[과학과 기술의 발전] 물리학과 공학

 

1. 물리학

물리학이란 세계가 무엇으로 만들어졌는지, 즉 별과 행성과 인간을 이루는 '재료'는 무엇인지, 그리고 세계가 어떻게 움직이는지를 연구하는 학문이다. 따라서 화학, 생물, 기타 과학에 기초 원리를 제시한다. 초기 자연철학자는 중국, 인도, 그리스 이론가들이 물질의 속성에 대한 다양한 기본사상을 제시하면서 경험보다는 주로 논쟁에 의존했다. 이러한 성향은 특히 그리스에서 심했는데, 기원전 5세기에 자연의 만물이 흙, 공기, 불, 물의 조합으로 이루어진다는 파르메니데스파와 세계가 보이지도 않고 쪼개지지도 않는 원자로 구성된다는 데모크리토스파의 논쟁에서 극에 달했다. 18세기말에서 19세기 초에 헨리 캐번디시와 앙투안 라부아지에가 물과 공기도 수소 등의 다른 요소로 쪼개질 수 있음을 입증하면서, 앞선 논쟁은 데모 크리토스의 승리가 유력해졌다. 이러한 연구 결과를 기초로, 영국의 교사였던 존 돌턴은 모든 물질이 기초 구성요소, 즉 원자로 구성된다는 가설을 제시했다. 20세기 초에 어니스트 러더퍼드는 심지어 원자도 양성자, 중성자, 전자로 나뉜다고 주장했다. 그 후로 과학자들은 이 모든 요소를 한 데 모아 유지하는 힘에 대해 의문을 제기했다. 제임스 맥시웰은 1864년부터 전기와 자력이 함께 작용하여 전자기장을 형성한다는 방정식을 개발했다. 이 전자기력과 더불어, 원자보다 작은 아전자 단위에 작용하는 강력과 악력, 그리고 우주 전체에 작용하는 중력은 현재 물질을 이루는 4대 힘으로 꼽힌다. 물질의 기본 입자가 파동과 유사하게 운동한다는 발견에 입각한 양자역학은 20세기 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크 같은 연구자가 그 기반을 쌓았다. 양자역학에서는 원자의 구조에 전자기력과 빛을 결합시켰다.

 

끈끈 이론이란 무엇인가?

우주를 설명하는 공통적인 요소를 찾으려는 노력은 결국 중력, 전자기력, 강력, 약력이 모두 극미한 에너지 끈의 진동을 통해 연결되어 있다는 끈 이론에 도달했다. 아직까지 발표된 실험적 근거는 없지만, 끈 이론은 수학모델로 양성자와 중성자의 결합력을 설명하면서 진동하는 필라멘트를 에너지원으로 추정했던 960년대 연구에 뿌리를 둔다. 끈 이론가들은 이 접착 조직이 무려 11개 차원에서 작용하고, 그중 3개를 제외하고는 너무 미세해서 눈으로 볼 수 없다는 가설을 제시한다.

 

쿼크란 무엇인가?

초기 원자 모델은 중성자와 양성자가 핵을 이루고, 음전하를 가진 전자가 마치 작은 태양계처럼 원자핵의 주위를 도는 식으로 매우 간단했다. 그러나 1930년 대에 우주선 분석과 입자가속기 실험 결과, 한꺼번에 많은 미립자를 발견하기 시작했다. 미국 물리학자 머리 겔만은 1960년대 초에 양성자와 중성자가 더욱 작은 입자로 구성되어 있다고 추측하고, 이 입자에 제임스 조이스의 소설에서 따온 '쿼크'라는 명칭을 붙였다. 그는 원자의 움직임을 설명하려면 쿼크에 위, 아래, 꼭대기, 바닥, 맵시, 야릇한 등 6종의 향이 필요하다고 가정했다. 그 후로 실험을 통해 6가지 모두 식별되었다. 위와 아래 쿼크는 일부분 음전하를 띤 채 양성자와 중성자를 구성한다.

