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물체
물체(物體, object, body)는 물질로 이루어진 하나의 사물을 의미한다. 예를 들어 하나의 물체로 다루어지는 야구공은 여러 종류의 물질들로 이루어진 사물이다. 물체는 고전역학, 양자역학 등의 물리학에서 실험 및 측정의 대상으로 다룬다. 고전역학이나 양자역학에서는 물체의 위치, 상태, 운동과 에너지에 의한 변화를 관찰, 실험하여 그 원리를 밝히는 이론을 세운다.
개요
우리가 보고 만질 수 있는 모든 것은 물체이다. 일정 시간동안 구체적인 형체(形體)를 가지고 있고, 질량을 가지며 객관적으로 존재하고 있다. 물체는 하나 또는 여러 물질로 이루어 질 수 있다. 물체는 물질로 이루어져 있기 때문에 물질에 따른 성질을 가진다. 나무의자를 예로 들면, 의자는 물체이고 의자의 재료로 쓰인 나무는 물질이다. 나무의자는 나무로 이루어져 있기 때문에, 가볍고 단단하지만 불에 약한 나무의 성질을 가진다. 물체의 정의에 따르면 인간 역시 물체에 속하고 우리 몸을 이루고 있는 물이나 단백질, 지방 등은 물질이다.
고전 역학
고전역학에서 물체를 다루어 연구하는 것에는 다음과 같은 것들이 있다.
자유낙하운동
아이작 뉴턴이 떨어지는 사과를 보고 개념을 정리하였다는 일화가 전해 내려온다. 지구와 물체 사이의 중력 작용에 의해 일어나는 운동이다. 들고 있는 물체를 가만히 놓았을 때 관찰할 수 있다. 자유낙하 운동이 일어날 때 작용하는 가속도를 중력 가속도라 하며 흔히 g로 표기한다.
진자운동
실에 매달린 추의 흔들림과 같은 운동을 진자운동이라 한다. 갈릴레오 갈릴레이가 관찰한 뒤 시계에 응용했다는 일화가 있다. 푸코의 진자가 유명하다. 진자가 내려갔다가 다시 돌아오는 시간을 주기 T 라고 하고 중력가속도는 g 진자의 실의 길이를 l이라하면 T= 2π√(l/g)의 식을 따른다.
포물선운동
던져진 물체는 포물선을 그리며 날아간다. 이러한 운동의 성질을 이용하여 총탄이나 포탄의 궤적을 연구하는 학문을 탄도학이라고 한다.
양자역학
양자역학에서 물체를 다루어 연구하는 것에는 다음과 같은 것들이 있다.
흑체 복사
빛을 온전히 흡수하는 물체를 흑체라 한다. 완전 밀폐된 공동이 일정한 온도에 있을 때 일어나는 내부 복사는 같은 온도의 흑체에서 일어나는 복사와 같다. 우주 역시 일종의 동공으로 취급되며 우주에서 일어나는 복사를 배경 복사라 한다.
물체의 움직임
기원전 4세기경, 그리스의 7대 현인 중 한 사람이었던 자연 철학자, 아리스토텔레스는 물체의 운동을 살아있는 생명체에 유추해서 설명하려고 시도했다. 살아있는 생명체가 어떤 목적을 가지고 움직이는 것처럼 물체도 자신의 성질이나 경향 같은 목적을 지닌다는 의미이다. 이에 의하면 지상을 이루는 원소는 물, 불, 흙, 공기 4가지인데, 흙과 물은 지구 중심을 향해 가려는 성질을 갖고 있고, 공기와 불은 지구 중심에서 멀어지려는 성질이 창조되었을 때부터 가지고 있다고 생각했다.
이러한 아리스토텔레스의 생각을 '목적론적 세계관'이라고 부른다. 당시 고대 그리스는 사유를 통해서 본질을 찾는, 즉 생각을 통해서 우주의 진리를 습득하는 것만이 진리로 가는 유일한 길로 여겼다. 이런 아리스토텔레스의 생각은 고대를 거쳐 중세까지 매우 깊은 영향을 끼쳤다.
