생활 속의 물리학

반도체 物理學(물리학)발달로 電子工學(전자공학)혁명 이뤄
電子製品(전자제품) 등 탄생시킨 물리학, 實生活(실생활)과 밀접

  現代文明(현대문명)의 利器(이기) 속에 살고 있는 이즈음, 科學(과학)의 人間生活(인간생활)침투는 긍정적인 방향으로 해석되어질 수밖에 없다 하겠다. 특히 物理學(물리학)은 實生活(실생활)과 밀접한 科學(과학)의 한 分岐(분기)로서 유용한 입장에 서있다 하겠다. 本考(본고)에서는 物理學(물리학)의 발전과정을 生活(생활)과 관련시켜 고찰해보고자 한다. <편집자 註(주)>
 

  모든 科學(과학)은 人間(인간)의 知識作用(지식작용)의 소산이라 할 수 있다. 특히 自然科學分野(자연과학분야) 중에서도 가장 일찍이 학문적 체계를 갖춘 物理學(물리학)은 인간생활과 깊은 연관성을 갖고 발달하여 왔다.
  모든 과학이 그렇겠지만 物理學(물리학)은 스스로가 심오한 학문적 가치를 가지고 있으면서 더욱이 기술을 매개체로 하여 인간생활을 풍요롭게 하는 이용가치를 가지고 있어 더욱 높이 평가되며 또한 생활경험을 토대로 하는 人間思想(인간사상)에까지도 깊은 영향을 미쳤음에 틀림없다.
  이에 여기서는 物理學(물리학)이 人間思想(인간사상)과 인간생활에 미친 영향을 개괄적으로 요약코자 한다.

  Ⅰ, 人間思想(인간사상)속의 物理學(물리학)
  오랫동안 신봉되어왔던 天動說(천동설)을 부정하고 地動說(지동설)을 주장한 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이 등에 의해서 출발된 과학혁명은 中世(중세)의 암흑시대를 타파하고 人間思想(인간사상)을 모색하기 위한 原動力(원동력)이 되었으며 이 科學革命(과학혁명)은 뉴턴에 의해 계승되어 그 후 약 2백년 동안은 모든 自然現象(자연현상)을 力學的(역학적)으로만 설명하려는 自然觀(자연관), 즉 力學的(역학적) 自然觀(자연관)을 토대로 하여 자연과학이 발달하였다.
  그러나 力學的(역학적)自然觀(자연관)은 巨視的(거시적)인 物質世界(물질세계)에서는 타당성을 지니고 있지만 微視的(미시적)인 物質世界(물질세계)에서는 많은 問題點(문제점)을 안고 있어 이를 해결하기 위한 새로운 自然觀(자연관)이 싹트기 시작하였다. 즉 微視的(미시적)인 觀點(관점)에서 物質(물질)을 구성하는 최속 입자를 原子(원자)로 보았으며 이 原子(원자)는 陽(양)의 電荷(전하)를 띤 原子核(원자핵)과 陰(음)의 電荷(전하)를 띤 電子(전자)로 區分(구분)함으로써 物質世界(물질세계)를 原子(원자)의 集合體(집합체)로 보아 電氣的(전기적)ㅡ磁氣的(자기적) 觀點(관점)에서 해석하려는 人間思想(인간사상)이 지배적으로 되었다.
  그 후 20世紀(세기)에 들어와 다시 物理學(물리학)에 새로운 혁명적인 理論體系(이론체계) 즉 아인슈타인의 相對性原理(상대성원리)와 플랭크의 量子假說(양자가설) 등이 발표되었다.
  1905년 아인슈타인은 古典物理學(고전물리학)의 모순점을 해결하기 위해서 相互(상호) 等速度運動(등속도운동) 하는 座標系(좌표계)에 대한 特殊相對性理論(특수상대성이론)을 발표하였으며 이 理論(이론)을 확장하여 1916년에는 상호가속도로 운동하는 座標系(좌표계)에 대한 一般相對性理論(일반상대성이론)을 발표함으로써 고전물리학은 물론이고 철학적인 認識面(인식면)에서도 많은 변화를 가져왔다.