 

알베르트 아인슈타인

상대성이론의 창시자. 아인슈타인은 독일 울름에서 태어나 취리히 연방공과대학에서 공부했다. 그는 베른에서 특허 심사자로 근무하면서, 26세에 독일 학술지에 특수 상대성 관련 논문을 발표했다. 이 연구는 빛의 광선에 타고 있다고 가정하고, 빛의 속도가 일정한데도 어떻게 평행 광선이 정지한 것처럼 보이는가에 대해 궁금해했던 그의 16세 때 사고실험에서 유래했다. 아인슈타인의 특수 및 일반 상대성이론은 결국 에너지 문제와 시공간을 결합시키고, 중력의 작용을 제정 의했다. 또 원자력 에너지와 무기의 시대로 넘어가는 데 기여했다.

 

2. 공학

공학에는 원재료에 에너지를 투입하여 건물, 기념물, 컴퓨터 네트워크 등을 만드는 일이 포함된다. 이 응용 연구분야를 통해, 초창기 건설자들은 기계학과 화학의 기초적 발견을 토대로 수천 년 동안 건재할 구조물을 만들 수 있었다. 기원전 2550년 이집트 사카라의 계단식 피라미드를 건설한 임호템은 이름이 남아있는 최초의 건설자다. 1세기 로마에서 출간된 비트루비우스의 저서 '건축십서'는 콜로세움과 송수관 연결망 구축에 사용된 건출술과 자재를 총망라하여 소개한다. 로마의 측량기사들은 당대 세계 최대 제국의 국경을 정하기 위해 기초 수학, 연직선(중력의 방향을 나타내는 선. 추를 매단 실을 늘어뜨릴 때 실이 가리키는 방향), 수준기, 직각긱 등을 사용했다. 1천 년이 넘게 지나자 프랑스의 빌라드 드 오네쿠르가 남긴 그림에서 확인되듯이, 고딕 성당과 기타 구조물에 수준 높은 응용수학과 재료과학이 적용되었다. 그러나 지금과 마찬가지로 그때에도 건축 공사에 사용되던 공학적 시술이 투석기, 포위도구, 기타 전쟁 기계등의 군사적 용도로 전용되는 경우가 많았다. 공학은 전통적으로 건물이나 도록, 부두, 등대 등의 공공사업과 관련이 깊다. 영국의 공학자 존 시미턴은 1782년에 '토목기사'라는 새로운 용어를 만들어, 과학혁명과 산업혁명의 영향을 받기 시작하던 공학 분야에 새로운 방향을 제시했다. 신기술이 발달하면서 전기, 화학, 열, 궁극적으로 우너자력을 찾아내고 활용하게 되었다. 공학의 역사는 발명의 역사와도 분리해서 생각하기 어렵다. 예를 들어, 존 스미턴은 1750년대에 심해에서 사용하는 모르타를 개발했고, 제임스 와트는 1770년대의 산업혁명기 초반에 증기기관을 개선했으며, 19세기말에는 알렉산더 그레이엄 벨이 전화를 발명하고, 토머스 에디슨이 전구를 발명했다. 20세기에는 각각의 분야에서 무수히 많은 발명과 개선이 이루어졌고, 원자를 발견하면서 원자력 공학자에 대한 수요가 발생했으며, 컴퓨터가 등장하면서 소프트웨어 프로그래머, 칩 설계자, 네트워크 아키텍트 등 새로운 공학 전문가들이 생겨났다.

 

강도를 높이는 공학 자재

공학적 발전은 계속해서 전통적인 건축분야에 새롭게 침투한다. 합성자재의 등장으로 기존의 설계원칙을 변경할 여지가 생겨 공학자들은 더욱 큰 재량권을 확보하게 되었다. 초기 건설자들이 피라미드의 넓은 바닥과 아치 꼭대기의 쐐기돌처럼 구조물의 내력 균형을 위해 견고함을 추구했다면, 현대 공학자들은 움직임 속에서 안정성을 찾는다. 현대식 교량은 기온의 변화에 따라 자재가 확장 또는 수축하도록 설계된다. 현대 고층건물은 강품이나 지진 속에서 따라 흔들거려 영향을 적게 받도록 고무 지반을 깔거나 기둥 아래 볼베어링을 넣는다. 최근의 공학 자재들은 주로 합금이나 분자 단위로 조작된 금속 결합물이 많은데, 강도와 유연성을 동시에 고려하여 설계된다.