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1. 물리학의 이해
1.1. 물질과 운동
모든 현상은 운동으로 이해된다.
소리가 들린다는 것은 공기의 진동을 감지하는 것이다. 고막, 이소골, 달팽이관으로 진동이 전달되며, 달팽이관 내부의 유모세포가 진동에 의해 흔들리면서 칼륨 채널이 열린다. 이로 인해 전위가 상승하여 전기적 신호가 뇌로 전달된다.
데카르트는 "수학이 가장 강력한 지식의 도구"라고 주장하며, 철학적인 문제들을 수학적, 논리적으로 설명하고자 했다. 그는 철학의 네 가지 기본 공리를 제시했는데, 이는 "나는 생각한다. 고로 존재한다.", "모든 현상에는 필연적으로 원인이 있다.", "결과가 원인보다 클 수 없다.", "완벽함, 공간, 시간, 운동이라는 개념은 마음에 타고나는 것이다."이다. 또한 그는 기하학을 숫자로 표현할 수 있도록 좌표계를 고안했고, 이를 기반으로 공간상의 물체의 운동을 수학적으로 표현할 수 있게 되었다.
속도가 일정한 것은 자연스러운 것이다. 운동법칙은 속도의 변화를 기술한다. 관성의 법칙에 따르면 외력이 작용하지 않을 때 정지한 물체는 정지해 있고, 등속 직선 운동하는 물체는 계속 등속 직선 운동한다. 갈릴레오는 이러한 관성의 개념을 발전시켰다.
뉴턴의 운동 법칙인 F=ma는 가속도 a가 존재하기 위해서는 힘 F가 필요하다는 것을 나타낸다. 우주에는 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이라는 네 가지 기본 힘이 존재한다. 일상 생활과 직결되는 힘은 중력과 전자기력이다. F(중력) = mg = ma(물체)이므로 중력 하에서 움직이는 물체의 가속도는 물체의 질량과 상관없이 지구의 질량과 반지름에 의해 결정된다. 따라서 모든 물체는 같은 속도로 낙하한다.
미적분은 속도의 변화량과 시간의 변화량의 비율인 가속도를 계산하는 데 사용된다. 즉 처음 속도와 가속도를 알면 일정 시간 후의 속도를 계산할 수 있게 해준다.
그러나 복잡한 시스템에서는 초기 조건의 미세한 변화에도 미래 상태가 크게 달라지는 "카오스" 현상이 일어날 수 있다. 라플라스는 만약 지금 순간의 세상 모든 물체의 위치와 속도, 세상의 모든 힘을 알고 있는 악마가 존재한다면 뉴턴의 역학 법칙에 따라 과거와 미래에 벌어질 모든 일을 완벽히 예측할 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 실제로는 초기 조건에 매우 민감한 시스템이 존재하기 때문에, 어떤 물체의 운동이라도 완벽히 예측할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 이를 "나비효과"라고 하며, 이러한 동력학적 결과들을 "카오스 현상"이라고 한다.
우주에 하나의 물체가 있으면 등속 직선 운동을 하고, 두 물체(예를 들어 지구와 달)가 있으면 케플러의 법칙을 따라 움직인다. 그러나 세 물체가 있으면 운동이 매우 복잡해진다. 즉 물체의 수가 늘어나면 운동 법칙이 단순하지 않아진다. 이처럼 우주는 기본적인 법칙에 따라 움직이지만, 초기 조건에 따라 예측 불가능한 운동이 나타나는 경우가 있다.프랙탈은 같은 패턴이 반복되는 도형이다. 자연 속에는 프랙탈의 형태가 상당히 많이 존재하는데, 단순한 규칙이 반복됨에 따라 복잡한 형태를 이루게 되기 때문이다. 마찬가지로 F=ma라는 단순한 법칙에서도 예측 불가능한 운동이 발생할 수 있다.
만델브로트 집합은 Zn+1 = Zn^2 + c, Z0 = 0일 때 Z가 발산하지 않는 복소수 c들의 집합으로, 이를 그래프로 나타내면 프랙탈 형태가 된다. 이처럼 단순한 규칙으로부터 복잡한 패턴이 생겨나는 것은 물리학뿐만 아니라 수학에서도 발견되는 현상이다.
데카르트의 이원론에 따르면 세상은 물질의 세계와 영혼의 세계로 나뉜다. F=ma는 물질의 세계에만 적용된다고 해석할 수 있다. 그런데 뇌 과학자들의 연구 결과에 따르면, 우리가 의식적으로 행동하기 이전에 이미 뇌에서 이를 준비하는 활동전위가 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 결정론적인 법칙에 따른다고 볼 수 있다.
한편 카오스 이론에 따르면 결정론적 법칙이 존재하더라도 예측 가능성을 보장하지 않는다. 따라서 결정론적인 규칙 아래에서도 의지가 생겨날 수 있다는 주장이 제기되고 있다. 이를 뒷받침하는 예로 셀룰러 오토마타를 들 수 있는데, 단순한 규칙에 따라 움직이는 셀들 사이의 상호작용을 통해 복잡한 패턴이 나타나며 이는 마치 의지를 가진 것처럼 보인다.
양자역학에 따르면 자연법칙은 비결정론적이고 무작위적이다. 그렇다면 이러한 무작위성이 자유의지라고 할 수 있을까? 이 문제에 대해서는 여전히 많은 철학적 논의가 이루어지고 있다.
1.2. 전자기학과 양자역학
전자기학과 양자역학은 물리학의 근간을 이루는 분야로, 우리가 살아가는 세상을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다""
전자기학은 전기와 자기 현상을 연구하는 학문으로, 전류가 흐르면 자기장이 생성되고, 자기장이 변하면 전기장이 생성되는 등의 상호작용을 기술한다"" 갈바니와 볼타의 연구로 시작되어 패러데이와 맥스웰에 의해 체계화된 전자기학은...
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