Science

History of Science

 P=h/λ 라는 수식과  λ=h/p 라는 수식의 차이는 무엇인가요? 첫 번째 수식은 아인슈타인의 광양자설의 결론이고, 두 번째 수식은 드브로이의 관계식입니다. 그냥 보기에는 중학교 수학도 안되지만, 이 식은 원자만큼 작은 크기를 다루는 물리의 새로운 장을 열었습니다. (참고로 사과의 원자 크기는 지구(=사과)와 사과(=원자)를 비교해보면 됩니다.) 그리고 아인슈타인과 드브로이는 각각 1921년과 1929년에 노벨상을 받았습니다. 과학은 항상 발전과 혁명을 거듭해 오고 있습니다. 그리고 이번 사설에서는 과학사 발상의 전환에 대한 큰 흐름을 설명하고자 합니다.

먼 과거 사람들은 지구가 중심이라는 천동설을 믿었다고 합니다. 천동설은 기원전 4세기, 아리스토텔레스의 ‘원의 완전무결함’이라는 철학적 생각과, AD 150년경 알렉산드리아의 천문학자 프톨레마이오스의 과학적 생각에 의해 완성되었지요. 프톨레마이오스는 총 40개의 구를 이용해 태양계를 설명했는데, 근사적인 값들이 잘 맞았습니다. 그렇기에 교회에서도 프톨레마이오스의 천동설을 따르게 되었고, 많은 사람들이 천동설을 믿게 되었지요.

시간이 흘러 16세기 프톨레마이오스의 천동설에는 천체의 운동을 설명하는데 많은 오류가 나타납니다. 그리고 코페르니쿠스로부터 과학적 혁명이 일어납니다. 코페르니쿠스는 우주의 중심에서 지구를 떼어내고 태양을 끼워 넣었고, 이에 대한 이론적인 책을 집필했습니다. 얼마 후 갈릴레이는 태양중심이론을 뒷받침할만한 실험적 증거들도 제시하게 됩니다. 그렇지만 중세의 학자들은 아리스토텔레스를 신봉했기에, 행성들이 완전한 원운동을 한다는 아리스토텔레스로부터 이어져오는 고정관념으로부터 자유롭지 못했습니다.

‘완전한 원’에 대한 집착, 아리스토텔레스의 마지막 굴레로부터 인류를 해방시킨 인물은 케플러입니다. 갈릴레이와 동시대 인물인 케플러는 스승 티코 브라헤의 자료들을 바탕으로 아리스토텔레스의 완전무결한 원의 관념을 깨버리고 행성의 타원운동을 주장합니다. 그리고 얼마 후, 뉴턴은 코페르니쿠스, 갈릴레이, 케플러 등 과학자들의 자료를 이용해 운동의 이유를 밝혀 수식적으로 정리하며 태양중심이론의 종지부를 찍게 됩니다. 그리하여 현재 학교에서 배우는 물리를 뉴턴의 역학이라고 하지요.

           정말 긴 여정이지요? 하나의 생각을 바꾸는데 무려 2,000년에 가까운 시간이 걸렸습니다. 그렇지만 과학의 여정은 여기서 끝이 아닙니다. 지금도 계속되고 있지요.

           완벽할 줄만 알았던 뉴턴 역학은 1905년 아인슈타인이 원자처럼 작은 세계를 다루는 양자물리와 빛의 속도로 빠를 경우를 다루는 상대성이론을 연달아 발표함으로써 새로운 혁명을 일으켰습니다. 그리고 우리는 1905년을 ‘경이의 해’라고 부르지요. 1990년대에 와서는 암흑물질의 발견으로 우리가 아는 물질의 세계가 사실은 4%에 불과하지 않다는 사실을 알게 됩니다. 즉 90% (23%의 암흑물질과, 70%의 암흑에너지) 이상의 우주에 대해 우리가 아는 것은 아무것도 없습니다. 앞으로 NASA의 WFIRST와 같은 새로운 미션들이 이것들을 찾아 나설 것입니다.

           천문학자가 꿈인 저는 우주를 보고 있노라면 정말 신기하고 놀랍습니다. 중성자별의 한 티스푼의(5 milliliters)의 질량은 5.5*10^12kg으로 이집트 기자에 있는 피라미드의 900배에 육박합니다. 우리는 어쩌면 화성인일 수도 있습니다. 지구와 달(Theia)은 사실 행성의 위치를 차지하기 위해 서로 싸운 사이였습니다. (서로 충돌) 우리의 태양은 은하를 시속 828,000km(230km/s)로 돌고 있고, 지구는 태양을 108,000km/h(30km/s)로 공전하고 있습니다. 사실 엄청난 속도로 움직이고 있는 중이지요.