  哲學的(철학적) 側面(측면)의 경우 認識(인식)에 좌우되지 않는 絶對的(절대적)인 時間(시간)과 公刊(공간)이 實際的(실제적)으로 存在(존재)한다는 종래의 개념을 타파하고 時間(시간)과 公刊(공간)은 經驗(경험)에 의하여 좌우되는 相對的(상대적)인 존재이며 시간과 공간은 서로 연관되어 있고 또한 물질과 에너지의 동등성 다시 말하면 物質(물질)을 에너지化(화)시킬 수 있고 에너지를 物質化(물질화)시킬 수 있다는 物質(물질)과 에너지의 개념을 확장시킴으로써 人間思想(인간사상)이 力學的(역학적) 自然觀(자연관)과 電磁氣的(전자기적) 自然觀(자연관)으로 변하게 되었다.
  그러나 科學(과학)이 급진적으로 발전됨에 따라 뉴턴力學(역학) 原子機造論(원자기조론) 및 막스웰의 電磁波理論(전자파이론)등으로 完全(완전)하게 설명할 수 없었던 現象(현상)들이 플랭크가 量子假說(양자가설)을 발표함으로써 自然現象(자연현상)의 觀點(관점)을 量子理論(양자이론)으로 설명하려는 思潮(사조)로 변천됨에 따라 人間思想(인간사상)이 또다시 量子論的(양자론적)으로 바뀌었다.
  이와 같은 변천과정을 볼 때 物理學(물리학)은 人間思想(인간사상)을 力學的(역학적) 自然觀(자연관)에서 電磁的(전자적) 自然觀(자연관)으로 변천되고 다시 相對論的(상대론적) 自然觀(자연관)을 거쳐 量子論的(양자론적) 自然觀(자연관)으로 변화되었다고 볼 수 있다.

  Ⅱ, 物理學(물리학)과 動力(동력)
  古代(고대) 그리스 屍臺(시대)에는 靜力學(정역학)을 응용한 지렛대라든가 도르레 등이 고안되어 實生活(실생활)에 널리 이용되었고 16세기 말에는 光學(광학)의 발달에 힘입어 顯微鏡(현미경)과 望遠鏡(망원경)이 發明(발명)되었으며 16世紀末(세기말)까지만 해도 物質(물질)의 溫度(온도)를 사람의 감각에 의해서 感知(감지)할 수밖에 없었으나 17世紀初(세기초)에 溫度計(온도계)가 제작되어 實生活(실생활)에 널리 이용되었으며 17世紀中葉(세기중엽)에는 ?子(진자)의 等時性(등시성)을 利用(이용)한 振子時計(진자시계)가 發明(발명)되어 오늘에 이르기까지 우리 가정의 필수품으로 쓰이고 있다.
  그러나 動力(동력)만은 가장 늦게 발달되어 17世紀末(세기말)까지 가축의 힘이나 自然(자연)그대로의 水力(수력) 風力(풍력)등에 의존해오다가 18世紀初(세기초) 熱(열)에너지를 動力化(동력화)한 熱機關(열기관), 電氣(전기)에너지를 動力化(동력화)한 電動機(전동기)등이 發明(발명)되었다. 이 熱機關(열기관) 및 電動機(전동기)는 現代産業社會(현대산업사회)를 이룩하는데 礎石(초석)의 역할을 하였음에 틀림없다. 특히 石炭(석탄), 石油(석유)와 같은 化學的(화학적)에너지 이외에도 水力(수력), 風力(풍력), 太陽(태양)에너지 등을 傳奇的(전기적) 에너지로 바꾸어주는 發電機(발전기), 原子爐(원자로) 그리고 現代社會(현대사회)에서 각광 받고있는 컴퓨터의 發明(발명) 등이 物理學(물리학) 發展(발전)의 所産(소산)이라 한다면 이들은 人間生活(인간생활) 속에 物理學(물리학)이 항상 같이하며 발전되어 왔다는 사실을 부정할 수 없다.
  특히 現代科學文明(현대과학문명)의 발달은 여러 가지 요인이 있겠지만 열기관의 발달로 인하여 증기기관이 제작되었고 이로 인하여 종래의 手工業的(수공업적) 방법을 탈피하게 되었으며 증기동력은 대규모의 工場建設(공장건설), 交通機關(교통기관), 大型船舶(대형선박) 등에 이용되었다. 또한 내연기관의 발명은 자동차, 비행기 등을 만드는데 原動力(원동력)의 역할을 하여 산업사회로의 발전을 加速化(가속화)시켰다고 볼 수 있다.
