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[전자책] 사고실험 - 복잡한 세상을 쪼개어 단순하게 이해하려는 시도
조엘 레비 지음, 전현우 옮김 / 이김 / 2019년 10월
평점 :
제목인 사고실험이 어떤 용어인지 궁금했다. 일단 의문이 생기면 찾아보게 된다. ˝사고실험은 실제로 실험을 수행하는 대신 머리 속에서 단순화된 실험 장치와 조건을 생각하고 이론에 따라 추론하여 수행하는 실험이다. 생각 실험이라고도 한다.˝
여러가지 유명한 사고실험중 갈릴레이와 아인슈타인의 실험이 많이 알려졌다. 좀더 알아보자면,
˝사고실험은 실제로는 수행할 수 없는 실험을 하거나 실제 실험에서 있을 수밖에 없는 오차를 고려하지 않고 단순하게 실험할 수 있는 장점을 가진다. 또 실제 실험을 하기 전의 준비로서 사고실험을 하기도 하는데, 사고실험의 결과가 명확하여 실제 실험을 할 필요가 없는 경우도 있다. 사고실험은 종종 기존 이론의 모순점을 드러내는 목적으로 수행되며, 새로운 이론의 기초를 닦는데 사용되기도 한다.
물리학의 역사에는 많은 사고실험이 등장한다. 대표적인 사고실험을 살펴봄으로써 사고실험의 성격이나 역할에 대해 알아 볼 수 있다.
1. 갈릴레이(G. Galilei, 1564~1642)의 사고실험
갈릴레이 시대에 널리 받아들여지던 아리스토텔레스(Aristoteles, 384 BC-322 BC)의 이론은 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어진다고 하였다. 갈릴레이는 무거운 물체와 가벼운 물체를 묶으면 무거운 물체는 원래보다 천천히 떨어지고 가벼운 물체는 원래보다 빨리 떨어질 것이라고 추론하였다. 그렇지만 무거운 물체와 가벼운 물체의 묶음을 하나의 물체로 보면 이 새 물체는 무거운 물체보다 무거우므로 원래 무거운 물체보다 빨리 떨어져야 한다. 이렇게 아리스토텔레스의 이론이 모순을 낳으므로, 갈릴레이는 모든 물체는 무게와 상관없이 같은 속도로 떨어진다는 결론을 얻었다.
아리스토텔레스는 움직이는 물체에 외력이 작용하지 않으면 정지한다고 생각했다. 갈릴레이는 그림 1과 같이 빗면에서 공을 굴리는 사고실험을 하였다. 반대쪽 면이 그림 1의 (a)와 같을 때 마찰이 없다면 공은 처음 출발한 높이에 도달할 때까지 올라갈 것이다. 이제 반대쪽 면의 경사각을 줄여 (b)와 같게 하면 역시 공은 처음 출발한 높이까지 도달할 것이고 수평 방향으로는 (a)보다 더 멀리 도달할 것이다. 이제 반대쪽 면을 (c)처럼 수평면으로 하면 공은 무한히 멀리까지 갈 것이고, 그렇게 하려면 수평면에서 등속운동을 해야 한다. 갈릴레이는 이 사고실험을 통하여 외력이 작용하지 않은 물체는 등속운동을 한다는 것, 즉 관성의 법칙이 성립한다는 것을 알아냈다.

그림 1. 관성의 법칙에 대한 갈릴레이의 사고실험 (출처:한국물리학회)
갈릴레이는 상대성원리에 대한 사고실험도 하였다. 큰 배의 아래편 한가운데 있어서 배 밖을 볼 수 없는 방에 있는 사람이 그 방 안에 있는 물체들의 운동을 관찰하고 있다고 하자. 갈릴레이는 방 안에 있는 물체들의 운동을 관찰하는 것만으로는 배가 정지해 있는지 등속운동을 하고 있는지 알 수 없다는 결론을 얻었다. 예를 들어 천정에 매달린 용기에서 물방울이 떨어질 때, 배가 정지해 있든 등속운동을 하고 있든 물방울은 용기의 바로 아래쪽으로 떨어진다는 것이다. 따라서 모든 관성좌표계에서 물체의 운동 법칙은 동일하다는 갈릴레이의 상대성원리가 도출된다.
