개발노트

역학

갈릴레이의 상대성 원리: 우주 공간에서 절대적으로 정지해 있는 것은 없다. 모든 운동은 절대적인 것이 아니고, 상대적이므로 본질적으로 정지 상태란 있을 수 없다.

즉, 기준이 되는 사람이 누구냐에 따라 정지한 상태가 될 수도 있고, 운동 상태일 수도 있다

뉴턴의 운동법칙

뉴턴의 운동법칙은 관성기준계에서 적용

길릴레이 변환에 대해 불변

시간과공간은 별개의 것

뉴턴의 만유인력 법칙: 질량이 있는 두 물체 사이에는 중력이라는 힘이 작용

맥스웰의 전자기학

전자기파의 존재를 이론적으로 예측

전자기파의 속도는 항상 일정하고, 그 값은 빛의 속도와 같다 -> 빛은 전자기파

에테르 존재에 대한 믿음

파동은 매질의 진동에 의해 에너지를 전달 

맥스웰에 의해 빛의 본질이 파동이라고 알려짐

빛을 전달하는 매질을 '에테르'라고 부름

지구는 에테르의 바다를 헤엄치고 있어서 태양빛이나 별빛이 지구에 도달한다고 생각

방향에 따른 빛의 속도에차이가 없다는 것을 측정

특수 상대성 이론

로렌츠가 맥스웰 방정식을 보존하는 변환식을 발견 -> 로렌츠 변환

아이슈타인이 특수 상대성 이론 발표

특수 상대성이론의 가정

상대성 원리: 모든 관성기준계에서 물리법칙은 같다.

빛 속도 불변의 원리: 자유공간에서 빛의 속도는 관측자나 광원의 운동에 관계없이 항상 일정하다.

고유 물리량

좌표계 내에서 물체와  함께 운동하는 관찰자가 측정한 길이, 시간, 질량을 고유 길이, 고유 시간,고유 질량이라고 한다.

동시성의 상대성: 어떤 관측자에게 동시에 일어난 일로 보이는 사건들이 다른 관측자에게는 동시가 아닐 수 있다.

시간 지연 효과

(정지해 있는 관측자가 본) 움직이고 있는 시계는 정지해 있는 시계의 시간보다 시간이 느리게 흘러간다.

실제 증거

미국의 과학자들이 제트 여객기에 원자시계4개를 싣고 지구한바퀴를 돈다음 실험실의 원자시계와 비교한결과 시계가 느리게 갔음을 확인 - 입자가속기 안의 입자들의 수명이 늘어남

길이 수축 효과

움직이는 막대의 길이는 정지했을때 측정한 막대의 길이보다 작아진다

움직이는 입자의 질량이 m이면 입자의 에너지는 E=mc^2

물체 속도의 한계 질량을 갖는 물체는 빛의 속도와 같아지거나 빛의속도를 초과할 수 없다.

물체의 속도를 증가시킬때 속도에 가까와질수록 물체의 질량이 무한대로 증가하여 점점 더 가속하기 어려워짐 ->

물체의 속도를 빛의 속도로 움직이기 위해서는 무한대의 에너지가 필요함으로 물체는 빛의 속도에 도달 할 수 없음

일반상대성 이론에 대한 갈망

특수 상대성이론은 관성기준계에 대한 운동만을 다룬다

가속도 운동을 하는 기준계에서 물체의 운동을 다루는 일반적인 이론은 무엇인가?

일반 상대성이론의 가정

일반화된 상대성원리: 가속계를 포함한 모든 기준계에서 물리학의 이론은 같은 꼴로 표현된다.

등가원리: 가속운동하는 기준계안에 있는 관측자는 자신이 느끼는 힘이 중력에 의한 것인지 아니면 가속운동하는 기준계에 의한 것인지를 구분할수없다

위로 가속하는 엘레베이터 안에서는 수평으로 지나가는 빛은 휘어져 보인다.

가속하는 엘리베이터와 중력이 미치는 엘레베이터에는 같은 물리법칙이 적용된다 - 등가 원리

등가원리를 적용하면 중력이 미치는 엘베 안에서도 빛은 휘어져 보일것이다.

정리하자면 빛은 항상 직진하기 때문에 빛이 휘어지는 것이 아니라 공간이 휘어진 것이다.