  특히 우리나라와 같은 부존자원이 부족한 나라들은 물론이고 부존자원을 많이 갖고 있는 나라들 역시 보다 많은 動力(동력)을 필요로 하고 있어 動力(동력), 그중에서도 電力(전력)은 그 나라의 國實發展(국실발전)과 밀접한 函數(함수) 관계를 갖고 있다. 왜냐하면 電氣(전기)에너지를 熱(열)과 力學的(역학적) 에너지로 바꾸어 쓸 수 있기 때문에 우리생활에서 電氣(전기)에너지는 가장 중요한 에너지이다.
  이외에 에너지原(원)으로 이용할 수 있는 水力(수력)이나 風力(풍력)은 立地的(입지적) 제한성과 한계성을 갖게 마련이고 地下(지하)에 매장되어있는 化石(화석)에너지 즉 석유라든가 석탄도 매장된 한계량이 있어 멀지않은 장래에 고갈될 것으로 미루어 보아 국내외적으로 멀지 않은 장래에 우리는 動力難(동력난)에 직면하게 될 것이 확실시된다.
  이와 같은 상황 하에서 새로운 에너지原(원)인 原子力(원자력)에너지의 출현은 다소나마 우리에게 안도감을 주지만 이것 역시 限界量(한계량)이 있으며 原子力(원자력)만으로는 에너지를 충당할 수 없기 때문에 또 다른 에너지原(원)을 찾기 위해서 선진제국을 비롯한 여러 나라들이 無限(무한)하며 公害(공해)가 없는 太陽(태양)에너지 개발에 박차를 가하고 있으며 작금에는 太陽電池(태양전지) 製作(제작), 太陽熱住宅(태양열주택) 太陽(태양)에너지發電所(발전소) 등을 건설하고 實用化(실용화)하고 있다.
  특히 原子力(원자력)개발 분야에 있어서는 크게 발전되어 우리나라에도 ‘고리 原子力發展所(원자력발전소)’를 비롯하여 수년 내로 준공예정인 몇 개의 原子力發展所(원자력발전소)들이 우리나라 電力需給(전력수급)에 큰 비중을 차지하게 될 것으로 본다. 그리고 原子力開發(원자력개발) 分野(분야)에서 가장 관심사가 되고 있는 것은 天然(천연)우라늄으로부터 高度(고도)의 技術(기술)로 分離(분리)시켜 얻을 수 있는 濃縮(농축)우라늄으로서 이 濃縮(농축)우라늄에 한 개의 中性子(중성자)를 쏘아주면 우라늄核(핵) 한 개가 分裂(분열)되는 과정에서 새로운 中性子(중성자) 2~3개가 放出(방출)되어 인접해있는 다른 우라늄 原子(원자)核(핵)을 다시 分裂(분열)시킴으로써 연쇄적인 核分裂(핵분열)을 일으킨다.
  이와 같은 연쇄적인 核分裂(핵분열) 과정에서 原子核(원자핵) 한 개가 분열될 때 대략 2백MV에 해당되는 熱(열) 에너지를 방출하게 된다. 이때 연쇄적인 核分裂(핵분열)로부터 방출되는 막대한 熱(열)에너지를 電氣的(전기적)에너지로 바꾸어 쓸 수도 있고 또한 이 核分裂(핵분열) 에너지를 이용해서 原子(원자)爆彈(폭탄)을 만들 수 있다. 이 원자탄은 세계2차대전 당시 日本(일본)의 長?(장?)와 廣島(광도)에 투하됨으로써 세계2차대전을 종식시킨 것은 잘 알려진 사실이다.
  이 核分裂(핵부녈)을 平和的(평화적)으로 이용하자는 노력의 所産(소산)으로   原子爐(원자로)가 개발되었고 이 原子爐(원자로)內(내)에서 放出(방출)되는 熱(열)에너지를 電氣的(전기적)에너지로 바꾸어준 것이 原子力(원자력)發電(발전)이며 이것은 火力發電(화력발전)에 비하여 電力生産單價(전력생산단가)가 저렴하기 때문에 우리나라의 火力發電(화력발전)이 原子力發電(원자력발전)으로 서서히 전환되고 있는 실정이다.
