제1법칙 관성의 법칙 (운동 = 에너지 = 질량 = 존재)

제1법칙 관성의 법칙이란?

존재한다는 것은 무엇일까?라는 철학적 질문에는 저마다의 의견이 분분하겠지만 하이데거라는 철학자는 '존재란 세계 속에 던져져 있다'라고 정의를 내렸습니다

음.. 어쩌면 살려고 선택하지도 않았는데 강제로 세상에 던져져 살아가고 있다고 표현될 수 도 있겠네요

그래서 그런진 몰라도 저는 가끔 꽤나 억울한 기분이 들 때가 있습니다

삶이 때때로 견디기 힘들정도로 괴롭게 느껴질 때가 있기 때문이죠

아~ 내가 선택하지도 않았는데 이런 괴로움을 맛봐야만 한다니.. 정말 억울하지 않습니까?

 

이것은 물론 저의 주관적인 생각입니다

그래서 다른 사람들도 저와 같은 생각을 하고 있는지는 사실 잘 모르겠습니다

다른 사람들을 가만히 관찰하고 있자면 세상 행복해 보이기만 하는 사람들이 꽤나 보이기 때문이죠

그래서 종종 혼란스러움을 느낄때가 있습니다

필자가 생생하게 느껴졌던 괴로움과,불행같은 경험들이 납득이 잘 안 되기 때문이죠

뭐 정말로 행복한지는 진실은 본인만 알고 있겠지만요

타인에 입장에서는 마음까지 자세히 알 수는 없는 일이겠죠

 

배불리 사료를 먹고 한가롭게 낮잠을 자고있는 우리 집 흰둥이를 보거나 울타리가 쳐진 방목장에서 한가롭게 풀을 뜯고있는 소를 봐도 왠지 행복해 보이기는 합니다만..어쩐지 개나 소가 되고 싶은 생각은 별로 들지는 않습니다

왜 그럴까요? 편안하고, 행복할 텐데 말이죠

 

아 쓸데없는 이야기가 길어졌습니다

근데 그럼 객관적인 사실이란 무엇일까요?

과학의 영역인 물리학이 객관적인 사실일까요?

아무튼 그냥 그런가 보다하고 물리학적인 관점에서 존재를 한번 분석해 보도록 하겠습니다.

 

물리학적인 관점에서 보자면

"존재란 곧 질량이고 질량이란 곧 운동이다"라고 말할 수 있겠습니다

그래서 아인슈타인이라는 분은 특수상대성이론에서 다음과 같은 질량-에너지 등가 관계식으로 나타내어 주었습니다

E=mc2

에너지는 질량과 빛의 속도의 제곱을 곱한 값이란 뜻입니다

이 공식을 발표하면서 '물질과 에너지는 서로 바뀔 수 있다'라고 말했는데요

 

그렇다면 질량이란 것이 어떻게 나타날까요?

질량이란 관성의 수치적인 측정량입니다. 질량의 단위는 흔히 킬로그램(kg)으로 계산하고 있지요

그래서 관성(질량)은 물리학에서 외부힘에 대해 저항하는 정도를 말합니다

여기서 말하는 외부힘이란 마찰력, 중력, 수직항력, 전기력, 부력 뭐 다양하게 있겠네요

외부힘도 결국에는 다같은 에너지 즉 질량이겠지요.

 

 

관성의 법칙 이해하기전 배경지식 - 등속운동

정지한 물체에 힘이 가해지지 않으면 그 물체는 정지를 계속합니다

그러나 운동하던 물체에 힘이 가해지지 않으면 그 물체는 운동 상태를 바꾸지 않고 원운동이든, 직선운동이든 간에 일정한 속도로 계속 등속 운동을 할 겁니다

뉴턴의 제1법칙에서 나와있는 관성에 법칙에 의하면 외부에서 다른 에너지가 힘이 가해지지 않는 한 모든 물체는 현재의 상태를 그대로 유지하려 합니다