           어떤가요? 과학의 세계가 정말 놀랍지 않은가요? 과학에 조금 흥미가 생기지 않나요? 피타고라스는 자신이 성자나 현인이라기보다는 단지 지혜를 사랑하는 자에 지나지 않는다고 말했습니다. 그리고 이 말에서 지혜(Sophia)를 사랑하는(Philo) 자, 즉 철인 philosopher이라는 용어가 만들어졌습니다. 그리고 박사를 Doctor of Philosophy라고 부르지요. 참 아름다운 말인 것 같습니다.

           하버드 대학교 화학과 교수님이시자 1986년 노벨 화학상 수상자인 D. 허슈바흐 교수님은 “모든 아이들은 다 과학자다. 그들은 세상 모든 것에 호기심을 보이기 때문이다.”라고 말씀하셨습니다. 이 말에 따르면, 호기심을 가진 모든 아이들은 과학자이겠지요. 몽골의 호기심 많은 아이들이 꿈을 꾸고, 지혜를 사랑하는 지성인이 되기를 바랍니다. 그리고 아인슈타인을 뛰어넘는 누군가가 나오기를 희망합니다. 마지막으로 스스로에게 질문해 보시기를 바랍니다. 우리는 이 세계의 어디까지 이해할 수 있을까요?

History of Science

P=h/λ, λ=h/p энэ хоёр томьёоны ялгаа нь юу вэ гэвэл:

Эхний томьёо нь гэрлийн квантын томьёо, хоёр дахь нь de Braglie-ийн холбоог харуулах томьёо юм. Хэрвээ та үүнийг харах юм бол энэ нь дунд сургуулийн хэмжээний л хялбархан 2 өгөгдлийг солиод тавьчихмаар амархан санагдах байх. Энэ нь зүгээр л энгийн томьёо мэт харагдаж байгаа боловч атом шиг жижиг хэсэгтэй харьцаж чадах дэлхийн физикийн ертөнцийг нээж өгсөн. (Хэрвээ таныг энэхүү атомыг төсөөл гэвэл та 1 ширхэг алимыг атом хэмээн бодоод дэлхийтэй харьцуул. Атом тийм л жижигхэн.)

1921 онд А.Эйнштейн P=h/λ томьёог, 1929 онд de Braglie λ=h/p томьёог нээснээр Нобелийн шагналыг тус тус хүртсэн. Та шинжлэх ухааны түүхийг сөхөөд үзвэл энэ нь дандаа шинжлэх ухааны хөгжлийг залдаг хувьслийн тухай байдаг. Би энэ удаад шинжлэх ухааны хөгжлийн түүхийн том зураглалыг өгүүлэхээр шийдлээ.

Өнгөрсөн үеийн хүмүүс geocentric онолд итгэж байсныг та мэдэхүү. МЭӨ 4 зуунд Аристотелийн философийн үзлээр дугуй дүрс нь ямар нэгэн гажуудалгүй, мөн төгс тийм учраас манай ертөнц хэзээ ч мөхөшгүй яг л дугуй дүрс шиг гэж үздэг байсан. МЭ 150 онд одон орны онолч Ptolemy-н шинжлэх ухааны үзлээр гараг ертөнц тойрог байдлаар оршдог гэдгийг ойлгоход хялбар мөн одод гараг эрхэс хаана байрлаж байгааг сайн таамагладаг байсан. Ptolemy-н онолоор нарны аймагт 40 гаруй зууван хэлбэртэй гараг эрхэсийн тойрог хөдөлгөөнийг тайлбарлаад гарагуудын байршлыг нилээн дөхүүлж тогтоосон. Түүний энэ онолыг тухайн үеийн сүмүүд даган мөрдөж байснаас бусад бүх хүмүүс итгэж дагах болсон.

МЭ 16-р зуунд Ptolemy-н geocentric онолд нилээд алдаа байгааг тогтоосон. Дэлхий нь бүх зүйлийн төв гэж үзэж байсан үзэл Copernicus-н шинжлэх ухааны хувьслын улмаас өөрчлөгдсөн нь copernicus бол хувьслын эхлэл. Түүний үзлийн гол санаа нь нар бол төв нь бөгөөд энэ санааныхаа тухай (тооны ухаанаар) ном бичсэн. Үүний дараахан Галилей нар нь бол төв нь гэдгийг туршилтаар баталсан. Гэвч 16-р зууны үеийн хүмүүс Аристотелийн бүх юм тойрог хэлбэрт оршдог гэсэн үзлийг яг цаг тойргоор явдаг шиг үнэн гэж үзээд, энэ үзлийг орхиж чадахгүй байсан.

Аристотелийн философийн энэхүү үзлийг эвдсэн хүн ньKepler байлаа. Галилейн үед амьдарч байсан Кеплер түүний багш Tycho Brahe-н гараг эрхэсийн мэдээллийг нэгтгэн гараг эрхэс эльпс хэлбэрээр тойрон эргэдгийг баталсан. Үүний дараа Ньютон, Copernicus, Галилей, Кеплер нарын үзлийг нэгтгэн гараг эрхэс эльпс хэлбэрээр тойрон эргэдэг гэдгийг баталж алдарт онолоо батлан томьёолсон. Та нарын дунд сургуульд үзсэн физикийн онол нь Ньютоны онол юм.