자유공간에서 일정한 속도로 움직이는 임의의 물체는 두점을 잇는 경로중에서 최단시간의 경로를 선택한다

-> 직선의 경로

중력이 작용하는 곳에서 빛의 경로가 휘어있다

-> 빛은 직선의 경로로 움직이지만 시공간이 휘어있기 때문에 빛의 진행경로가 곡선으로 왜곡된다.

아이슈타인의 방정식과 시간과 공간의 재해석

질량을 가지는 물체는 주위의 시공간을 휘게 만든다

빛이나 물체의 이동은 휘어진 시공간에서 최소 경로를 따라 움직인다.

우주 상수

아이슈타인이 팽창하지 않는 우주 모형을 얻기 위해 우주 상수를 방정식에 추가함

허블이 우주가 팽창한다는 사실을 발견하자 아이슈타인은 우주상수 철회

하지만 양자장론에 의하면 우주상수는 자연스럽게 존재함

그러나 이론적 계산결과보다 아주 작은 값의 우주 상수값이 측정됨 -> 우주상수문제

우주론에서는 우주상수가 우주의 가속 팽창에 기여 -> ACDM모형

우주 물질의 구성(우주상수(66~74%) 암흑물질(22~30%) 보통의 물질(4%))

일반 상대성이론과 물리현상

중력에 의해 빛의 경로가 휘어진다

항성에서 오는 빛은 태양처럼 무거운 질량을 가진 물체 근처에서 휘어짐

에딩턴이 최초로 관측함

수성의 근일점 위치 변화 설명

수성이 태양에 가장 가깝게 접근하는 근일점의 위치가 조금씩 변화하는 것을 관측

수성 주위에 또다른 내행성 가능성 고려 하지만 내행성은 존재하지 않음

아이슈타인이 일반상대론을 이용하여 수성의 근일점 이동을 정확히 설명.

중력이 강할수록 시간은 느리게 흘러감

높은 건물의 1층과 꼭대기 층에서의 원자시계를 이용하여 시간 측정(1층이 더 느림)

블랙홀과 중력파의 존재

블랙홀

존미첼과 피에르시몽 라플라스

뉴턴 역학을 기반으로 충분히 무거운 별의 경우 탈출속도가 광속보다 커 빛마저도 탈출할수없을것으로 추측-암흑성

카를슈바르츠 실트

일반 상대성 이론의 아이슈타인 방정식의 해를 구함

-> 사건의 지평선이 존재한다는 것을 발견

존 휠러에 의해 블랙홀이라 명명됨 

1971년 블랙홀로 예상되는 백조자리 X-1발견 그 이후 수많은 블랙홀 확인

1974 스티븐 호킹

블랙홀이 호킹복사를 하며 유한한 온도와 엔트로피를 갖는다는 증거를 양자이론을 적용하여 이론적으로보임

- 블랙홀 열역학의 시초

2020년 노벨 물리학상 수상자

로저 펜로즈 : 블랙홀 형성이 일반 상대성 이론의 확실한 예측이라는 것을 발견

라인하르트 겐첼, 엔드리아 게즈: 우리은하의 중심에 있는 초거대 질량 밀집성의 발견

웜홀

여행 가능한 웜홀에 대한 연구 - 킵손

현재 알려진 물질로는 웜홀이 만들어질 수 없음

하지만 양자이론에 의하면 이론적으로는 가능

중력파

시공간의 뒤틀림이 발생한 요동이 파동으로 전달

중력파 발생의 근원: 백색 왜성 또는 중성자별이나 블랙홀을 포함한 이중성계

중력파의 직접 검출

13억년 광년에 떨어진 곳에서 쌍성계를 이루고 있던 두개의 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생성

블랙홀의 질량은 각각 태양의 36배 29배

하나로 결합하여 태양보다 62배 무거운 블랙홀 이때 태양 3개분의 질량이 에너지로 전환되면서 중력파가 발생함

진동- 같은 운동을 반복하는 것

정지해있는 물체 - 겉보기에는 움직이지 않는 것처럼 보이지만 외부에서 작용하는 영향이 없을수 없으므로 실제로는 움직이고있음

ex)시계추의 운동, 용수철에 매달린 물체, 그네, 철판의 진동 악기의 진동등

진동개념이 중요한이유?

