200년의 지배와 그것을 끝낸 것
1687년부터 약 1900년까지 뉴턴 역학은 물리학의 중심 엔진이었어. 사람이 측정할 수 있는 모든 규모에서 작동했지. 대포알, 행성, 혜성, 기계, 다리를 모두 계산할 수 있었어. 1800년대 후반에는 많은 물리학자가 물리학은 사실상 완성됐다고 생각했어. 작은 세부 사항 몇 개만 정리하면 된다고 보았지. Lord Kelvin은 1900년 물리학의 지평선에 두 개의 작은 구름이 남아 있다고 말한 것으로 유명해. 빛이 지나간다고 가정한 매질인 에테르를 검출하지 못한 문제와 흑체복사의 스펙트럼 문제였어.
그 두 "작은 구름"은 각각 완전히 새로운 물리학의 거대한 날씨로 자라났어. 에테르 문제는 아인슈타인의 1905년 특수 상대성이론으로, 흑체 문제는 Planck가 1900년에 시작해 뒤이어 발전한 양자역학으로 이어졌지. 이 퀘스트의 다음 두 트랙은 바로 그 두 구름을 다뤄.
뉴턴이 깨지는 세 곳
- 속도가 매우 빠를 때. 물체가 빛의 속도인 약 30만km/s에 가까워지면 뉴턴의 예측은 실제와 어긋나. 시간은 느려지고 길이는 줄어들며 질량은 사실상 증가해. F=ma는 상대론적 보정을 거쳐 계속 작동하지. 다음 규모 트랙에서 살펴볼 거야.
- 중력이 매우 강할 때. 블랙홀이나 중성자별 근처, 또는 태양 가까이에서 나타나는 미세한 효과를 다룰 때 뉴턴의 중력은 거의 맞지만 조금 어긋나. 수성의 궤도는 뉴턴이 예측한 것보다 더 빠르게 세차하고 GPS 위성에는 일반 상대성이론의 보정이 필요해. 시공간은 휘어지지만 뉴턴은 공간을 고정된 배경으로 보았어.
- 크기가 매우 작을 때. 뉴턴 역학대로라면 원자 안의 전자는 가속하면서 에너지를 내놓고 궤도를 잃어 나노초 안에 원자핵으로 나선형으로 떨어져야 해. 하지만 실제로는 그러지 않아. 이 규모에서는 양자역학이 고전역학을 대신해. 에너지는 불연속적인 묶음으로 존재하고 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없으며 입자는 파동처럼 행동해. 확률 트랙에서 다룰 거야.
여전히 깨지지 않은 영역
자동차, 공, 다리, 극단적이지 않은 거리와 속도로 움직이는 행성처럼 일상의 모든 것에는 뉴턴 역학이 놀라운 정확도로 맞아. 이 규모에서는 상대성이론과 양자역학의 보정이 무시할 수 있을 만큼 작기 때문이야. 뉴턴의 엔진은 틀린 것이 아니라 적용 범위가 밝혀진 거야. 경계 안에서는 거의 모든 공학적 목적에 정확하고, 경계 밖에서는 다른 엔진이 필요해.
현대 과학이 처음 마주한 이름난 자만
Lord Kelvin의 "두 개의 작은 구름"이 주는 교훈은 물리학보다 넓어. 어떤 분야가 사실상 완성됐다고 선언하는 순간에도, 기존 설명에 맞지 않는 작은 이상 현상 속에서는 다음의 거대한 관점 변화가 조립되고 있어. 뉴턴 역학은 200년 동안 완성된 체계처럼 보였고 남은 구름은 아주 작았어. 하지만 그 구름이 물리학의 나머지 전부가 되었지.
이 모습은 지금도 반복돼. 우주론에는 정체를 모르는 암흑물질과 암흑에너지가 우주의 약 95%를 차지한다는 구름이 있어. 신경과학에는 의식을 설명하는 작동 가능한 이론이 없고, AI에는 규모를 키운 신경망이 왜 그렇게 작동하는지 제1원리에서 모른다는 구름이 있지. 각각이 다음 관점의 후보야.
5%를 가르는 태도는 구름을 바라보는 것이야. 다음 두 트랙에서는 뉴턴의 구름에서 나온 상대성이론과 양자역학을 살펴볼 거야. 이제 생각의 엔진을 갈아 끼울 시간이야.