물질과 우주로의 여행 인류가 어떤 방식으로, 어떤 과정을 거쳐, 인체의 지각 범위를 초월하여 자신을 둘러싸고 있는 주변을 이해해 나갔는지 살펴보려 합니다. 인류는 어떠한 존재인가라는 질문에 답하는 근거가 될 수 있는 현대 과학 지식을 어려운 수학을 사용하지 않고 전달하는 것을 목표로 합니다. 대구대학교 물리학과 민병준 교수 전자메일 : BJMIN@DAEGU.AC.KR 강의 자료 : dirac.daegu.ac.kr/pub/MatterUniverse/ 이 강좌에 사용된 이미지와 동영상 등은 특별히 밝힌 경우를 제외하고는 모두 위키피디아와 NASA 에서 공개한 것입니다. 이 강좌의 내용은 위키피디아의 GNU 저작권에 따라 상업적인 이득을 목표로 하지 않고 모든 저작권자들을 명시하는 조건 하에 자유로이 사용할 수 있습니다. 저는 대구대학교 물리학과 민병준 교수입니다. 이 강의는 일반적인 대중을 염두에 두고 진행하려 합니다. 가급적 어려운 수학을 사용하지 않고 일반적인 대화에 가까운 방식으로 서술하려 합니다. 인류가 몸으로 느끼고 체험하는 범위를 뛰어넘어 우주의 근원까지 탐구하는 과정을 전달하려 합니다. 이 강의는 대구대학교 일학년 학생들에게 교양 강좌로서 시작되었습니다. 이 강의 내용의 파워포인트 파일은 위의 웹 주소에 공개되어 있습니다.

물질(Matter)의 인지(recognition) 우리는 이와 같은 모습으로 이 세상에 왔습니다. 이때 우리의 감각 기관은 아직 완성되지 않은 상태입니다. 우리의 감각 기관은 우리에게 매우 중요한 것이지만, 완벽한 것은 아닙니다. 우리는 이와 같은 모습으로 이 세상에 왔습니다. 우리는 이 상태에서 신체의 감각 기관을 통하여 최초로 물질과 접하게 됩니다. 이 당시에 우리의 감각 기관은 아직 완성되지 않은 상태입니다. 우리는 우리 몸의 감각 기관이 어떻게 작동하는지 알지 못하는 상황이지만, 그에 의지하여 우리 주변을 느끼고 이해하려는 노력을 진행하게 됩니다. 우리의 감각 기관은 그 차제로서도 대단히 복잡한 물질적 구조를 갖고 있지만, 우리 주변의 자연 현상을 다 감지할 수는 없으며, 당연히 유한한 우리 육체에 맞추어 적절하게 타협되어 있습니다. Photo : Tom Adriaenssen - http://www.flickr.com/photos/inferis/110652572/

물질(Matter)의 인지(recognition) : 촉각 우리 몸에서 가장 일찍 형성되는 감각은 촉각입니다. 우리 몸에서 가장 일찍 형성되는 감각은 촉각입니다. 촉각은 임신 7 ~ 8 주 경부터 형성됩니다. By Martin Greslou - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27453374

물질(Matter)의 인지(recognition) : 촉각 촉각은 임신 7 ~ 8 주 경 부터 형성됩니다. 우리 몸에서 가장 일찍 형성되는 감각은 촉각입니다. 촉각은 임신 7 ~ 8 주 경부터 형성됩니다. By OpenStax College - Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013., CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30131522

물질(Matter)의 인지(recognition) 미각은 임신 9 주 경부터, 후각은 임신 10 주 경부터 동작하는 것으로 알려져 있습니다. By Varaine - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57096024

물질(Matter)의 인지(recognition) 미각은 임신 9 주 경부터, 후각은 임신 10 주 경부터 형성됩니다. 미각은 임신 9 주 경부터, 후각은 임신 10 주 경부터 동작하는 것으로 알려져 있습니다. By Ed Uthman from Houston, TX, USA - 9-Week Human Embryo from Ectopic Pregnancy, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2244170

물질(Matter)의 인지(recognition) 청각은 임신 20 주 경부터 형성되어 산후 1 개월 경에 완성됩니다. By Goran Andjelic - Own work, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6219713

물질(Matter)의 인지(recognition) 청각은 임신 20 주 경부터 형성되기 시작하여 산후 1 개월 경에 완성됩니다. 청각은 임신 20 주 경부터 형성되어 산후 1 개월 경에 완성됩니다.