역학, 전자기학, 파동과 빛, 양자역학, 고체물리, 소립자, 초끈이론등 모든 물리분야에서 기본개념을 이해하거나 수많은 현상을 설명하기 위해 사용됨.

 기본물리량

주기 - 진동을 한 번 하는데 걸리는 시간

진동수 또는 주파수 - 1초동안 진동하는 횟수

공명 - 진자에서 고유 진동 주기에 맞추어 외부에서 힘을 가하면 진폭을 크게 할 수 있는데, 이를 공명 혹은 공진이라함.

ex)그네타기, tv체널 맞추기등 실제로 1850년 프랑스에서 478명의 군인들이 쿵쿵 발을 맞추며 앙제 다리를 걸어가다가 다리가 무너진 사건이있음

원자와 진동

진자들이 많이 연결되어 만들어지는 출렁거림 -> 파동 예)소리

파동- 매질을 통해 운동이나 에너지가 전달되는 현상 ex)물결,파도,소리등

빛(전자기파) - 자유공간에서 일정한 속도

중력파 - 빛의 속도와 일치

파동과 관련된 물리용어

진폭: 파동의 세기

마루:파동에서 가장 높은곳

골: 파동에서 가장 낮은곳

파장: 마루와 다음 마루사이의 거리

주기: 어떤 한 곳에서 마루가 반복되는 최소시간

진동수 혹은 주파수 : 어떤 한 곳에서 1초동안 지나가는 마루의 갯수

파동의 종류

횡파(가로파동): 파동의 진행방향과 진동방향이 서로 수직인 파동

예)물결, 파도, 빛, 전자기파, 중력파, 지진파의 s파등

종파(세로파동): 파동의 진행방향과 진동방향이 같은 파동

예) 소리, 지진파의 p파등

진행파:

파가 매질을 통해 에너지를 싣고 한 지점에서 다른 지점으로 계속 나아가는 현상

정상파:

진폭과 진동수가 같은 두파가 서로 반대방향으로 진행하다 만나서 중첩될때 어느 방향으로도 나아가지 않고 제자리에서 진동

한끝을 고정시킨 진행파는 진행파와 반대파가 만나 서로의 간섭으로 인해 정상파를 이룸

예) 현악기 줄의 진동

20세기 이후 물리학 연구분야

우주 탐구:

천체망원경의 도움으로 지구 밖의 세계를 연구하고 우주의 가장자리를 관측

작은우주 연구:

원자와 원자를 이루는 작은 입자들의 세상에 대한 연구

작은 세계 탐구를 위한 여정

최초의 현미경 발명 - 네덜란드의 레벤후크

200배의 배율을 가진 근대적인 현미경 제작

처음으로 미생물 발견

최초의 전자 현미경(1931년)

바이러스 관찰 가능

오늘날의 전자현미경

분자구조관찰가능 원자의 표면도 관찰가능

원자보다 작은 세계를 보는 현미경은 없음

->원자보다 작은 세계는 입자가속기를 이용 -> 충돌결과 분석

원자의 내부

원자는 원자핵과 전자로 구성

원자핵은 양전하, 전자는 음전하

원자핵은 양성자와 중성자로 구성

양성자는 양전하, 중성자는 전기적으로 중성

양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 보다 작은 입자로 구성됨

쿼크들과 전자의 크기는 엄청작음 10의-18승보다 작음

원소 존재의 신호

라부아지에 - 두개 이상의 원소가 결합하는 법칙을 발견-질량보존의 법칙: 화학반응 전후 반응에 참여한 물질의 총량은 변화하지 않는다

게이뤼삭 - 기체반응의 법칙: 수소와 산소가 결합하여 물이 발생할때 두원소의 결합비가 항상 일정

돌턴의 원자모형

서로 다른 원소는 각각 고유의 형태를 지닌 원자를 가지고 있으며 동일한 원소의 원자들은 그 성질이 같다.

