물리학의 순수성과 측정계

물리학은 기본적인 학문이다. 물리학의 법칙들과 이론들은 가장 근본적으로
우주의 운행 설명한다. 이 때문에 물리학은 매우 중요한 학문이다. 동일 법칙
들로 분자, 항공기 및 은하계의 움직임을 설명한다. 아직 이루지 못하였지만, 대
부분의 과학자들은 살아있는 세포나 조직의 작용을 원칙적으로 물리학의 기본
법칙만으로 설명할 수 있다고 믿고 있다.
물리학의 법칙들을 적용하면서 마주치는 문제들을 해결하기 위해서는 슬기로
운 고찰과 수학적 재능이 필요하다. 문제를 해결하기 위한 도전은 지적인 흥
미를 유발하지만 이에 따라 물리학은 어려운 과목으로 인식되고 있다. 그
러나 물리학을 배우는 데에는 수많은 어려움이 뒤따른다는 생각을 가지고 물리
학 과정을 이수한다면 그것은 그릇된 생각이다. 물리학은 극히 기본적이므로 본
질적으로 단순하다. 익혀야 할 기본 법칙들은 몇 가지 되지 않는다. 이 법칙들을
확실히 이해한다면, 이들을 여러 다른 상황들에 폭넓게 적용할 수 있다. 다양한
예들을 통해 기본적인 물리 법칙들이 어떻게 표현되는가를 깨닫게 함으로써

물리학의 순수성을 강조한다는 마음으로 이 책을 저술하였다.
기본 법칙들을 완벽하게 이해하면, 이들을 새로운 상황에 자신만만하게 적용
합 수 있다. 이 교재를 읽고 문제들을 풀어나가면서 기본이 되는 물리학 원리들
의 순수성을 상기해 보아라. 또한 마주친 문제가 다른 문제들과 그리고 교재의
예제들과 얼마나 유사한지 따져 보아라. 그러면 많은 문제와 예제들이 실로
몇몇 기본 법칙들에만 관련된다는 것을 알게 될 것이다. 물리학은 단순하지만
또한 매력적이다. 물리학에는 기본적인 학문의 영역과 위력을 반영하는 근원적
인 순수성이 있다.

측정계

"멀다"는 말은 앉아서 일하는 사람이냐, 마라톤 선수냐, 항공기 조종사냐 그리
고 우주비행사냐에 따라 의미하는 바가 달라진다. 측정한 것을 양적으로 정할
필요가 있다. 오늘날 거의 모든 나라에서 미터계(미터, metric system)를
사용한다. 이 계에서는 기본량인 길이, 질량 그리고 시간을 각각 미터(m)
킬로그램(kg) 그리고 초(S)로 측정한다. 미국은 미터계를 사용하지 않는 유일한
선진산업국이다. 그러나 경제적 압력과 새로운 법률로 인해 미국은 미터계를 
채택하는 쪽으로 서서히 옮겨가고 있다. 오늘날의 미터계는 SI(System International
d'Unites, International System of Units)로 -알려져 있다. SI는 과학에서의 세계
적 언어이며, 그리고 기본량에 대한 과학적으로 엄밀한 정의를 반영한다.

길이
미터(meter, m)는 적도로부터 Paris를 거쳐 북극에 이르는 거리의 1,000만분의 
1로 프랑스 혁명 당시 최초로 정의되었다.
아니며 단두대에서 -당시 이 경로의 한 부분을 측정하기 위해 파견된 측량사들은
거의 단두대에서 사라졌다- 더욱 간편하게 이용할 수 있는 측정 원기가
필요하다는 것을 알게 되었다.
1889년 미터원기가 정성들여 제작되었다; 얼음의 녹는점에서의 백금, 이리듐,
합금으로 만든 막대 위의 두 선 사이의 거리가 표준 미터이다. 이 미터원기는
프랑스의 Sevres에 있는 국제 도량형국에 있는 온도 조정실 내에 보존되어 있은
느는데 1875년에 서명되었던 측정에 관한 국제 협약은 이 도량형국에서 김토되었
다. 30 개의 보조용 미터원기도 동일한 합금 이로 만들어졌다-15년에 걸쳐
비교한 결과 이 미터 원기들은 2천만분의 1의 정밀도 내에서 미터와 동일하다는
것이 밝혀졌다. 그러나 새로운 방법들이 개발됨에 따라 미터원기도 매우 정확한
것이 아니었다. 1960년에 미터는 동위원소 그립 톤-86에서 방출되는 발간 주황색의
빛의 파장으로 다시 정의되었다.
최근에 이르러 이 원기도 완전한 것이 되지 못했다. 1970년대에 가장 정확한
계 측정된 양 중의 하나가 광속이었다. 결국 1983년에 미터를 광속으로 또다시 
정의하게 되었다;

미터는 빛이 진공 중에서 299,792,458분의 1초 동안에 이동한 거리이다.

정확한 시계로 아무나 표준 미터를 재생할 수 있으므로 이 정의는 Paris에 보존
되어 있는 미터원기보다 한충 더 편리하다. 또한 미터의 재정의는
광속이 규정된 양이라는 것을 뜻한다; 그 값은 정확히 299,792,458 m/s이다.

시간

시간을 시, 분, 초로 구분한 것을 고대 바빌로니아로 거슬러 올라간다. 지구의
자전이 약간씩 늦어진다는 것이 알려질 평균 태양일의 1/(24 X60 X 60)'어로 초
(second, s)를 정의하였다. 그다음에 초를 1900년의 1초로 다시 정의하였다.
1967년에 초를 특수한 원자의 진동에 따라 다시 정의하였다.
초는 세슘-133 원자의 바닥 상태의 두 초미세 준위 사이의 전이에 대응하는 복사
의 9시간이다.
이 정의를 실현하는 데 도움이 되는 장치를 원자시계라고 한다. 미터의 정의와
같이 원자시계 정의는 적절한 장비를 갖춘 실험실에서 재생할 수 있다.
최근에는 수소 메이저라고 하는 장치가 한층 더 안전한 시간 원기로 사용되고
있다. 또한 일부 과학자들은 맥동성(pulsar)-극히 안정된 육로 전과 신호를 방출
하는 천체-을 사용함으로써 정확도를 더욱 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
따라서 초의 정의가 언젠가는 다시 바뀔 것이다.
지구의 자전보다 더 좋은 시간의 원기를 얻게 된 것은 바람직 한 일이다. 최근의
연구로 지구 자전의 속도가 바람이 붙어도 약간 변한다는 것이 밝혀졌다. 원자 
시계와 지구-자전 시계가 일치하도록 하려면 필요에 따라 보통 I 년에 대략
한번 지구 시계에 " 윤초(leap second)"를 더한다.