, 동역학, 정역학, 질점역학, 강체역학, 유체역학, 천체역학, 대기역학, 항공역학, 통계역학등이 있으며, 갈릴레이를 거쳐 뉴턴에 의해 기초가 확립되면서 근대 과학혁명이 마무리 되었다. 근대 과학혁명에서 기존 과학에 체계를 세우고 과학으로서의 토대를 확립한 사람이 바로 뉴턴이라 할 수 있다. 그는 프란키피알 f통해 기존의 과학이론과 법칙들을 정리하고 자신의 새로운 의견을 덧붙임으로서 뉴튼역학이 성립되었고, 뉴턴역학은 모든 과학의 근본원리로 간주되어 모든 법칙과 현상을 설명하는데 기본원리로 적용되었다. 하지만 20세기 이후 전자기학과 아인슈타인의 상대성 이론이 나오면서 뉴턴역학이라 불리우는 고전역학은 결정론적 인과성에 대한 한계와 적용 범위의 한계등 여러 가지 한계에 부딪히게 되었다. 따라서 이 한계를 돌파하기 위한 새로운 이론이 필요하게 되었으며, 이 때에 나타난 것이 플랑크의 양자론에서 시작된 양자역학이었다. 양자역학은 원자차원의 물질입자를 지배하는 학문으로 기존 고전역학의 토대위에 양자라는 획기적인 가설을 덧붙여 만들어진 학문이었다. 따라서 역학은 크게 고전역학의 대표인 뉴턴역학과 현대 첨단 과학의 토대를 이루는 양자역학으로 분류될 수 있다. 이렇게 현대 첨단과학의 성립을 가능하게 해 준 양대산맥인 뉴턴역학과 양자역학은 과학사에서 중요한 위치를 차지하며 그만큼 큰 의의가 있는 것으로 지금부터 두 역학의 각각의 역사적 탄생배경과 간단한 내용, 그리고 과학사에서의 의의를 살펴보도고ㅗ 간단히 비교를 해 보려고 한다.

2  뉴턴역학

근대 과학혁명을 마무리하고 근대 과학의 체계를 확립한 고전역학인 뉴턴역학의 사전적 의미를 보면 말 그래도 뉴턴의 운동법칙을 토대로 한, 즉 뉴턴의 운동법칙을 기초로 하는 역학을 통칭하는 말이다. 뉴턴역학을 말기 전에 뉴턴이 어떤 사람이었는지부터 살펴보기로 하겠다.

1) 뉴턴 - 1642년부터 1727년의 과학혁명기에 생존했던 과학자로 여러 가지 많은 업적을 남겨 과학사에서 중요한 위치를 차지하고 있는 과학자로서 플라톤주의자이기도 하다. 뉴턴은 갈릴레이가 죽은 해에 태어났고, 이는 코페르니쿠스가 사망한지 100년되는 해 였다고 한다. 뉴턴은 어렸을 때부터 작고 허약했기 때문에 사회적 열등감과 소외감을 가지고 있었을며, 이 때문에 자신에게 부당한 대우를 한 사람은 절대로 용서하지 않고 나중에 반드시 보복을 했다고 한다. 반면에 어렸을 때부터 공부를 좋아하고, 사색에 잠겨 여러 가지 문제를 생각하기를 좋아하여 대학시절에는 “몇가지 학문적 문제"라는 노트를 만들고 노트의 맨 앞에 ”플라톤은 나의 친구이다. 아리스토텔레스는 나의 친구이다. 그러나 가장 좋은 내 여자친구는 진리이다.“라는 좌우명을 적어두었다고 한다. 또한 이 노트는 나중에 ”프란키피아“라는 과학사에 길이 남는 책을 집필하는데 중요한 역할을 한 노트이기도 하다. 뉴턴은 신비주의 사상에 심취하기도 하여 학문연구의 80%를 연금술로 연구하기도 했으며 기독교인으로 예수재림사상에 심취하기도 했고, 성서 공부도 했으나 삼위일체론을 부정하기도 했다. 캠브리지 트리티니티 대학을 졸업한 후 25세의 나이로 수학교수로 임명되었으며, 데카르트와 케플러에 심취해서 많은 연구를 한 결과, 물리학, 천문학, 광학, 연금술 등의 분야에서 업적을 남겼으며 나중에는 영국의 화폐사업의 기초를 완성하기도 했다. 특히 광학분야에서 망원경으로 천체를 관측하다가 스펙트럼을 발견하고 빛이 미립자로 구성되어 있다는 "미립자론”을 발표하기도 했다. 뿐만 아니라 모두가 잘 알고있는 만유인력의 법칙을 완성함으로써 기하학적으로 인력의 법칙을 설명하여 기계론적 우주관을 성립시켰으며, 근대 역학을 이론화, 체계화 시켰다. 게다가 대부분의 이과생들이라면 진저리를 치기 마련인 미분법을 고안한 것으로 유명하나 비슷한 시기에 라이프니츠도 미분법을 발표하여 누가 먼저 고안한 것인가에 대한 저작권문제는 아직도 미해결된 상태이다.