원자는 마치 당구공처럼 단단해서 깨질수없음

원소들이 서로 결합함으로써 분자를 구성(아보가드로에의해 분자라는 개념이 도입)

서로 다른 원소들의 관계를 이용하여 원소의 질량을 측정 -> 원자량에 대한 표를 작성

멘델레예프가 원소주기율표를 고안

뉴턴의 프리즘 연구

태양빛을 프리즘을 이용해 분해 -> 무지개(가시광선)

유리같은 매질을 통과할때 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라서 생기는 현상

모든 가시광선을 조합-> 백색광

분광학 

특별한 시료를 통과시킨 빛을 프리즘으로 분해하여 어떤 파장의 빛이 시료를 통과한전후에 변화가 생겼는지를 관찰하고 그 원인에 대해 연구하는 분야

요한 야코프 발머 : 수소원자의 스펙트럼에 규칙성을 발견 발머의 공식으로 정리

사이도어 라이먼 : 새로운 수소의 흡수 스펙트럼 발견 -> 라이먼계열

태양의 흡수 스펙트럼 : 태양이 66퍼센트 이상 철로 구성되어있다고 보여짐

태양의 스펙트럼은 대부분 수소의 흡수 스펙트럼이라고 그 외에 가벼운 원자들의 흡수 스펙트럼이 복합적으로 나타나는 것이며 이것이 결과적으로 철의 흡수 스펙트럼 처럼 보이게 한다는 것을발견

톰슨의 음극선 발견

진공관 양끝에 전극을 설치하고 높은 전압을 걸어주면 음극에서 미지의 선이 방출되는 것을 발견 이것이 음극선

장애물을 통과하지 못함 

자기장에 의해 그 진행방향이 영향을 받음 -> 전하를 띈 입자

음극에서 방출되기때문에 그 전하를 음이라고 정의하고 전자라 부름

원자는 전기적으로 중성

원자는 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 어떤 것이 있다는 증거

톰슨은 퓡과 같은 원자모형 발표

리더퍼드의 원자모형

얇은 금박에 헬륨원자핵을 통과시켜 산란되어 나오는 알파입자를 검출기를 이용하여 관찰 

알파입자의 대부분은 입사방향과 같은 방향으로 산란되었지만 때로는 입사된 방향으로 다튀기도함

(1/8000의 확률)

원자 내부는 거의 텅빈 공간이라고 생각

원자 안에 알파입자만큼 무거운 무엇이 존재한다는 것을 암시 ->원자핵

양전하인 원자핵 주위를 전자가 돌고있다고 생각

태양 둘레를 공전하는 행성과 같은 원자모형 제안

'행성 원자모형'

하지만 회전하는 전하는 빛을 방출하고 원자핵과 충돌하게되는 문제가 있음 -> 원자의 안정성 문제

보어의 원자모형

보어의 양자화 조건

원자세계에서 전자는 더 이상 입자로서 행동하지 않고 마치 파동처럼 행동

전자의 파동이 원자핵 둘레에서 정상파를 이루게되면 전자가 에너지를 방출하지않음

원자 스펙트럼

주양자수에 따라 전자가 가질 수 있는 에너지가 결정

전자가 정해진 자신의 궤도를 바꿀때 외부로부터 궤도에 할당된 에너지 차이를 빛의 형태로 흡수하거나 방출

->원자 스펙트럼의 원인

흑체복사

자연을 완벽하게 이해할만한 모든 도구를 가지고있다고 믿음

뉴턴의 역학

페러데이와 맥스웰의 전자기학

볼츠만의 통계역학

당시 과학으로는 설명 불가능했던 문제

저온에서 고체의 비열은 상수가 아니라는 사실

기존의 전자기학으로 설명할 수 없었던 전하와 원자사이의 관계

열에너지를 가진 물체의 전자기 복사 문제

흑체와 레일리-진스 복사법칙

통계역학을 이용하여 계산해본결과 파장이  긴 영역에서는 잘 맞지만 파장이 짧은 쪽에서는 실험과 큰 차이를 보임.

플랑크의 복사법칙

E=nhv

진동수가 v인 전자기파의 평균 에너지

아이슈타인의 광전효과 설명

금속등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진 (따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을때 전자를 내보내는 현상

이 현상을 빛의 입자성을 가정함으로써 설명

드브로이의 물질파

아이슈타인과 플랑크의 광자에 대한 연구를 토대로 물질의 이중성을 주장

운동량이 p=mv인 입자는 다음과 같은 파장 알파를 갖는다

알파=h/p

보어의 원자모형을 통해 그 유용성이 증명

슈뢰딩거 방정식

보어의 원자모형 설명

전자의 궤도 운동에 대한 각운동량의 효과까지 보여줌

양자역학 - 미시적 세계를 기술하기위해 고안됨

슈뢰딩거 방정식과 행렬 역학으로 대표됨.

