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프랭크 윌첵: 오늘의 인용-에너지

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2013. 7. 26.

 

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에너지 Energy

 

물리학의 핵심 개념. 에너지라는 개념의 중요성을 감안하면, 에너지에 대한 최초의 규정이 얼마나 포착하기 어렵고 믿음직하지 못한 듯 보이는 점은 놀라운 일이다. 사실상, 겨우 십구 세기가 되어서야 에너지와 에너지 보존이라는 근대적 개념이 출현하기 시작했다. 최초의 가장 명백한 에너지 형태는 운동과 관련된 운동 에너지다. (상대성 이론 이전의 역학에서 어떤 물체의 운동 에너지는 자체 질량과 자체 속도의 제곱을 곱한 것의 절반으로 식별되었다. [...]). 한 물체에 힘이 작용할 때 일반적으로 그 물체의 운동 에너지는 변화하지만, 어떤 종류들의 힘(이른바 보존력)들의 경우에는 위치에만 의존하는 위치 에너지 함수를 규정하는 것이 가능하고, 그래서 운동 에너지와 위치 에너지의 합은 상수가 된다. 더 일반적으로, 물체들의 체계들의 경우에, 그리고 어떤 유형의 힘들에 대해서, 모든 물체들의 운동 에너지의 합과 그것들의 위치들에만 의존하는 운동 에너지를 더한 총량은 보존된다. 열역학 제일 법칙은 에너지가 열―물체 내부에서 일어나는 매우 작은 규모의 관찰하기 힘든 운동의 표현―로 숨어 있을 수 있더라도 에너지는 보존된다고 단언한다. 사실상, 열역학 제일 법칙은 자연의 근본적인 힘들은 항상 보존력인 것으로 밝혀질 것이라고 단언한다. 근본적인 힘들의 본성이 도대체 명료해지기 오래 전에 제시된 그 대담한 가설은 열역학의 성공에 의해 정당화된다. [...]

 

물리학의 현대 이론들에서 에너지는 그것과 깊이 관련되어 있는 시간과 같은 층위에 있는 기본적인 개념으로 제시된다. 예를 들면, 광자 내부에서 진동하는 전기적 교란이 한 주기를 지나는 데 걸리는 시간 T는 광자의 에너지 E와 다음과 같은 식으로 관련된다. ET = h, 여기서 h는 플랑크 상수다. 이런 이론들 내에서 에너지의 보존은 시간 병진에 대한 방정식들의 대칭성, 즉 일상적인 영어로, 시간이 지나면서 법칙들이 변화하지 않는다는 사실에서 비롯된다.

 

여러분은 궁금해 할 것이다. 물리학의 근본 법칙들이 에너지의 보존을 보증한다면, 사람들은 왜 에너지를 보존하는 조치들을 취하도록 재촉받는 것일까? 결국, 물리학의 법칙들은 자체적으로 집행하도록 되어 있지 않는가! 핵심은 어떤 에너지 형태들은 다른 형태들보다 더 유용하다는 점인데, 특히, 무작위적인 요동(열)은 유용한 작업을 하는 데 쉽게 이용할 수 없다. 엔트로피 생산을 최소화하도록 사람들에게 요청하는 것이 더 나은 물리학일 것이다.

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―― 프랭크 윌첵(Frank Wilczek), <<존재의 가벼움(The Lightness of Being)>>(2008), pp. 227-8.