이렇게 많은 업적을 남긴 뉴턴에 의해 확립된 고전역학이 뉴턴역학이다.

2) 뉴턴역학

뉴턴역학은 맥스웰의 전자기론과 함께 고전물리학의 기초를 이루는 학문이며 고전역학으로도 불리우는 모든 법칙과 현상의 기본 원리로 적용되었던 학문이다. 뉴턴은 기본적으로 사색에 의한 이론보다는 수학적 원리와 증명에 기초한 과학을 제창하였는데, 이로 인해 많은 학자들과 대립을 하기도 했다. 수학교수로 있으면서 많은 학자들과 편지로 의견 교환을 하면서 자신의 이론을 펼치기도 했는데 그러던중 헬 리가 케플러의 법칙에 의한 행성의 타원궤도 증명에 어려움을 겪고 있을 때, 뉴턴에게 편지를 보내 도움을 구했다. 뉴턴은 몇 년전에 자신이 그것을 증명했지만 지금 가지고 있지는 않다고 답변을 했고, 이에 헬리는 다시 한번 증명해 줄 것을 요청하였다. 몇 개월에 걸쳐 다시 행성의 타원궤도를 증명한 뉴턴의 편지를 받아 본 헬리는 뉴턴의 지식이 너무 아까워 이 증명을 책으로 한번 써 달라는 요청을 했고, 이에 뉴턴은 3년에 걸쳐 책을 쓰기 시작했는데, 이 책에는 타원궤도의 증명뿐만이 아니라 지금까지의 모든 과학이론을 정리하고 자신의 의견을 덧붙였다. 이렇게 탄생하게 된 과학의 성서라고 불리우는 “자연철학의 수학적 원리” - 흔히 “프란키피아”라고 불리우는 책은 당시의 사회에 큰 영향을 끼쳤으며 과학에 있어서도 근대과학의 혁명을 마무리 시키고 과학의 체계를 확립해 준 과학사적으로 중요한 책으로서 이 책에서 뉴턴역학이 성립되게 되었다. 뉴턴은 “프란키피아”에서 기존의 하늘과 땅의 법칙은 각각 다른 법칙이 적용되어 하늘의 법칙과 땅의 법칙이 다르다고 여기는 아리스토텔레스적 사고인 분리적 사고방식을 기존의 여러 가지 과학 이론을 정리하는 동시에 이미 완성되었던 갈릴레이의 지상역학과 케플러의 천문학을 결합하여 완성되었지만 체계화 되지 못했던 근대역학을 이론화 및 체계화 시킴으로서 뉴턴역학을 완성시켰다. 프란키피아에 나오는 가장 중요한 이론은 우리가 잘 아는 “뉴턴의 운동의 3법칙”이 등장한다. 이 법칙은 “1. 관성의 법칙”, “2. 가속도의 법칙”, “3. 작용/반작용의 법칙”으로서 근대 역학에서 기본원리로 적용되어진 단순하지만 획기적은 법칙이었다. 프란키피아는 총 3부로 구성되어 있으며 1,2부에서는 기존의 일반적인 역학의 수학적 검토를 통한 체계적 검토와 정리를 했고, 3부에서는 1,2부에서 정리된 역학을 천체현상에 응용하여 만유인력의 법칙을 증명하고 있다,. 프란키피아에서 뉴턴은 모든 자연현상은 동일한 법칙에 의해 움직인다고 하는 “기계론적 세계관”을 확립하였으며 기본적인 가정은 “중력의 근본원인은 신이다”라는 것으로 신은 시계를 항상 고치는 수리공과 같다고 서술한다. 따라서 시간과 공간은 절대적인 개념이 작용하고 있다.

