호기심의역사 우주, 그리고물질의기본입자를찾아서
첫번째호기심 - 우주 Ø 아리스토텔레스 Ø 프톨레마이오스 Ø 코페르니쿠스 ( 지동설 ) Ø 케플러 ( 타원궤도 ) 천상계와지상계로분리하여생각함이과학관이 2000 년간서양을지배 Ø 갈릴레이 ( 지동설과망원경, 근대과학의시작 )
프톨레마이오스 (~200AD) 천동설 ( 지구중심설 ) 의완성 Ø 2세기에 알마게스트 저술 Ø 천체관측중시 Ø 천체는완벽하므로우아한원운동을해야한다 Ø 행성의단순한원운동은관측과맞지않으므로기존의단순한천동설을대대적으로수정함 Ø 원운동을하는천체는다시그궤도를중심으로원운동을하고또그궤도는지구와는다른중심에대해도는데 Ø 너무복잡해져서지저분한이론이됨 Ø 프랑스왕알퐁소X세 (13세기): Ø 하느님이이렇게복잡하게별이움직이도록우주를창조했다면, 사전에나랑상의좀할것이지
프톨레마이오스의설명 gif 동영상 실제행성의 시운동
코페르니쿠스적전환 Astronomer Copernicus: Conversation with God, Jan Matejko, 1872
코페르니쿠스 (1473-1543) 지동설 Ø죽기직전에 천체의회전에관하여 출간 Ø천동설보다훨씬더간단하고우아하다 Ø 관측을더잘설명한다 Ø천상의세계 è 원운동을가정함 Ø당시의상식에는맞지않음 Ø땅덩어리가돈다니? Ø지구가돌면엄청난바람이일어나야하지않을까? Ø사람들은어떻게지구에달라붙어있을수있을까?
케플러 (1571-1630) 행성의운동법칙발견 Ø 스승이었던브라헤의정밀한천체관측자료를바탕으로행성의운동에대한법칙세가지를발견 1. 타원궤도의법칙 è원운동의포기 2. 면적속도일정의법칙 3. 주기의법칙 ( 모든행성의주기는궤도의크기 2 3 에의해결정된다, ) T ~ R
케플러의제 1, 제 2 법칙 gif 동영상
갈릴레이 (1564-1642) Ø 최초의진정한과학자 Ø 최초로실험의중요성을깨달음 Ø 실험 자연현상의관찰 Ø 실험 = 인공적으로통제된상황에서의관찰 Ø 실험과그결과의추상화작업을통하여일상적경험과는다른과학적사실에도달하였다 ( 예 : 다음쪽 ) Ø 망원경으로천체관측 è 천상계도불완전하다는많은증거를찾음 ( 예 : 태양의흑점 ) Ø 지동설주장 - 그래도지구는돈다 Ø 두세계의대화, 새로운두과학 출판
실험 + 추상화 è 과학적사실 Ø 무거운물체와가벼운물체는같이떨어진다 Ø 일상세계에서는공기의저항이있어서항상같이떨어지지는않는다 Ø 직접실험하기 Ø 책과종이의낙하실험 갈릴레이가낙하실험을했다고알려진이탈리아피사의사탑 ( 하지만갈릴레이가여기서실제로실험을하지는않았다는것이정설이다 )
Ø 관성의법칙 : 움직이는물체는외부의영향이없으면계속같은속도로 ( 직선을따라 ) 움직인다 ( 나중에뉴턴의제 1 운동법칙이되었다 ) Ø 일상경험에의하면움직이는물체는곧정지한다 Ø 빗면에서의실험을이상적인상황으로추상화 갈릴레이의 실험장치
Ø 진자의운동 : 주기는추의질량이나진폭과는무관하고끈의길이에따라서만달라진다 è 이사실을이용하여시계를만들었다. 동영상
갈릴레이의천체관측업적 Ø달의분화구발견 Ø달도못생겼다 è 천상계도불완전! Ø태양의흑점발견 ( 우리나라와동양에서는오래전에발견함 ) Ø태양조차도불완전! Ø 목성의위성, 토성의띠 Ø다른행성도지구와비슷하다 Ø무수히많은은하계의별들 Ø금성의크기변화발견 è 태양중심공전의증거
갈릴레이의한계 Ø 이런많은업적에도불구하고원운동에대한마지막미련을버리지못했다. Ø 케플러의업적을무시하였다. Ø 예를들면힘이작용하지않으면지구둘레를따라원운동을한다고생각했다. 그래서지구가태양주위를도는것도당연하게생각했다. 2% 가부족했다 è 뉴턴을기다려야했다.