 
Ⅲ. 物理學(물리학)속의 現代醫學(현대의학)
  우리가 잘 알고 있는 바와 같이 放射性同位元素(방사성동위원소)는 醫學(의학), 農學(농학), 化學(화학), 生物學(생물학) 등에 널리 이용되고 있으며 農學(농학) 및 生物學(생물학)에 응용한 대표적인 예는 어떤 植物(식물)을 보통 燐(인)을 포함하고 있는 培養液(배양액)으로 성장시켰을 때 자라난 잎을 따서 그 잎의 成分(성분)을 화학적으로 분해한 결과 그 植物(식물)의 잎은 보통 燐(인)을 포함하고 있었고 똑같은 植物(식물)을 放射性(방사성) 燐(인)을 포함한 培養液(배양액)으로 성장시켰을 때 자라난 식물의 잎에는 방사성 燐(인)을 포함하고 있었다. 그러나 놀라운 사실은 먼저 보통 배양액에서 잎을 성장시킨 뒤 이식물을 放射性(방사성) 燐(인)이 포함되어 있는 배양액에서 성장시킬 때 이 보통 배양액에서 성장된 잎에 방사성 인이 검출되며 放射能(방사능)의 강도도 처음부터 방사성 인이 포함된 배양액에서 성장시킨 잎에서의 방사성 강도와 같다는 사실을 알게 되었다.
  이와 같은 分析結果(분석결과)로부터 植物體(식물체)내에서의 燐(인)의 化合物(화합물) 교류가 실제로 일어나고 있음을 확인하였다. 또다른 實驗結果(실험결과)는 보통 燐(인)을 포함한 배양액에 방사성 燐(인)을 섭취한 식물을 옮겨놓았을 때 그 배양액이 방사성 燐(인)을 갖고 있지 않다는 사실을 확인함으로써 식물의 新陳代謝(신진대사) 硏究(연구)에도 큰 성과를 주었다.
  또한 放射性同位元素(방사성동위원소)가 醫學(의학)에 미친 성과를 보면 人體(인체)내에 放射能(방사능)을 갖고 있는 비스므트가 體外(체외)로 배설되는 상태를 연구하는 과정에서 새로운 사실을 발견하였다. 즉 癌細胞(암세포)는 건강한 細胞(세포)보다 비스므트를 오랫동안 머물게 하는 성질을 갖고있음이 판명되어 암환자진단에 대혁신을 가져왔다.
  간단한 진찰 방법으로는 腦腫瘍(뇌종양)을 검출키 위해서 방사성 요오드를 갖고있는 주사액을 환자에 주사하면 腫瘍(종양)이 放射性(방사성) 요오드를 흡수하게 되므로 종양부위에 머물러 있는 방사성 요오드가 방사선을 방출하므로 이 부위에 가이거뮬러 튜브를 접근시키면 계수기에 방사선이 계수되므로 종양의 정확한 위치를 알아낼 수 있다.
  이같은 腫瘍診斷方法(종양진단방법)은 위험한 수술을 받지 않고도 정확하게 診斷(진단)할 수 있으므로 환자자신에게 불안감을 주지 않을 뿐더러 診斷結果(진단결과)도 짧은 時間(시간) 내에 알 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 이와 비슷한 診察法(진찰법)으로 放射性(방사성) 食鹽水(식염수)를 人體(인체)에 注射(주사)하면 血液(혈액)은 放射性(방사성) 食鹽水(식염수)를 血管(혈관)內(내)에 운반하게 된다.
  이때에 혈액순환이 좋은 곳은 放射能(방사능)이 강하게 나타나고 혈액순환이 나쁜 곳은 放射能(방사능)이 약하게 나타나므로 혈액의 흐름의 모양을 알 수 있어 腫瘍(종양)의 위치를 알 수도 있다. 이 診斷方法(진단방법)은 환자의 진단이 빠르고 환자에게 전혀 부담을 주지 않는다는 장점을 갖고 있어 널리 이용되고 있다. 특히 r線(선), 中性子(중성자) 등을 이용한 癌患者(암환자) 치료법은 널리 보급되어 癌(암)퇴치에 크게 이바지 하고 있다.