그래서 이론적으로 가장 자연스럽고 완전한 운동은 '등속 운동'이 됩니다

이 외의 부자연스러운 운동이라고 하면 수평운동이나 포물선 운동 같은 게 있겠네요

부자연스러운 운동이 일어나려면 외부에서 힘을 전달해야 하니깐요

더 간단하고 허술하게 설명하면 운동은 '내버려 두면 그냥 하던 대로 진행한다.'라고 말할 수 있겠네요

이 '등속 운동'에 처음으로 관심을 갖기 시작한 것은 그리스의 철학자들입니다

 

그들은 완전무결한 신(神)의 속성을 '등속 운동'에서 찾았고 그것을 보다 구체화하기 위해 수학을 발전시켜 왔습니다
수학적 언어로써 가장 완벽한 존재를 기술하고 싶었던 것이지요

그리고 그로부터 약 2000년의 시간이 흘러 아인슈타인이라는 학자에 의해 E=mc2라는 공식이 도출된 것이지요 아인슈타인의 이론인 E=mc2 공식에 따라 운동(에너지, 질량)이 곧 존재라면 완벽한 존재가 있다면 곧 등속 운동을 하고 있는 존재라고도 말할 수가 있겠네요

신이 존재한다면 이 신은 등속 운동을 하고 있을까요?

하지만 위에서 설명했다시피 지구에서는 '등속 운동'을 하지 못하게 방해하는 것들이 널려 있습니다

다른 에너지들에 영향을 계속 받기 때문에 '등속 운동'을 못하고 있는 것이지요
마찰력, 중력, 수직항력, 전기력, 부력 이런 것들이 있겠네요

이것들도 결국 다 같은 '에너지'입니다

 

사실상 지구상에 모든 에너지는 결국 중력인 위치에너지와, 전자기력인 운동에너지가 변환된 형태이죠

우리가 보고 있는 것도 사실 에너지죠 파동(주파수)의 형태로 존재하는 에너지를 눈으로 감지하고 뇌에 전기적 신호를 전달해서 뇌에서 이미지를 만들어내는 것이니깐요

뭐 아무튼 마찰력이든, 수직항력이든, 정전기이든, 공기의 저항이든

결국엔 중력과, 전자기력이 변형된 형태이겠지요
후대에 밝혀진 사실이지만 빛마저도 중력에 의해 휘어버린다고 하네요

이렇듯 에너지들이 등속 운동을 하지 못하게 되는 원인을 뉴턴이 수식으로 표현하게 되니

F=ma로 도출이 됩니다

운동의 변화는 가해진 힘에 비례하며 힘이 가해진 직선 방향으로 일어나기 때문에 이 수식을 통하여 '등속 운동'이 깨지는 이유가 설명됩니다

쉽게 말해 만물이 상대적으로 힘을 주고받는 상태에서는 혼자서만 '등속 운동'이 불가능하게 되는 것이지요
결국 외부에 힘에서 자유롭게 되어야만 '등속 운동'이 가능하고 그런 상태라면 가히 만물을 초월해서 존재하게 될 것입니다

 

뉴턴의 운동법칙 중 제1법칙인 "관성의 법칙"에서

뉴턴은 관성을 '외부 힘이 가해지지 않으면 물체는 일정한 속도로 움직인다'라고 정의했습니다.

힘에 의해 속력과 방향이 변하기 전까지 물체는 항상 기존의 운동상태대로 움직이려고 한다는 의미입니다.

 

움직이지 않는 물체가 힘이 작용하기 전까지 정지상태로 유지되는 것도 포함합니다.

이렇듯 에너지는 물체의 운동을 변화시키는 근원이기 때문에, 에너지가 없다면 물체의 운동 역시 변화하지 않습니다.

 

갈릴레이는 그의 유명한 빗면 사고실험을 통해 마찰력이 없다면 구슬은 영원히 굴러갈 것이라고 생각했습니다.

 

우리의 일상에서, 마찰력은 모든 움직이는 물체에 작용하여 물체를 느리게 하고 결국엔 정지하게 만듭니다

이런 힘들은 관성을 상쇄하여 물체가 결국은 정지하게 만듭니다.