3) 뉴턴역학의 한계

하지만, 이렇게 대단했던 뉴턴이라도 완벽할 수는 없었다. 즉, 뉴턴역학이 한계에 부딪히게 된 것이다. 뉴턴의 역학은 18세기 프랑스의 수학자들에 의해서 다듬어지고 세련화 되면서 중력을 기본으로 다른 힘들에 대해 논의를 하게 되었고, 과학이 발전함에 따라 물질을 계속 분해하여 물질이 분자, 원자, 원자핵, 전자 등으로 미세하게 나누어지게 되었다. 이에 따라 우리 눈에 보이는 것이 아닌 미시적이고 원작적인 운동에도 관심을 가지게 되었다. 20세기에 들어와서 아인슈타인의 상대서 이론과 플랭크의 양자론이 나오면서 뉴턴역학은 공격을 받게 된다. 뉴턴역학에서는 기본적으로 연속성과 함께 시간과 공간을 절대적인 것으로 본다. 예를 들어 힘이 가해져 움직이는 물체는 힘의시작점부터 힘이 가해지는 마지막 기점까지 시간에 따른 위치의 변화로 움직이게 되며, 이때에 힘의 변환ㄴ 세기에는 변화가 있다고 하여도 연속성을 가지게 된다. 하지만 상대성 이론에 따르면 광속에 가까운 속도로 달리면 시간은 정지한 상태와 같다고 하면서 공간의 이동에 따라 시간이 절대적이라는 절대성을 부정하게 되며, 원자의 운동에서는 힘의 연속성이 나타나지 않으며, 소립자와 같은 것은 입자이기도 하며 아니기도 하고, 모든 원인과 결과가 필연적으로 연관되어 잇다는 기계론적으로 이어진다는 고전물리학에 대해 소립자, 중성자는 인과관계가 성립 안되는 등 고전역학의 한계점이 나타나게 된다. 따라서 일반적인 현상에는 너무나 잘 들어맞는 이론이었지만, 초 거시적, 또는 초 미시적 현상에는 적용이 안되는 문제점이 나타나게 되었다. 이에 따라 과학에서는 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 돌파구가 필요하게 되었고, 그 결과 현대 과학의 근본을 이루게 되는 양자역학이 나타나게 되었다.

3. 양자역학

양자역학의 사전적인 정의는 뉴턴역학과 마찬가지로 양자론의 기초를 두는 물리학의 이론체계를 통칭하는 말로서 플랑크에 의해 제시된 양자라는 가설을 자연인식 속에 도입한 것이다. 양자역학은 뉴턴역학의 토대위에 만들어진 이론으로 뉴턴역학의 한계를 극복한 역학이다. 초기의 양자역학은 획기적인 이론이었으나 역시 많은 문제점이 나타나기 시작했고, 보어의 대응원리를 거쳐 많은 학자들에 의해 다듬어지면서 비로소 제대로 된 이론으로서의 체곌ㄹ 가질수 있었다. 양자역학을 말하기 전에 양자를 먼저 살펴보면 양자는 어떤 눈에 보이는 명확한 물질이 아닌 불연속적인 상태에서의 에너지의 단위를 말하는 것으로 실제 존재한다기 보다느 sdnfl의 관념에 존재하는 것이다. 이 양자가설은 그동안 설명이 불가능했던 광전효과의 설명을 가능하게 했으며 원자, 분자, 소립자등 미시적 대상에 적용되는 이론으로서 현대 물리학을 발전시킨 현재 가장 타당성을 지닌 이론체계이다.

