스모, 관성을 극복하라!

뉴턴 제1법칙(관성의 법칙)

뉴턴 제1법칙을 일상의 용어로 다시 표현해보자.

 어떤 멈춰있는 물체에 대하여 밀거나 당기는 어떤 것도 작용하지 않는다면 그 물제는 ‘영원히’ 멈춘 상태를 유지하게 된다. 마찬가지로 직선의 방향으로 움직이고 있는 또다른 물체는 밀거나 당기는 어떤 것이 작용하기 전까지는 ‘영원히' 같은 움직임 상태를 유지한다.

그 ‘영원히’라는 부분은 이해하기 쉬운 것이 아니다. 그러나 아래 제시된 세가지 빗면의 상황을 상상해보라. 그 빗면들은 무한히 길고 마찰이 거의 없다고 가정한다. 당신은 다소 기울어진 첫번째 빗면에서 구슬을 굴러가게 할 수 있다. 그 구슬은 점점 더 빠른 속도로 굴러내려갈 것이다. 다음은 두번째 빗면에서 오르막 방향으로 구슬을 살짝 밀어올릴 수 있다. 그 구슬은 점점 느리게 올라갈 것이다. 마지막으로 첫번째와 두번째 상황의 중간인 편평한 곳에서 구슬을 굴릴 수 있다. 이 상황에서 구슬은 점점 빨라지지도 느려지지도 않을 것이다. 사실, 그 구슬은 계속 굴러가야 한다. 영원히.

 

 

 

과학자들은 이렇게 물체가 운동상태의 변화에 대해 저항하는 경향에 대해 ‘관성(inertia)’이라고 정의한다. 관성의 라틴어 어원은 '자력으로 움직일 수 없는’ 이라는 뜻을 가진 “inert”의 어원과 같다. 따라서 과학자들이 어떻게 이 단어를 생각해냈는지 알 수 있을 것이다. 가장 놀라운 것은 그들이 그 개념을 생각해냈다는 것이다. 관성은 길이나 부피처럼 쉽게 눈으로 식별할 수 있는 물리적 속성이 아니다. 그러나 그것은 사물의 질량과 관련이 있다. 이해를 위해 아래 스모선수와 어린 아이의 대결을 생각해보라.

왼쪽의 스모선수는 136킬로그램, 저 소년은 30킬로그램의 질량을 갖고 있다.(과학자들은 질량 단위로 킬로그램을 사용한다.) 스모의 목적은 상대선수를 다른 곳으로 밀어내는 것임을 기억하라. 이 상황에서 누가 쉽게 움직이겠는가? 일반적인 상식으로 소년이 움직이기 쉬울 것이고, 이는 더 작은 관성을 가지고 있는 것이다.

 

AFP/Getty Images

Which person in this ring will be harder to move? The sumo wrestler or the little boy?

당신은 움직이는 차에서 항상 관성을 경험한다. 사실, 안전벨트는 관성의 효과에 반대로 작용하기 위해 자동차에 있는 것이다. 한 자동차가 테스트트랙에서 시속 55마일릐 속력으로 운행중인 상황을 상상해보라.  자동차는 시속 55마일의 속력으로 달리고 있다. 자동차의 운전석에는 마네킹이 안자 있고 자동차가 충돌하는 상황을 생각해보자. 만약 자동차가 벽에 부딪힌다면 마네킹은 대시보드쪽으로 튕겨저 날아갈 것이다. 왜냐하면, 뉴턴의 제1법칙에 의하면 그 마네킹은 대시보드가 힘을 가하기 전까지는 원래의 속력대로 계속해서 움직이고자 하기 때문이다. 안전벨트는 관성으로부터 저항하여 마네킹을 아래쪽으로 고정하는 역할을 하는 것이다.

흥미롭게도 뉴턴은 관성의 법칙을 언급한 최초의 과학자는 아니다. 그것은 갈릴레오와 데카르트까지 거슬러 올라간다. 사실 구슬-빗면 사고실험은 갈릴레오에 의해 먼저 설계된 것이다. 뉴턴은 그보다 앞서 있던 선배들로부터 빚을 진 것이나 다름없다. 

(필자가 번역한 글임. 원본 링크 : http://science.howstuffworks.com/innovation/scientific-experiments/newton-law-of-motion1.htm)

관성은 왜 생기는가?

관성의 법칙은 갈릴레오가 사고실험으로 개념을 제시하고, 뉴턴이 뉴턴의 제1법칙으로 체계화했다. 그런데 뉴턴 자신도 관성이 왜 생기는지에 대해서는 언급을 하지 않았다. 일종의 공리 형태로 제시한 것이다. 그럼 관성이란 왜 생기는 것일까? 관성이 왜 생기는 것인가의 문제는 중력이 왜 생기는가와 같은 매우 어려운 문제이다. 심지어 아인슈타인도 관성을 공리로서 취하였다고 한다. 

1994년에 B. Haisch, A. Rueda and H. Puthoff가 확률전기역학(Stochastic Electrodynamics, SED)라고 잘 알려진 반고전적인 처리방식(a semi-classical technique)을 활용하여 관성의 기원에 관한 가설을 제시하였다. 이에 따르면 관성은 양자진공(the quantum vacuum)에서 전자기의 영점장(zero-point field, ZPF)과 물질을 구성하는 쿼크와 전자 간의 상호작용으로 비롯된다고 한다. (출처 : http://www.calphysics.org/inertia.html )

내가 잘 이해한 것인지 모르겠다. 물리학의 근본을 파고들기 시작하면 점점 과학이 아니라 철학이나 종교에 가까워지는 듯한 느낌을 받을 때가 있다. 물리학에는 수학에서처럼 일종의 ‘공리’로 취급해버리고 설명을 생략해버리는 경우도 많다. 하지만 궁금증은 끝이 없는 법이고, 심지어는 공리 자체에 대해서도 질문은 이어진다. 어쩌면 끊임없이 그 물음에 답해야 하는 것이 물리학자의 소명이 아닐까 싶다. 지난해 한창 떠들썩했던 힉스입자도 마찬가지다. 당연한 것으로 여겼었던 질량이란 것도 입자에 질량을 부여하는 기본입자가 있다니… 공리로 여겨왔던 관성이라는 것에 대해서도 그 기원을 찾아보려는 시도가 있다는 것이 놀랍다.

2014.03.27.(목)