공기가 물체의 떨어짐에 도움을 준다고 여겼던 아리스토텔레스와는 다르게 11세기경 페르시아의 철학자 이븐 시나는 공기는 오히려 물체가 움직이는 것을 방해하는 요소라고 주장했다. 이때를 기점으로 물체가 가지는 운동의 패기, '임페투스'라는 개념이 등장하게 된다. 이 임페투스 개념을 본격적으로 이용하고자 했던 14세기 프랑스의 철학자, 장 뷔리당은 임페투스 개념을 운동 현상을 설명하는데, 능동적으로 활용하기 시작했다. 예를 들어 대포가 포탄을 발사한 상황에서 작용하는 임페투스를 보면 이렇다. 처음에 포가 발사된 순간, 포의 임페투스는 중력의 방향과 진행 방향으로 형성되게 된다. 이 임페투스들은 시간에 따라 점점 변하게 되는데, 중력 방향의 임페투스는 점점 중력 방향 쪽으로 커지게 되며 이동 방향의 임페투스는 공기의 방해, 즉 저항에 따라 점점 작아지게 된다고 설명하면서 이런 변화가 포물선의 궤적을 만들어준다고 설명했다.
16세기 이후 아메리카나 아시아와의 접촉을 통해 유럽인의 시야는 크게 확대되었다. 갈릴레이가 망원경을 통해서 본 우주는 지금까지 생각해온 것과는 전혀 다른 세계의 별들을 보여줬고, 우주는 변하지 않는다는 전통적인 생각을 깨트렸다. 그래서 유럽의 지식인들은 지금까지 절대적으로 믿어왔던 모든 전통적 지식의 확실성에 회의를 품게 되었다. 이제 모든 지식이 의심의 대상이 된 것이다. 이것이 '방법론적 회의'이다. 르네 데카르트 같은 17세기 프랑스 철학자가 기존의 모든 지식을 '방법론적 회의'를 재검토하려 한 것은 이 때문이다. 수학의 공리와 같은 가장 확실해 보이는 원리 위에 지식을 세우려고 한 것이다.
이 방식을 통해서 데카르트는 세상을 '수학'으로 표현할 때 가장 진리에 가깝다고 생각했고, 그러한 생각이 임페투스 이론과 만나게 되면서, 시간의 경과에 따라 낙하하는 물체가 얼만큼을 이동했는지에 관한 공식 s=(1/2)at²이라는 공식을 유도해내게 된다.
같은 시기, 자유 낙하하는 물체에 관해 심도 있게 연구하던 과학의 아버지 '갈릴레오 갈릴레이'는 데카르트가 수학적으로 유도해 낸 자유낙하 공식을 빗면을 이용한 하나의 실험을 머릿속에 그려보게 된다. 본래 물체는 힘을 받아 운동하게 되더라도 물체와 접촉면 사이에 발생하는 마찰력 때문에 정지하게 된다. 그러나 만일 이 마찰력이 하나도 존재하지 않는 공간이 있다면 어떻게 될까? 갈릴레이는 머릿속 사고 실험에서 빗면과 공을 준비했다. 그리고 빗면 위에 공을 굴려보았다. 처음 굴러가는 방향대로 계속해서 굴러가는 공. 마찰력이 작용하지 않는 한 이 공은 영원히 등속직선운동을 계속하게 될 것이라고 생각했다.
갈릴레이는 이 빗면 실험을 확장해 처음 자리에 위치한 수레를 마주 보는 빗면으로 진행하도록 놓게 되면 주변으로부터 아무런 방해를 받지 않는다는 가정하에 같은 위치까지 올라갈 수 있을 것이라는 가설을 제안하게 되며, 이 빗면을 내리고 내려, 결국 바닥과 평평하도록 만들게 되면 같은 높이까지 올라갈 방법이 없는 수레는 그 위치에 도달할 때까지 무한히 앞으로 움직일 거라고 생각했다. 이것이 바로 그 유명한 갈릴레오 갈릴레이의 관성 사고 실험이며, 이 사고 실험은 뉴턴에 의해서 '관성의 법칙'이라고 불리는 원리로 확장되게 된다.[1]
각주
- ↑ YTN, 〈(궁금한 S) 물체의 움직임은 '무엇' 때문에 발생하는 걸까?〉, 《YTN사이언스》, 2019-05-24
참고자료
- 〈물체〉, 《위키백과》
- 〈물체 (object, body, 物體)〉, 《사이언스올》
- YTN, 〈(궁금한 S) 물체의 움직임은 '무엇' 때문에 발생하는 걸까?〉, 《YTN사이언스》, 2019-05-24
같이 보기
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