물질(Matter)의 인지(recognition) 시각은 가장 뒤인 산후 6 ~ 8 개월 경에 완성됩니다. 갓 태어난 아기들은 눈을 떠서 주변의 사물로부터 빛의 정보를 받아들이지만, 아직 그것을 해독하지 못합니다. 시각은 대단히 복잡한 감각입니다. By Wmpearl - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18278140

물질(Matter)의 인지(recognition) 시각은 산후 6 ~ 8 개월 경에 완성됩니다. 갓 태어난 아기들은 아직 시각 정보를 해독할 수 없습니다. 시각은 가장 뒤인 산후 6 ~ 8 개월 경에 완성됩니다. 갓 태어난 아기들은 눈을 떠서 주변의 사물로부터 빛의 정보를 받아들이지만, 아직 그것을 해독하지 못합니다. 시각은 대단히 복잡한 감각입니다. By εΔω - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3518276

감각 기관으로부터 생성된 신호는 뇌의 담당 구역에서 해독됩니다. 시각 피질 청각 피질 By OpenStax College - Anatomy & Physiology, Connexions Web site. http://cnx.org/content/col11496/1.6/, Jun 19, 2013., CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30148119

지팡이 소리에 의해 활성화되는 선천적 시각 장애자의 두뇌 부분 대조군 시각 피질 부분 활성화 청각 피질 부분 이 사진은 뇌의 어떤 부분의 기능이 활성화되었는지를 보여주는 fMRI 사진입니다. 좌측은 선천적인 시각 장애자의 경우입니다. 이 사람이 지팡이로 땅을 두드려서 그 소리로부터 위치를 판단할 때 활성화되는 뇌의 부위는 하얀 동그라미로 표시된 시각 피질이며, 분홍색으로 표시된 청각 피질이 아닙니다. 우픅은 일반인이 눈을 가리고 지팡이 소리를 들으며 위치를 판단할 때의 뇌의 영상입니다. 선천적인 시각 장애인과 달리 시각 피질이 활성화되지 않는 것을 볼 수 있습니다. 이는 즉, 선천적인 시각 장애인이 청각으로 위치를 판단할 때, 마치 일반인이 시각을 사용하여 위치를 판단할 때와 동일한 시각 피질을 사용한다는 것입니다. 청각 피질 부분 By Alan thistle - I made this from our fMRI dataPreviously published: It is on my personal webpage: http://psychology.uwo.ca/faculty/goodale/research/, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20399470

사람이 아니라 박쥐인 경우에는 어떨까요? 만일 우리가 사람이 아니라, 박쥐라면 By Vitrovius - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=58734163 By MathKnight - Own work based onUwe SchmidtC. Robiller / Naturlichter.deUser:ZoharbyProf. emeritus Hans Schneider (Geyersberg)U.S. Fish and Wildlife Service HeadquartersAnton 17, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48257053