Ⅳ. 電子物理學(전자물리학)과 現代文明(현대문명)
  20世紀初(세기초) 電子(전자)가 발견된 후 곧이어 二極眞空管(이극진공관)이 발명되었으며 電氣的信號(전기적신호)를 增幅(증폭)하고 전기적 진동을 일으킬 수 있는 二極管(이극관)이 개발됨으로써 이를 이용한 無線通信機(무선통신기), 라디오, 텔레비전 등 진공관을 이용한 전자제품 등이 오랫동안 우리 생활 속에 깊은 뿌리를 내리고 있어 이 시대를 진공관시대라고까지 하였다.
  그러나 半導體物理學(반도체물리학)이 발달됨에 따라 眞空管時代(진공관시대)는 사라지고 트랜지스터時代(시대)로 바뀌어져서 電子工學(전자공학)의 혁명을 가져왔다. 트랜지스터는 眞空管(진공관)과 같은 作用(작용)을 하면서도 眞空管(진공관)에 비하여 첫째 電力消耗(전력소모)가 적으며 둘째는 眞空管(진공관)에 비하여 크기가 적고 가벼운 電子裝置(전자장치)를 만들 수 있는 長點(장점)을 갖고 있고 셋째는 製造價格(제조가격)이 저렴하고 壽命(수명)이 길며 넷째는 스위치를 넣자마자 곧 作動(작동)한다는 長點(장점)을 갖고 있다.
  다시 말하면 眞空管(진공관)식 텔레비전은 스위치를 넣고 난 다음 약간의 時間(시간)이 경과한 후에서야 畵面(화면)이 나오기 시작하나 트랜지스터형 텔레비전은 스위치를 넣자마자 畵面(화면)이 스크린에 나타난다는 것이다. 특히 트랜지스터형 電子製品(전자제품)은 견고하고 고장이 작고 크기가 적어 휴대하기에 간편하며 性能面(성능면)에서도 眞空管(진공관)에 비하여 우수성을 갖고 있어 高性能(고성능)을 요하는 電子計算器(전자계산기), 飛行機(비행기), 人工衛星(인공위성) 등에 필요한 電子製品(전자제품)의 素子(소자)로서 많이 쓰이고 있다.
  이와 같은 장점들을 고려할 때 電子物理學(전자물리학)의 발달에 힘입어 트랜지스터는 앞으로 더욱 많이 이용될 것이며 트랜지스터 발명과 筽積回路(오적회로)의 출현은 전자계산기를 이미 소형화시켰고 반도체를 이용하여 만든 태양전지는 우주공간을 나르는 人工衛星(인공위성) 속에서 자체적으로 전원으로서 역할을 하고 있으며 앞으로 光增幅器(광증폭기)가 개량되면 벽에 걸어두는 거울과 같이 얇은 텔레비전을 벽에 걸 수 있는 시대가 곧 오리라 믿는다.
  科學(과학)이 발달함에 따라 많은 변화를 가져온 것만은 틀림없다. 얼마전지만해도 괴나리봇짐지고 장사다니던 時代(시대)였으나 昨今(작금)에는 인공위성을 타고 장사다니는 시대로 변하였음을 부정할 수 없는 現實(현실)이다. 최근엔 美國(미국)에서 發射(발사) 成功(성공)한 宇宙往復船(우주왕복선) 콜롬비아號(호)는 多自的(다자적)人工衛星(인공위성)을 운반하여 캐나다 上空(상공)에 띄워주는데 성공함으로써 상당한 돈벌이를 하는 상업우주선이라 할 수 있다.
  만약 우리가 경제적으로 부유한 나라라면 캐나다와 같이 多自的(다자적)으로 쓰여질 수 있는 人工衛星(인공위성)을 88년 서울올림픽과 때를 같이하여 서울 上空(상공)에 띄워놓고 세계각국으로부터 TV중계료도 받을 수 있겠고 또한 일기예보, 천문, 기상관측, 남극과 북극의 연구, 上層大氣(상층대기)와 電離層(전이층)의 연구우주선 등 여러 가지 분야의 학문연구에도 쓰여질 수 있을 뿐만 아니라 이 人工衛星(인공위성)이 5천만의 불침번 역할을 할 수 있다면 어느 정도의 방위비 절약도 있으련만….
  이상에서 언급된 바와 같이 우리 인간생활 구석구석에 보다 많은 科學(과학)이 內在(내재)되어 있는 社會(사회)가 바람직한 社會(사회)라 할 수 있다.