Энэ үнэхээр урт аялал байгаа биздээ? Geocentric онолыг heliocentric онолоор өөрчлөхөд 2000 жил шаардагдсан. Гэвч бидний шинжлэх ухааны аялал одоо хүртэл үргэлжилсээр л байна.

1905 он хүртэл бид Ньютоны онолыг төгс гэж үзэж байсан боловч тухайн үед А.Эйнштейн атом бол биеийн хамгийн жижиг хэсэг гээд Квантын онолын тухай мөн юмс үзэгдэл гэрлийн хурдаар тархдаг гэсэн Харьцангуйн онолын талаар бичиж, ярьж эхэлсэн нь бидэнд физикийн шинжлэх ухааны өөр нэгэн шинэ хувьсал болсон юм. Эдгээр шинэ нээлтүүдийг дэлхий даяар мэдэж эхэлснээр шинжлэх ухаанчид 1905 оныг "гайхамшигт жил" гэж нэрлэдэг. 1990 он гэхэд шинжлэх ухаанчид дэлхий ертөнцийн тухай дөнгөж 4 хувийг л таньж мэдэж эхэлсэн. Энэ нь дэлхий ертөнцийн 90 гаруй хувь (23 хувь нь dark matter, 70 хувь нь хар эрчим хүч) нь одоо болтол бидэнд мэдэгдээгүй байгаа юм. Сүүлийн үед NASA-ийн "WFIRST" гэдэг төслийн хүрээнд dark matter гэж юу болохыг илрүүлэн нээх зорилготой байгаа.

Одон орон судлаачийн нүдээр харвал манай гараг ертөнц үнэхээр гайхамшигтай ер бусын мэт санагдана. Жишээлбэл нейтроны одын хэлтэрхий болох элсийг цайны халбагаар (5 мл-н хэмжээтэй) хутган аваад хэмжвэл 5,5*1012кг-тай тэнцэх бөгөөд энэ нь Египетийн Пирамидаас 900 дахин хүнд гэсэн үг юм. Бид Марс гарагаас үүсэлтэй байж магадгүй. Тиа (Theia) гэж нэрлэгдэх гараг буюу бидний мэдэх "сар" манай дэлхийтэй мөргөлдөөд агаар мандалд олон жижиг гарагийн тоосонцор дэгдэж, тухайн тоосонцороос хүнд метал болох төмөр нь нэгдэж дэлхийн цөмийг үүсгэн бусад бодисыг өөртөө нэгтгэн дэлхийн гадарга болон сар хэмээх гарагийг үүсгэсэн. Манай нарны аймаг 823000 км/ц (230 км/c)-ийн хурдтайгаар галактикт тойрон эргэлддэг. Манай гараг дэлхий нь 108000 км/ц (30 км/c)-ийн хурдтайгаар тойрон эргэж байдаг. Бидний амьдарч байгаа орчин маш тайван хөдөлгөөнгүй мэт санагдаж байгаа боловч бид үнэндээ үнэхээр хурдан эргэлдэж байдаг юм.

За энэ бүхнийг сонсоход ямархуу санагдав? Энэ үнэхээр гайхалтай биш гэжүү! Үүнийг уншаад шинжлэх ухааныг сонирхохгүй байна гэжүү? Пифагор "Би бол зөвхөн мэдлэгийг шүтэн биширч, хайрладаг" гэж өөртөө хэлж байжээ. Энэ өгүүлбэрээс үүдэн "Sophia"-мэдлэг, "Philo"- дурлах, хайрлах үгнээс philosopher буюу мэдлэгт дурлагч, мэдлэгийг шүтэгч гэсэн утгатай үг үүсжээ. Үүнээс үүдэн бид философийн доктор гэж доктор зэргийг нэрлэдэг болсон нь гайхалтай биш гэжүү!

1986 онд Хилийн салбарт Нобелийн шагнал хүртсэн Харвардын их сургуулийн Хилийн Dr.Hushbah "Хүүхдүүд багадаа бүх зүйлийг сонирхон асуудаг учраас тэд бүгд шинжлэх ухаанчид байдаг" гэж хэлсэн байдаг. Түүний хэлсэн шиг бүх Монгол хүүхдүүд ч гэсэн шинжлэх ухаанчид юм. Би тэднийг мэдлэгт дурлаж, мэдлэгийг сонирхож бүгдийг нь philosopher болно гэж найдаж байна. Түүгээр ч барахгүй Эйнштейний дараах агуу хувьслыг хийх хүүхдүүд байгаа гэдэгт итгэлтэй байна. Би та бүхнийг бүх дэлхий ертөнцийг бүрэн ойлгоход хэр хол байгаагаа бодож үзэхийг хүсэж байна.