1) 양자역학

양자역학은 플랭크의 양자가설이 기본 이론으로서 양자가설로 인해 양자개념이 시작되면서 나타난 현대 역학이다. 양자역학이 나타나게 된 배경은 온도에 따른 불꽃의 변화가 고전물리학의 이론처럼 연속적이지 않고 불연속적이며 광전현상에 대한 설명이 불가능한데서 시작되었다. 양자가설이 적용되어 에너지의 흡수 방출을 위한 양자라고 하는 일정량의 에너지가 뭉쳐야 비로소 에너지를 발산 또는 흡수 할 수 있다는 이론으로 온도에 따른 불꽃 반응이 연속적이지 않은 것을 설명하면서 에너지의 연속성을 부정하였다. 그 후 아인슈탄인의 광양자설에서 양자이론이 거론되면서 주목받기 시작했고, 원자 구조를 해결하는 중요한 열쇠를 제공하여 보어의 원자모형을 탄생시켰다. 이러한 초기의 양자이론은 고전역학의 한계를 해결했지만 여전히 문제를 안고 있었다. 보어가 비록 엉성한 원자모형이었지만, 원자구조를 만들어서 그것을 증명하려 했으나 이론과 실험 결과와의 차이가 생김으로서 증명이 되지 않고 번번히 실패하게 되었다. 또한 초기의 양자이론에서는 전자의 안정성에 대한 언급은 없었으며, 수소를 비록한 1족에 속하는 알칼리 원소에 대해서는 기가 막힐 정도로 잘 들어맞았지만 나머지는 설명이 불가능했다. 그래서 보어는 양자역학에서만 해답을 찾지 않고 고전역학으로 다시 눈을 돌렸다. 그 결과 원자모형의 같은 궤도내의 전자와 같이 에너지차가 적은 곳에서는 고전역학이 적용되었고, 궤도가 달라질 때인 에너지의 차이가 큰 경우는 양자이론이 적용되었다. 이는 초기 양자이론의 한계를 해결해 준 것으로 보어의 대응원리라 불리운다. 보어의 대응원리를 다시 한번 간단히 설명한다면 원자내에서 에너지으 차이가 적은 같은 궤도내에서의 에너지는 연속적으로서 고전역학이 적용되고, 에너지의 차이가 많은 다른 궤도일 때, 즉 궤도가 바뀔때는 에너지가 불연속적으로 양자역학의 적영이 타당하다는 이론이다. 이 대응원리는 후에 양자역학 뿐만 아니라 모든 학문분야에서 신.구이론의 조화와 한계를 돌파하는 돌파구로 확대된다. 보어의 대응원리에 의해 자리를 잡기 시작한 양자이론은 하이젠베르그에 의해 체계화 되었다. 이러한 양자이론의토대아래 드브로이는 물질입자는 입자임과 동시에 파동일 수 있다는 입자-파동의 이중성인 이론인 물질파 이론에 의해 아인슈타인의 물질과 에너지 상호변환을 확신하였고, 이 이론은 전자 현미경에 적용되었다. 슈뢰딩거의 경우 파동방정식을 제안하여 한점에서 입자가 관측될 확률을 계산하는 공식을 제안하였고, 이 파동방정식으로 수소의 원자구고자 해명됨으로써 보어의 현상론적 이론이 볼질적 단계로 발전하게 되었다. 데이미슨은 전파의 파동성을 입증하여 원자구조의 전자기파에 의한 이론적 설명을 확립했으며, 보은이 원자내 전자운동을 수학적으로 설명함으로써 1942sis에 비로소 “양자역학”이라 불리우게 되었다. 그리고 그 직후 보른과 하이젠베르그가 공동으로 행렬역학을 만들어 냄으로서 양자역학의 체계를 확립하였다.