그래서 아리스토텔레스 같은 학자들은 물체는 힘이 가해질 때만 움직이게 되는 것이라고 믿었다고 하네요.

 

갈릴레오 갈릴레이는 빗면을 따라 공을 굴리는 실험을 통해 예시로 위에 그림과 같은 실험을 통해 만약 마찰력이 무시할 수 있을 정도로 작다면, 외부 힘이 가해지지 않는 모든 물체는 일정한 속도로 움직인다는 사실을 증명하였습니다

즉, 가만히 있는 물체는 (외부 힘이 가해지지 않는 이상) 계속 가만히 있고, 일정한 속도로 움직이는 물체는 계속 그 속도로 움직이게 됩니다

이렇게 아리스토텔레스의 이론으로부터 갈릴레이의 이론(뉴턴의 제1법칙)으로 생각이 전환된 것은 물리학의 역사에 있어서 가장 심오하고 중요한 발견이라 할 수 있겠습니다

 

 

물론 물체가 중력에 의해 떨어지는 일은 태초부터 있었겠지만  과거의 사람들은 천상의 운동과 지상에서  관찰한 물체의 운동을 완전히 별개로 생각하였습니다

그러기 때문에 지구가 평평하다고 생각했던 것이고요 그때는 중력(만유인력)이라는 개념이 없었기 때문이죠

그래서 이 운동법칙을 중력과 같은 법칙과, 물리학적인 법칙으로 설명한 것이 아니라 하나님이 만든 천상의 운동이란

완벽하고 이상적인 모양(원)을 추구하기 때문이라는 신학적 관념에 따라 생각할 뿐이었죠

 

그래서 이 생각과 실험이 과학의 역사에서 아주 중요한 부분은 첫 번째로 결국 물체 간의 상대적 의미밖에는 없다는 것을 확인했다는 점이라고 할 수 있겠네요

 

아리스토텔레스는 중력과, 공기의 마찰력이란 것을 몰랐기에 운동이 물질의 경향성이며 정석적인 것이고 불규칙한 것이라서 수학적으로 나타낼 수 없다고 생각했으나 이 경사면에서 구슬을 굴리는 실험과, 자유낙하 실험을 통해 실제로 물체가 떨어지는 속도 및 속도의 증가량은 물체의 무게와 무관하다는 것을 확인했으니까요

갈릴레이는 이러한 운동의 모습을 수학을 통해 수치화할 수 있도록 바꾸어버린 것입니다

그리고 뉴턴은 만유인력의 법칙과 뉴턴 운동 법칙을 사용하여 케플러 법칙을 비롯한 당시 알려진 모든 천체역학을 수학적으로 완성을 하였죠

 

갈릴레이는 이 과정에서 운동의 상대성을 도입합니다

모든 물질들 사이에 본질적 차이는 없다고 판단했고, 그에 의해 정량적 모델화를 시도할 수 있었죠 즉 한 물체의 운동은 다른 물체와의 비교를 통해서만 확인할 수 있는 것이며, 두 물체 사이의 상대적 운동으로만 존재한다는 것을 실험을 통해 증명한 것이지요

그리고 이러한 실험을 통한 증명은 시간이 흘러 아인슈타인이라는 과학자에 의해 그 유명한 특수상대성이론이 등장하는 배경이 되었습니다

 

운동에너지 증가에 따른 상대론적 질량 증가는 결과적으로 모든 운동은 상대적이며 중력 역시 상대적입니다

즉 전체 에너지는 = 퍼텐셜 에너지 + 운동 에너지로 이는 정지질량 에너지 자체가 그 물체의 작용하는 퍼텐셜 에너지일 수 있다는 걸 의미하기 때문에 아인슈타인은 이러한 복잡한 원리를 운동에너지가 질량의 형태로 바뀌는 공식으로

수학적으로 심플하게 E=mc2로 나타내었습니다

(에너지는 질량과 빛의 속도의 제곱을 곱한 값)