슈뢰딩거 방정식과 행렬 역학은 같은 현상을 다른 관점에서 설명

슈뢰딩거 방정식

드브로이의 물질파 개념을 응용하여 제안

입자의 파동 함수에 대한 복잡한 미분 방정식

행렬역학

하이젠베르크가 제안

행렬이라는 수학적인 개념을 통해 미시세계 기술

측정의 순서가 중요함을 인지

하이젠 베르크의 불확정성 원리

입자의 위치와운동량을 동시에 정확히 측정할수없다는 것을 뜻함

고대의 우주관과 현대물리학의 시작

신화속의 우주

우주 창세 신화(멜라네시아 대부분 지역,동남 아시아)

->이미 우주는 존재하고있다는 것을 전제 (우주의 기원에 대한 내용 없음)

공통되는 내용: 우주는 혼돈(카오스)에서 질서(코스모스)로 전환

우주 창조의 대표적인 여섯 가지 유형(전환되는 계기)

1. 창조신처럼 우주가 존재하기 이전에' '존재하는 의지의 힘으로 창조

2. 원인 혹은 세계 거인의 사체에서 우주가 탄생

3. 우주알과 같은 것에서 우주 탄생

4. 세계의 양친이 우주를 만듬

5.자연에 차례차례 우주의 요소가 정리되어가는 진화/출현

6. 바다 밑에서 가져온 진흙으로부터 우주가 창조

1.창조신처럼 우주가 존재하기 이전에 '존재하는 의지의힘으로'창조

창세기에서 혼돈이 지배하는 암흑을 향해 하느님이 '빛이 있으라'라고 말하자 우주가 개벽함.

5. 자연에 차례차례 우주의 요소가 정리되어가는 진화/출현

홍수 후에 초목과 생물이 자연스럽게 출현하는 것에서 유추함.

이집트의 천지창조설- 처음에 '누'라는 원초의 바다에서 원초의 언덕이 솟아오르고 그후 여신 누토가 우뚝 솟아 하늘이됨

수마트라 남부의 레장족 - 원초의 허무에서 물이 흘러나오고, 대지가 나타나고 하늘이 출현.그후 아홉마리의 새가 날아와 각각 알을 낳고 알이 부화되어 우주의 만물탄생.

6.바다 밑에서 가져온 진흙으로부터 우주가 창조

시베리아의 부랴트족 - 야생 오리가 물속에서 물고 온 진흙으로 창조신이 대지인 우르겐을 만들고 그 위에 식물과 동물을 만듦.

캘리포니아의 인디언 모노족과 만도우족 - 농병아리와 거북이 물에 들어가 흙을가지고오고, 그 흙에서 육지가 만들어짐.

4대 문명의 우주론

고대 이집트

심연, 무한, 암흑, 불가시성이라는 4가지 특성을 가진 원초의 물인 '누'신이 우주를 창조

'누': 태초 이전부터 이미 존재했고 영원히 존속하는 것.

세계는 무한한 공간에 떠 있는 기포와 같은 것.

메소포타미아 지방의 수메르인과 바빌로니아인

아푸스라고 불리는 지하의 거대한 담수를 편평한 원반인 대지가 덮고있고, 땅의 위쪽에는 하늘이 펼쳐져있음

하늘 최상부에 '아누', 중간에 하늘에 '이기기', 아래쪽 하늘에 별이있음.

고대중국

개천설: 하늘은 반원형의 뚜껑이며 땅은 공기를 엎어 놓은 형태로, 공통되는 중심을 가진 두개의 돔 모양을 가짐

혼천설: 하늘은 계란과 같이 둥글고, 땅은 난황처럼 중심에 위치하여 지구는 둥글다.

선야설: 무한한 공간 속에서 천체들이 큰 간격을 두고 떠다니고있다.

인도

우주의 중앙에 세계의 산이있고, 그 정상에 하늘이, 그리고 그 밑바닥은 지옥으로 통한다.