이렇게 근대 과학혁명을 마무리 하고 등장한 뉴턴역학과 이 뉴턴역학을 토대로하여 성립한 양자역학은 분명히 연결되고 잇지만 반면에 다른 점도 있다. 그래서 두 역학을 비교해 보고자 한다. 뉴턴역학과 양자역학의 비교는 직접적으로 나와있는 문헌이나 자료가 없었기 때문에 맞을지는 모르겠지만 여러 가지 자료를 읽고 정리한 내용을 토대로 4가지 정도로 간단하게 비교해 보고자 한다. 비교항목은 각 역학의 관점, 성격, 적용범위, 특징등으로 분류해 보았다.

뉴턴역학과 양자역학의 비교
	뉴턴역학	양자역학
관    점	거시적 세계 적용	초 거시적, 미시적 세계 적용
성    격	인과적(결정론적 인과성, 양립성 보증)	확률적(결정론적 인과율 부정)
적용범위	물질에 적용	에너지에 적용
특    성	에너지의 연속성	불연속성

위의 표에서 보듯이 4가지의 뚜렷한 차이점이 나타난다. 우선 뉴턴역학은 우리가 일반적으로 볼 수 있는 자연현상인 거시적 trP에 적용이 가능핟. 하지만 초 거시적인 세계나 미시적 세계에서는 양자역학이 적용되며, 뉴턴역학은 기계론적 우주관을 바탕으로 한 결정론적 인과율을 인정하지만 양자역학에서는 반드시 인과관계에 의해 분자내 전자가 나타나는 것이 아니라 그것은 어디가지나 확률로서만 나타날 수 있다는 확률적 성격을 지닌다. 뉴턴역학은 물질을 구성하게 되는 물질 입자에 적용이 가능하고 양자역학은 물질이 아닌 에너지에 적용할 수 있다. 모든 것을 종합해 볼 때 두 학문의 가장 큰 특징은 뉴턴역학의 경우 에너진으 연속성을 다루고 잇지만 양자역학은 에너지의 불연속적 특면을 다루고 있다.

  뉴턴역학과 양자역학의 과학사적 의의

이상에서 본 바와 같이 고전과학에서 근대과학으로 넘어온ㄴ 과학혁명의 시기에 완성된 근대과학의 대표주자인 뉴턴역학과 최고의 이론이며 학설이라고 일컬어지며 더 이상의 과학이론은 없다던 뉴턴역학의 한계를 돌파라기 위한 돌파구로 뉴턴역학의 토대위에 성립된 양자역학은 과학사에서 큰 위치를 차지하며 과학서를 전환시키는 중요한 전환점이 된 사건들이다. 따라서 뉴턴역학과 양자역학이 과학사에서 차지하는 위치는 중요하다. 그러면 각 역학의 과학사적 의의에 대해서 살펴보기로 하겠다.

1) 뉴턴역학의 과학사적 의의

뉴턴역학은 앞서도 계속 반복해서 언급했듯이 고전 물리학의 가장 기본적인 토대였으며, 과학서적으로 갈릴레이의 지상역학과 케플러의 천문학을 하나로 결합하여 기존의 역학을 이론화, 체계화 시킨 중요한 역할을 했다. 기존의 역학을 뉴턴이 “프란키피아”라는 책을 통해 하나로 결합하였기 때문에 뉴턴통합 이라고도 불리는 뉴턴역학은 천문학과 역학의 가장 성공적인 결합이었으며, 이 과정에서 수학적 증명을 이용함으써 기존에는 철학자의 몫이라고만 생각했던 자연철학을 수사학과 수학을 접못시키면서 자연철학의 중요성을 강조했다. 또한 하늘과 땅은 각각의 법칙에 의해 움직인다고 하는 기존의 아리스토텔레스적 세계관을 부정하고 하늘과 땅은 동일한 원리에 의해 움직이며, 이 우주는 간단한 자연법칙 몇 가지로 움직이는 일종의 기계장치와 같다고 하는 “원자적, 기계적 자연관”을 확립시킴으로써 과학을 함에 있어 새로운 시간을 제시해 주면서 이후의 과학의 방법론과 모델을 제시해 주었다. 뉴턴역학은 과학에 뿐만 아니라 사상에 있어서 진보적이며, 인간중심적이었기에 계몽사상에도 지대한 영향을 미쳤으며, 기존의 실험에만 의존하던 이론을 수학적 규명을 통해 증명하고 체계를 확립했다. 하지만 빛의 이론과 미시적 세계에 있어서는 만족할 만한 증명은 제시하지 못했다.