뉴턴과만유인력의법칙 Ø 지구는사과와, 달과, 태양과도서로를끌어당긴다. Ø 나와여러분사이에도, 여러분과여러분사이에도끌어당긴다. Ø 모든것이모든것을끌어당긴다. è 만유인력 Ø 지구의힘은어디까지미치는것일까? è 무한히멀리까지 Ø 이법칙은세상이생겼을때부터, 우주어느한곳, 어느한물체에단한번의예외도없이적용된다. Ø 하늘과땅의구분이없이! Ø 천상계와지상계의구분이없이! Ø 생물과무생물의구분이없이! Ø ( 고전우주관의확립-다음강의에서자세히설명 )
두번째호기심 - 물질의기본요소
Ø 고대그리스 : 물질의기본요소의역사 탈레스 (B.C. 625 B.C. 547): 만물의기본은물 데모크리토스 (B.C. 460 B.C. 370?): 원자론 œ 원자의배열과운동에따라만물형성 ( 신이나악마까지도 ) 플라톤 (B.C. 429? B.C. 347) 과아리스토텔레스 (B.C. 384 B.C. 322): 4 원소설 œ 모든물질은흙, 물, 불, 공기의 4 원소로구성되어있다고주장 (4 원소가변설도주장 - 연금술의시작 ) 정6면체, 흙 정4면체, 불 정8면체, 공기 정20면체, 물 정12면체, 에테르
호기심, 또는욕심 - 연금술사들의활약 Ø 19 세기초 Dalton 에의한원자론이제기되기까지연금술이번창 Ø 이들의활약에의해많은원소들이발견됨 Ø 보일 (1627-1671) 이물질의입자가설주장 Ø 화학을분리된과학으로확립
달톤 (1766-1844) 의원자설 Ø 1800 년대초현대적원자론을확립함 Ø 주기율표의기초를만듬
아보가드로의법칙 ( 물질의상태에대한이해 ) In 1811, Avogadro(1776-1856) hypothesized that equal volumes of gases at the same temperature and pressure contain equal numbers of molecules( 분자 ). 0 C, 1기압에서모든기체는 22.4 L의부피속 23 에 6.02 10 개의분자가존재하는데이것을아보가드로의수라고한다. 달톤의원자설과아보가드로의분자설로물질에대한올바른이해가확립됨.
원자와분자 Molecule( 분자 ): 1 개이상의원자가모여물질로서의화학적특징을나타내는물질로서의기본단위 - 설탕분자 ( 달다 ), 소금분자 ( 짜다 ) Atom( 원자 ): 물질을이루는작은구성단위로더이상쪼갤수없는가장작은입자. 하나의핵과이를둘러싼여러개의전자로되어있으며, 보통한개또는여러개의원자가모여서분자를이룸. - 수소, 산소등주기율표의원소들에해당되는입자들
Mendeleev(1869) - 주기율표 Mendeleev - 주기율표 Too MANY atoms to be Fundamental!
원자안에는무엇이있는가? Ø 원자핵 (+ 전하 ) Ø 전자 (- 전하 )
Rutherford 의실험 (1911)
수소원자 Ø 원자핵 (~10-14~15 m) 은크기가원자의 10 만분의 1 에불과 Ø 원자핵을태양크기로확대하면전자는지구궤도정도에위치 Ø 원자핵과전자사이 (10-10 m) 에는아무것도없다 Ø 물질의대부분은비어있다! 주의 : 이것은부정확한그림임. 양자역학을배울때더놀라운일이기다리고있다
원자핵속에는무엇이있는가? ( 인간의호기심은끝이없다 ) 원자핵은양성자와중성자로되어있다 그다음은? 나중에자세히배움
세상은원자로되어있다 아메바였던원자가우리몸을이룰수도있다. 인체를이루는원자는생전에거의모두교체된다!
세상은원자로되어있다 Ø 수십억년동안우리우주의곳곳을배회하던원자가우리몸을구성한다. Ø우리몸은약 60조의세포로구성, 세포 ( 원자 ) 는계속적으로교체되며, 단지 DNA 에의하여정보만전달된다. Ø 우주의원자수는한정되어있는가? Ø 에너지는보존됨 Ø 에너지와질량은호환됨 (E=mc 2 ) Ø 그러면결론은?
인간의호기심은만족되었는가? Ø 우주 Ø 지동설과만유인력 Ø 행성의궤도예측 Ø그러나우주의기원은? 크기는? Ø 물질의기본요소 Ø 원자, 분자의존재 Ø 원소의존재 Ø 원자는원자핵과전자로구성 Ø 원자핵은? Ø더쪼갠다면?
우주를지배하는절대적이론을찾아서 ( 여행은끝나지않았다 ) 궁극의물질과우주를관장하는물리법칙을찾아서 (Search for God s mind)