박쥐의 경우, 대단히 발달한 청각 피질이 메아리로 위치를 판단하는 기능을 담당합니다. 박쥐의 echolocation 도플러 및 고정 주파수 방식 고정 주파수 방식 : 속도 주파수 변조 방식 : 거리 진폭에 민감한 영역 박쥐는 눈 먼 것으로 알려져 있지만 사실은 그렇지 않습니다. 단지 시각이 비교적 발달하지 않았을 뿐입니다. 또, 박쥐의 경우에는 청각 피질이 대단히 발달하는 방향으로 진화하였습니다. 박쥐는 음파를 사용하여 위치를 파악하는 기능을 수행하는데, 그림의 빨간 색 부분은 주파수 변조 방식, 파란색은 일정한 속도 방식, 황색은 도플러 효과 및 일정한 속도 방식, 그리고 초록색은 진폭에 민감한 방식을 각각 해석하는 역할을 담당합니다. 주파수 영역 박쥐의 경우, 대단히 발달한 청각 피질이 메아리로 위치를 판단하는 기능을 담당합니다. By Rsg37 - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3193513

신체의 감각 기관으로 물질(matter)을 인지(recognition)하는 과정 감각 기관을 갖춘 신생아의 경우에도, 감각 기관으로부터의 신호를 해독하여 주변 환경을 인지하는 데에는 상당한 시간이 걸립니다. 긴 진화 과정의 산물이며, 인간의 생존이라는 목적에 최적화되어 있습니다. 지구에서 인간이 생존해 온 환경을 전제로 한다는 한계를 가지고 있습니다. 우리가 주변 세계를 이해하기 위해 사용한 첫번째 도구는 우리의 감각 기관이었습니다. 우리가 상식적으로 받아들이는 사실들은 우리가 감각기관을 통해 배운 것 들입니다. 우리의 감각 기관은 신비스러울 만큼 정교합니다. 그러나 한 단계 더 높은 수준에서 주변 세계를 이해하기에는 매우 부족합니다. 결론적으로, 우리가 신체의 감각 기관으로 물질을 인지하는 과정은 다음과 같이 정리될 수 있습니다. 1. 감각 기관을 갖춘 신생아의 경우에도, 감각 기관으로부터의 신호를 해독하여 주변 환경을 인지하는 데에는 상당한 시간이 걸립니다. 2. 긴 진화 과정의 산물이며, 인간의 생존이라는 목적에 최적화되어 있습니다. 3. 지구에서 인간이 생존해온 환경을 전제로 한다는 한계를 가지고 있습니다.

따라서, 무중력 상태에 놓인 우주선의 내부 상황은 우리에게 매우 낯설게 느껴집니다. 인간의 지각 범위 바깥에서 벌어지는 일은 종종 우리의 상식으로 이해하기 어렵습니다. 따라서 지구로부터 약 500 킬로미터 상공의 International Space Station 을 왕복한 NASA의 STS-129 스페이스 셔틀의 내부 사진은 우리에게 매우 신기하게 보입니다. 지구의 반경이 약 6300 킬로미터라는 점을 생각하면 이 셔틀은 아직 지구 표면에서 그리 멀리 떨어져 있지 않습니다. 그러나 지구의 중력을 궤도 운동에 사용하고 있는 상황이기 때문에, 그 내부의 승무원들에게는 무중력 상태처럼 보이게 됩니다. 이러한 상황은 우리가 태어난 이후로 접해보지 못한 것이므로 신기하다고 느껴지게 됩니다. By NASA - http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/sts-129/html/iss021e029803.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8513401

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념에서 벗어나는 예 질문 : 남쪽으로 50 km 걸어간 다음, 동쪽으로 50 km 를 걷고, 북쪽으로 50 km 걸었을 때의 위치는 어디일까요?

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념에서 벗어나는 예 질문 : 남쪽으로 3000 km 간 다음, 동쪽으로 3000 km, 그리고 북쪽으로 3000 km 갔을 때의 위치는 어디일까요? By Pearson Scott Foresman - Archives of Pearson Scott Foresman, donated to the Wikimedia FoundationThis file has been extracted from another file: PSF L-540004.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3184188