2) 양자역학의 과학사적 의의

양자역학은 현대 물리학 발전의 핵심적 기본원로서 많은 현대 과학분야 발전에 이바지 하고 있으며, 고전역학과는 다른 양자라고 하는 혁명적인 개념을 도입한 이론이었다. 뉴턴역학에서 해결하지 못했던 광전효과를 명쾌하게 해결함을써 뉴턴역학의 문제점을 해결할 수 있었으며, 자연에서의 모든 것을 궁극적으로 연속적이면서 또한 점진적이라는 고전 물리학의 모순을 지적하며, 뉴턴역학은 양자이론의 근사이론으로 위상이 하락하게 되었다. 또한 원자구조 해결의 실마리를 제공해주는 과정에서 대응이론을 탄생시켰고, 이 대응이론은 초기 양자이론의 한계에 대해 구체적 문제점의 해답을 풀 때 실마리를 제공해 줌으로써 양자론 보완의 길잡이 역할을 했다. 뿐만 아니라 대응원리는 양자이론에만 국한되지 않고 모든 구이론과 신이론을 접목시키는 기본원리로 사용되게 되었다. 양자역학은 원자, 분자구조 해명, 물질의 화학적.물리적 성질 해명, 도체와 부도체의 구별(반도체 산업과 직결), 고분자의 성질, 생체고분자의 긴으에 관한 양자역학적 해명 등 매우 광범위한 분야에서 물성물리학을 발전시키는  토대가 되었다. 게다가 사회과학에 상대적 개념과 수학의 필요성 인식에 영향을 주었고, 조사와 실험의 중요성을 강조하게 되었다.

  맷음말

어설프게나마 그동안 읽고 정리해 두었던 자료들을 활용하여 뉴턴역학과 양자역학이라는 두 학문을 과학사적으로 조명해 보고, 각각의 학문이 나타나게 된 배경과 간단한 이론들을 살펴보면서 어설프치만 비교도 시도해 보면서 각 학문의 과학사적 의의를 찾아보았다. 전공이 환경학인 만큼 전공과 관련이 있는 환경과학과 생태학계통을 좀더 심도있게 다루어 보는 것도 좋겠지만 개인적 생각으로 과학사에 있어서 중요한 위치를 차지하고 있고 과학의 전환점이 되는 두가지 역학의 사전을 조명해보고 그 의의를 알아보는 것이 더 좋을 것이라는 생각을 했다. 여러 과학사 관련 서적을 찾아보아도 뉴턴역학과 양자역학의 역사적 사실들은 많이 나와 있었지만 그것에 대해 과학사적 의의나 특징들, 비교는 찾아보기 힘들어서 몇몇 부분은 책에서 발췌하기도 했지만, 많은 부분은 개인적으로 정리하고, 분석해 본 부분도 많았기 때문에 잘못된 내용도 많이 있을 것이고 굉장히 미흡한 글이었다. 하지만 환경학을 공부하는 과학도로서 한 학기동안 과학사를 공부하면서 현대 과학이 있기까지 개인적으로 가장 중요한 사건이라고 생각하고, 또한 환경학의 기본토대가 되기도 하는 뉴턴역학과 양자역학이라는 두 가지의 중요한 학문을 조금 심도있게 살펴볼 수 있었던 것에 의의를 두며 미흡한 글을 마치려 한다.