[기초양자] 고전 물리학의 한계와 양자 역학의 탄생 배경

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고전 물리학의 한계와 양자 역학의 탄생 배경을 얘기하기 위해 우선 과학이 출현한 것부터 지금 현재 발달하고 있는 나노 물리까지의 과정을 간략하게 소개하고 뒷부분에서 고전 물리학의 한계와 양자 역학의 발달과정을 자세히 적어 보고자 한다.

인류의 문명사에서 자연현상을 체계적으로 설명하려는 시도, 즉 과학이 출현한 것은 대략 3000년 전의 일이다. 인간은 그 이전 매우 오랜 기간 동안 자연현상이 신에 의하여 지배된다고 믿었다. 그러한 시기를 신화시대라 하고 오랜 신화시대를 거치면서 차츰 논리적인 사고의 싹이 트이기 시작하였는데, 고대 그리스 시대에 이르러 비로소 자연 현상의 원인에 대한 지적 탐구가 고전적인 과학으로 발전하여 나갔다. 이 당시 자연현상을 설명하는 여러 생각들이 있었으나 그리스 고전기의 마지막을 장식한 Aristoteles의 학설이 두각을 나타내어 중세를 포함한 2000년 동안 인간의 자연현상에 대한 인식을 지배하였다. 이 시기를 편의상 고전과학시대라고 부른다.

고전과학시대에는 운동을 물체가 저절로 움직이는 자연운동과 힘을 받아서 움직이는 강제운동으로 나누었다. 그리고 지상에 속한 물체의 자연스러운 운동과 하늘에 속한 물체의 자연스러운 운동이 서로 다른 법칙의 지배를 받는다고 믿었다.

그러나 이 시대의 자연법칙들이 16, 17세기를 통하여 한꺼번에 무너지게 된다. Copernicus는 Aristoteles의 우주론에 회의를 품고, 지구를 비롯한 행성들이 지구가 아니라 태양의 주위를 회전한다는 지동설을 주장하게된다. 또한 Galillei는 실험을 통하여 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어지는 것이 아님을 보여준다. 이들이 고전과학시대의 믿음을 뒤흔든 과학혁명의 도화선이 되었다.

이 과학혁명은 마침내 17세기 중엽 Newton에 의해 마무리된다. Newton은 1680년대 중반까지 물리에서 중요한 발견들은 이미 다 이룩하여 놓았다. 그는 나무에서 떨어지는 사과의 운동이나 지구 주위를 회전하는 달의 운동, 그리고 태양의 주위를 회전하는 행성들의 운동이 모두 한가지 같은 법칙으로 설명된다는 결론에 도달하게 된다. 즉 Newton의 법칙은 자연에 속한 모든 대상에 한결같이 적용되는 보편적인 법칙인 것이다. 그리하여 드디어 근대과학 즉 고전물리학의 시대가 열리게 되며, Newton의 고전물리학은 19세기말까지 약 300년 동안 역학, 전자기학, 열역학 등과 같은 분야로 눈부시게 발전한다. 그뿐 아니라, 고전물리학은 과학의 여러 다른 분야는 물론 철학 등과 같은 인간의 사고에도 큰 영향을 미친다.

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