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념들과 그 한계 유클리드 기하학의 한계 인류의 이동 거리가 그리 크지 않았을 때에는 지면이 무한 평면이라고 취급하여도 무방하지만, 수송 수단이 발달한 오늘날에는 부적합합니다. 이 예에서 2 차원 공간은 휘어 있기 때문에 실제로는 무한 평면이 아닙니다. 따라서 어느 한계를 벗어나면 지구 표면은 유클리드 기하학의 무한 평면으로 취급할 수 없습니다. 우리가 살고 있는 3 차원 공간도 실제로 휘어있다면, 어느 한계 밖에서는 유클리드 공간으로부터 어긋나게 됩니다. Schwarz triangle By Tom Ruen (talk) - I (Tom Ruen (talk)) created this work entirely by myself.Transferred from en.wikipedia, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17016227

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념에서 벗어나는 예 질문: 오른쪽에서 바람이 불어온다면, 두 사람 중 누가 바람의 속도가 더 크다고 느낄까요? 이제 오른쪽에서 빛이 비추어진다면, 두 사람 중 누가 빛의 속도를 더 크다고 느낄까요? 우리의 상식에는 어긋나지만, 이 두 사람에게 빛의 속도는 같습니다. By Wolfgang Beyer, German Wiki - http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/9/99/Konstanz_der_Lichtgeschwindigkeit.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5117676

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념들과 그 한계 뉴튼 역학의 한계 고전적인 뉴튼 역학에서는 c (진공에서의 광속)에 근접한 속도를 다루어야 할 경우가 없었습니다. c보다 훨씬 작은 속도의 덧셈은 간단하지만, c 에 가까운 속도의 덧셈은 우리의 상식에서 벗어납니다. 물체의 속도는 아무리 더해도 c 보다 커지지 못합니다. 이는 필연적으로 시간과 공간이 서로 상관 관계를 가져야만 설명됩니다. 우리 신체의 감각으로는 이런 상황을 이해할 수 없습니다. 우리는 c 보다 훨씬 작은 속도의 세계에서 적응해온 생물이기 때문입니다.

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념에서 벗어나는 예 우리는 경험 상 당구공의 궤적을 상상할 수 있습니다. 이는 즉, 매 순간 당구공의 위치를 추적하는 것이 가능하다는 뜻입니다. 다시 부연하자면, 당구공의 속도와 위치를 동시에 우리가 원하는 정밀도로 측정하는 데에는 그 어떤 원칙적인 제한도 없다는 것입니다. 이것은 뉴튼 역학에서 기정 사실로 받아들이고 있는 것이기도 합니다. By Various - Scan from the original work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18408865

상식적인 (인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는) 개념들과 그 한계 뉴튼 역학의 한계 전자처럼 아주 작은 입자의 경우에는 당구공처럼 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없습니다. 이것은 우리의 측정 기기가 불완전하기 때문이 아닙니다. 이때 위치의 불확정성 (위치 측정에서 감수해야 하는 오차)와 운동량(속도 곱하기 질량)의 불확정성의 곱은 플랑크 상수 h 보다 작아질 수 없습니다. 이것은 어떤 측정 방법으로도 극복할 수 없는 원칙적인 제한입니다. 따라서 전자의 운동은 당구공처럼 둥근 공의 궤적으로 표현할 수 없습니다. 당구공이 쿠션에 충돌하는 것과 비슷한 상황에서 전자는 아래처럼 운동하게 됩니다. 전자는 확률적 분포로 표현되며, 에너지 장벽에 충돌하면서 확률의 일부가 장벽을 터널링하여 나가게 됩니다. By The original uploader was Jean-Christophe BENOIST at French Wikipedia - Transferred from fr.wikipedia to Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=653747

인간에게 익숙한 환경을 전제로 하는 (상식적인) 개념들과 그 한계 인간의 지각 능력은 한 개체로서의 기본적인 생존에 필수적인 것이지만, 과학 기술의 발전으로 인해 정밀한 측정 기기가 도입되면서 인류의 지각 범위가 크게 확장되었습니다. 이에 따라, 인간의 상식 또한 수정되고 확장되어야 할 필요가 생겼습니다.