2. 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)의 사고실험
아인슈타인은 지구 표면이 중력가속도가 <nobr> </nobr> <script id=˝MathJax-Element-1˝ type=˝math/tex˝>g</script> 인 중력장 안에 있을 때, 지구 표면에 정지해 있는 우주선과 무중력 상태에서 가속도 <nobr> </nobr> <script id=˝MathJax-Element-2˝ type=˝math/tex˝>g</script> 로 가속 운동을 하는 우주선을 비교하는 사고실험을 하였다. 그는 두 우주선 안에서의 물체의 운동에 아무런 차이가 없다는 결론에 도달했다. 이는 지구상에 정지해 있는 우주선 안의 물체가 받는 중력 <nobr>     </nobr> <script id=˝MathJax-Element-3˝ type=˝math/tex˝>F_g = m_g g</script> 와 가속하는 우주선 안의 물체가 받는 관성력 <nobr>     </nobr> <script id=˝MathJax-Element-4˝ type=˝math/tex˝>F_i = m_i g</script> 가 동등하다는 것을 의미하고, 또한 중력의 크기를 결정하는 중력질량 <nobr>  </nobr> <script id=˝MathJax-Element-5˝ type=˝math/tex˝>m_g</script> 와 관성력의 크기를 결정하는 관성질량 <nobr>  </nobr> <script id=˝MathJax-Element-6˝ type=˝math/tex˝>m_i</script> 가 같다는 것을 의미하는데, 이를 등가원리(equivalence principle)이라고 한다. 또한 아인슈타인은 가속하는 우주선에서 빛이 휘어진다는 것과 등가원리를 종합하여 빛이 중력장 안에서 휘어진다는 결론을 얻기도 하였다.
한편 아인슈타인은 양자역학의 모순을 드러내려는 목적으로 아인슈타인의 슬릿, 아인슈타인의 박스, EPR 역설 등의 사고실험을 제안하기도 하였다.
갈릴레이와 아인슈타인의 사고실험 외에도 물리학의 역사에는 맥스웰의 악마(Maxwell‘s demon), 슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger‘s cat), 쌍둥이 역설(twin‘s paradox)과 같은 유명한 사고실험들이 있다.˝
잠깐 읽어보면 알겠지만, 과학적인 내용이 많아 읽는데 많은 시간이 소요됐다. 완전하게 이해한것 같지도 않고 역시 과학이나 물리 이쪽 방면으로는 젬병인것 같다. 책은 고전적인 것부터 비교적 최근에 이야기되고 있는 논의까지 40가지의 사고실험을 다섯 주제에 걸쳐 다룬다. 과학뿐만 아니라 철학적인 소재도 다루고 있는지라 논리적인 접근을 할 필요가 있다.
˝고대 자연철학자부터 현대 물리학자까지 그들이 바라본 자연세계에 관한 역설에서 시작해, 의식이라는 형이상학적 영역이 두뇌와 신체라는 물리적 영역으로부터 어떻게 발생하고 상호작용하는지에 대한 심리철학, 훌륭한 삶을 살 수 있는 최선의 방법은 무엇인지, 무엇이 옳고 그름을 규정하는지를 탐구하는 도덕철학/윤리학, 우리가 정말 무엇을 알 수 있기는 한 것인지, 앎에 대해 탐구하는 인식론, 마지막으로 동일성과 변화, 진정성 등 우리를 인간으로 존재하게 하는 것들에 대한 존재론적인 탐구에 나선다˝
많이 들어본 용어인 맥스웰의 악마, 슈뢰딩거의 고양이, 라이프니츠의 방앗간, 뷔리당의 당나귀, 죄수의 딜레마부터 제논의 거북이와 토끼 달리기까지 역사적으로 의미있는 사고실험이 총 출동한다. 위에도 언급했지만 시간도 좀 걸렸고 이해도가 떨어지는것 같아 나중에 기회가 되면 다시 한 번 읽어볼 요량이다.