우리가 사는 대지는 원반 모양으로 퍼져있고, 그 주위를 바다가 둘러싸고있다.

우주적시간에 대해서는

불교-시간은 시작도 끝도 없음(단 영원한것도없음)

자이나교-올라가는 시대와 내려오는 시대를 반복

힌두교-큰불과 홍수를 주기적으로 반복한 후에 우주의 공허가 옴

그 외의 우주관

고대구약성서의 우주관

육상의 여러 나라를 포함하는 대지는 전체적으로는 평탄하지만 국부적으로는 산, 계곡, 강등에 의한 변화가 있고 육지의 주변은 바다로 둘러 싸여 있다. 그 지상 세계는 원형이다.

그리스 자연철학의 탄생

기원전 600년경, 탈레스

소아시아의 밀레투스 지역(현재의 터기 서해안)

신과 초자연적인 설명에 의존하지않고 자연현상을 논리적으로 설명하려함

기원전 5세기경 피타고라스

피타고라스는 자연을 이해하는 중요한 언어로서 수학의 중요성을 거의 최초로 인식했던 인물임

기원전 5세기경 헤라클레이토스

우주의 본질은 변화이다 하지만 파르메니데스는 세상은 변화하지않는것으로 생각함

엠페도클레스는 대단히 복잡한 자연현상을 자연을 이루는 기본원소와 그들 사이에 존재하는 상호적인 관계로 이해할수있다고 주장함.

아낙사고라스는 모든 물질은 더 이상 쪼갤수없는 눈에 보이지 않는 무한히 작은 씨앗으로 만들어졌다고 생각

물질도 아주작은 것으로 무한히 나눌수있다고 생각

데모크리토스는 물질을 일정수준으로 작게나누면 더이상 쪼갤수없는 상태가되는데 모든 물질은 이처럼 눈에 보이지않는 더이상 쪼갤 수 없는 물질로 되어있다는 것.이걸 아톰이라함

초기 우주모형

플라톤

자연에 정 다면체가 다섯개밖에 없다는 유클리드의 발견에 주목하여서 

이 정다면체가 차례로 기본원소인 흙,물,공기,불을 상징하고 있으며 나머지 하나인 정이십면체는 신성한 다섯번째 원소를 상징한다고 생각 -> 이 원소가 하늘에 떠 있는 천체를 구성함으로써 지상과 하늘을 구분할 수 있다고 생각

하늘천체를 움직이는 천체와 움직이지않는 천체로 구분하고 움직이지 않는 천체는 유한한 크기의 천구에 고정되어있다고 생각. 플라톤의 우주모형은 최초의 우주모형

아리스토텔레스

태양과 행성들을 완벽한 도형인 원궤도를 가지고 지구 둘레를 공전한다고 생각 - 동심우주론

->본격적인 천동설의 시작

아리스타르코스

지동성 주장

지구가 태양 둘레를 공전하고있다면 당연히 관측되어야 할 연주시차가 발견되지않아서 주목 못받음 -> 이 이유는 우주의 크기가 매우 크고 별들이 멀리있기 때문에 연주시차가 관측되지않는다고 반박함.

프톨레마이오스

지구와 무게추의 질량이 우주의 중심이며, 지구와 무게추는 질량 중심에 대해 서로 공전 주전원이 28개나 있을만큼 복잡한 우주모형 당시 관측가능한 천문현상을 모두 설명 일식과 월식 예측

지동설과 행성 운동 법칙

코페르니쿠스

지동성을 언급하였고 태양이 우주의 중심에 위치하고 지구가 태양 둘레를 공전한다면 행성의 역행과 같은천문현상들을 자연스럽게 이해할수있다고 생각함.프톨레마이오스의 천동설보다 많은수의 주전원을 가지고있음

행성의 궤도가 정원이라고 생각했지만 실제의 관측 결과는 태양과 행성의 거리가 일정하지않음.

