고전 역학이란 무엇인가

1. 고전 역학

아주 쉽게

우리가 사는 눈에 보이는 세상, 그러니까 공, 자동차, 사람, 별 같은 "큰 것들"이 어떻게 움직이는지를 다루는 학문이다. 물리학에서 가장 먼저 자리 잡은 분야 중 하나라고 한다.

핵심 아이디어는 딱 하나다.

어떤 물체가 지금 어디에 있는지(위치)와 어떤 속도로 움직이는지(속도)를 알고, 거기에 어떤 힘이 작용하는지 알면, 그 물체의 과거와 미래를 전부 계산할 수 있다.

공을 던지면 어디로 떨어질지 계산할 수 있는 것처럼, 원리적으로는 온 우주의 모든 것을 계산할 수 있다는 생각이다. 이걸 결정론이라고 부른다. 세상이 정해진 규칙대로, 톱니바퀴처럼 딱딱 굴러간다는 세계관이다.

여기서 한 가지 더 기억해둘 것: 고전 역학에서 물리량은 연속적이다. 즉 속도든 에너지든 값이 언덕처럼 매끄럽게 이어진다. 100도, 100.1도, 100.0001도… 사이사이 어떤 값이든 가질 수 있다. (뒤에 나올 양자역학과 딱 반대되는 지점이니 기억해두자.)

역사

• 갈릴레오와 케플러가 물체의 운동과 행성의 움직임을 연구하며 바탕을 닦았다.
• 아이작 뉴턴이 1687년에 이 모든 걸 세 가지 운동법칙(관성 / 힘 = 질량 × 가속도 / 작용-반작용)으로 깔끔하게 정리했다. 이게 고전 역학의 뼈대다.
• 200년 넘게 이 이론은 거의 완벽해 보였다. 19세기 말 과학자들은 "이제 물리학은 거의 다 밝혀냈다"고 자신만만했다.

한계

나중에 밝혀지지만, 이 "정해진 세상"이라는 그림은 두 군데서 깨진다. 하나는 아주 빠르거나 중력이 센 곳(→ 상대성이론), 다른 하나는 아주 작은 세계(→ 양자역학)다. 다음 이야기가 바로 이거다.

라플라스의 악마

라플라스의 악마(Laplace's Demon)는 "우주에 있는 모든 원자의 정확한 위치와 운동량을 아는 절대적인 존재가 있다면, 뉴턴의 역학 법칙을 통해 과거와 현재의 모든 것을 설명하고 미래까지 완벽하게 예측할 수 있다"는 과학적 결정론의 상징적 개념입니다.

정리

• 고전 역학 = 힘을 알면 미래의 움직임을 예측한다.
• 핵심 철학은 결정론 (라플라스의 악마)
• 하늘과 땅을 하나의 법칙으로 통일한 뉴턴의 위대함
• 너무 빠르거나 너무 작으면 안통한다. (상대성 / 양자의 영역)