티코브라헤 

동 시대를 포함해서 가장 많은 양의 별과 행성의 관측자료를 남김

우주의 중심에 지구가 존재하며 마치 행성을 위성처럼 거느린 태양이 지구 둘레를 공전한다고 생각

(코페르니쿠스의 지동설+프톨레마이오스의 철학)

케플러

스승인 티코의 정교한 천체관측 결과를 분석하여 케플러의 행성운동법칙을 발견

케플러의 행성운동법칙

1.태양둘레를 도는 행성은 태양을 하나의 초점으로하는 타원궤도를 갖는다.(타원궤도를 받아들이면서 행성의 주전원이 사라짐)

2. 행성이 태양 둘레를 공전할때 태양의 가까운곳을 지날때는 속도가 빨라지고 태양에서 먼 곳을 지날때는 행성의 공전 속도가 느려지며, 행성과 태양을 잇는 직선은 같은시간 간격 동안 동일한 면적의 부채꼴을 그림.

3. 태양으로부터 먼 곳에 위치한 행성은 가까운 곳에 위치한  행성보다 태양 둘레를 느리게 공전하며 그 주기는 태양과 행성의 평균적인 거리와 일정한 관계가 있다 - 조화의 법칙

중력의 발견

갈릴레이

달의 분화구를 처음으로 발견

목성의 위성과 태양의 흑점을 발견

피사의 사탑 낙하실험을 통하여 낙하하는 물체의 속도는 물체의 질량과 아무런 관계가 없다는 사실을 증명

가속도가 일정한 경우 물체의 이동거리가 시간의 제곱에 비례한다는 것을 발견

코페르니쿠스의 지동설을 옹호하는 책을 썼지만 이단으로 인정되어 일생동안 가택 연금

뉴턴

행성의 운동이 중력에 의한 것이며 케플러의 행성운동법칙들이 자신이 발견한 중력의 자연스러운 결과라는 사실을 증명

-> 고전역학의 확립

운동법칙

제1법칙 관성에 대한 정의

관성이란 물체가 외부에서 힘이 작용하지않는다면 원래의 운동상태가 변화하기 않으려는 성질

제2법칙 운동의 변화와 관련

질량과 속도의 곱을 운동량이라고 정의할때 외부에서 물체의 힘을 작용시키면 이 힘의 크기가 운동량의 시간에 대한 변화율고 같고 그 방향은 작용시킨 힘의 방향을 따른다.

제3법칙 작용과 반작용에 대한 것

모든 작용에는 그 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 작용한다.

만유인력의 법칙 두물체가 끌어당기는 힘은 두물체의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

뉴턴은 우주가 유한하다고 생각

1692년 벤틀리-만약 뉴턴의 중력이론이 올바른 것이고 별들이 유한한 우주공간에 펼쳐져있다면 결국 모든 별들은 중력에 의해 서로 충돌하여 거대한 불덩어리를 일으킬것

올버스: 무한 우주의 신봉자 밤하늘이 어두운 이유는 별들사이에 존재할수있는 먼지때문임

팽창하는 우주

모든 은하로부터 나오는 빛은 적색편이가 나타나고 지구로부터 멀리 떨어진 은하일수록 그 정도는 더욱 크다는 것을 발견 ->광원, 즉 은하가 멀어짐으로써 나타나는 도플러 효과

최근 관측결과 안드로메다 은하는 대략 초속 110km의 속도로 다가옴

허블

24개 은하에 대한 적색편이를 자세히 관측하여 은하가 위치한 거리와 후퇴속도 사이에 일정한 관계가 성립한다는 사실을 알아냄.

v=Hd

여기서 v는 은하의 후퇴속도, d는 지구와 은하사이의 거리, H는 허블상수임.

우주가 거대한 폭발을 통해 탄생-> 빅뱅이론

프리드먼의 지도를 받았던 가모프가 프리드먼과 르메트르에 의해 제기된 우주 폭발과 관련된 이론을 정교하게 다듬어 1948년 알퍼와 함께 발표

크기가 없고 에너지가 무한대인 하나의 특이점이 폭발하여 우주가 탄생

빛의 화석과 흑체복사

우주배경복사의 발견

잡음이 항상 일정한 수준으로 발생하고 방향에도 상관이 없다는 사실을 관측 이는 절대온도 3.5k에 해당

일부 물리학자들은 이 복사가 가모프가 이야기한 태초의 빛의 흔적이라는 사실을 알아챔

호일-우주는 변화하지 않는다고 생각

호일은 정상우론자의 신봉자로 가모프의 이론을 소리만큰이론이라고 조롱