자기계발에 도움주는 과학이론

**미시세계(微視世界)** 맨눈만으로는 볼 수 없는 물질(物質)의 세계(世界)

**거시세계(巨視世界)** 육안이나 감각(感覺)으로 직접(直接) 식별(識別)할 수 있는 물질(物質)의 세계(世界)

**카오스이론** 자연계의 동역학적 상태의 변화가 매우 불규칙하여 미래 예측이 불가능한 현상. 혼동이론이라고도 한다.

혼돈 또는 무질서를 뜻하는 말로서 물리학에서의 비주기적이며 불안정해 보이는 운동을 말한다. 카오스 이론은 언뜻 보아 무질서하게 보이지만 복잡한 현상 배후에는 항상 정연한 질서가 감추어져 있고 그 법칙에 의해 미래의 상태가 결정된다고 본다. 통계열역학·유체난류· 비선형화학반응· 핵융합 등 자연계의 모든 비선형현상을 연구하는 데 응용된다.

**복잡계이론** 자연계를 구성하고 있는 많은 구성성분 간의 다양하고 유기적 협동현상에서 비롯되는 복잡한 현상들의 집합체로 자연과학, 수학, 사회과학 등 다양한 영역에서 연구되고 있다. 복잡계에서는 어느 장소에서 일어난 작은 사건이 그 주변에 있는 다양한 요인에 작용을 하고, 그것이 복합되어 차츰 큰 영향력을 갖게 됨으로써 멀리 떨어진 곳에서 일어난 사건의 원인이 된다고 생각한다.

**나비효과** 브 라질에 있는 나비의 날갯짓이 미국 텍사스에 토네이도를 발생시킬 수도 있다는 과학이론이다. 미국의 기상학자 에드워드 로렌츠(E. Lorentz)가 1961년 기상관측을 하다가 생각해낸 이 원리는 훗날 물리학에서 말하는 카오스 이론(Chaos Theory)의 토대가 되었다. 변화무쌍한 날씨의 예측이 힘든 이유를, 지구상 어디에서인가 일어난 조그만 변화로 인해 예측할 수 없는 날씨 현상이 나타났다는 것으로 설명한 것이다.

처음에 이 현상을 설명할 때는 나비가 아닌 갈매기가 사용되었지만, 이후에는 시적으로 표현하기 위해 갈매기를 나비로 바꾸었다. 이 가상의 현상은 기존의 물리학으로는 설명할 수 없는 이른바 '초기 조건에의 민감한 의존성', 곧 작은 변화가 결과적으로 엄청난 변화를 초래할 수 있는 경우를 표현하고자 한 것이다.

오늘날 세계화 시대에서 나비효과는 더욱 강한 힘을 갖는다. 디지털과 매스컴 혁명으로 정보의 흐름이 매우 빨라지면서 지구촌 한 구석의 미세한 변화가 순식간에 전세계적으로 확산되는 것 등을 그 예로 들 수 있다.

**본질(本質)** 본디부터 갖고 있는 사물 스스로의 성질이나 모습. 사물이나 현상을 성립시키는 근본적인 성질. <철학>실존(實存)에 상대되는 말로, 어떤 존재에 관해 ‘그 무엇’이라고 정의될 수 있는 성질.

**양자론** 빛의 본성이 파동이다 입자다 하는 긴 논란은 1905년 끝이났다. 아인슈타인은 빛을 입자로 보고 광전효과를 정확하게 설명할 수 있었고, 따라서 간섭이나 회절 현상을 일으키는 파동의 성격과 광전효과나 콤프톤 효과에서처럼 충돌을 일으키는 입자의 성격을 동시에 갖고 있는 것으로 타협이 이루어 지게 된 것이다. 이 두 가지의 서로 상충되는 물리적인 성격을 가지고 있는 것을 어떻게 받아들여야 할까?

1800년대 후반 맥스웰이 전자기이론을 완성하고 그 결과 전기장과 자기장이 파동이 되어 전파될 수 있고 또한 그 속도가 빛의 속도가 되는 것을 알아내었을 때 빛의 실체가 파동이라는 것은 의심할 여지가 없었다.

그러나 금속에 빛을 비추었을 때 전자가 튀어나오는 것을 면밀하게 분석해본 물리학자들은 맥스웰의 전자기 파동으로는 이 현상을 도저히 설명할 수 없는 것을 알고 낙담할 수밖에 없었다. 그러나 한 사람의 영웅이 나와서 이 문제를 해결하는 데는 별로 오래 기다릴 필요는 없었다. 그 영웅은 바로 같은 해에 시간과 공간에 대한 혁신적인 사고의 전환을 하게 만든 특수상대성이론을 발표한 아인슈타인이었다.

이 문제를 해석하기 위하여 아인슈타인은 입자로서의 빛, 즉 광자의 물리 성질을 다음과 같이 제안하였다.

빛은 (플랑크 상수)x(진동수)의 에너지를 가지고 있는 입자이다.

여기서의 플랑크 상수는 몇 해전 흑체복사를 해석하기 위하여 독일의 막스 플랑크가 도입했던 상수로서 h = 6.625 ×10-34Js 의 아주 작은 값을 가지고 있다. 가시광선의 경우 진동수가 1015 s-1 정도이므로 이의 에너지는 10-19J 정도의 작은 값을 가지고 있다..

즉 빛은 진동수에 비례하는 에너지를 가지고 있는 하나의 알갱이인 것이다. 이렇게 어떤 물리량이 덩어리로 되어 띄엄띄엄한 값을 가진 것을 양자(量子 : quanta) 라고 한다.

**끌개** 혼돈 운동 또는 어떤 형태의 운동이라도 시각적으로 표시하는 방법 중 한가지는 운동의 위상도를 그리는 것이다. 이러한 그림에서 시간은 내재되어 있으며 각 축은 상태의 한 차원을 나타낸다. 예를 들어 이런 위상도에서 정지해 있는 계는 점으로 그려질 것이며 주기 운동을 하는 계는 단일 폐곡선으로 그려질 것이다.

한계의 위상도는 계의 초기조건에 (그리고 매개변수의 값에) 따라 바뀌지만 대개는 일정한 운동궤적 주위의 초기조건에 대해서는 마치 그 운동궤적에 이끌리듯이 같은 궤적에 도달하는 경우가 많다. 이렇게 이끄는 운동은 적절하게도 그 계의 "끌개"라고 하며 강제된 흩어지기계(forced dissipative system)에서는 아주 흔하게 발견된다.

**기이한 끌개** 위 에서 언급된 운동 형태 중 대부분은 점(고정점)이나 원형 곡선(끝돌이)등의 아주 단순한 형태의 끌개를 보이지만 혼돈 운동은 "기이한 끌개"로 알려진 매우 세밀하면서도 복잡한 형태의 끌개를 보인다. 예를 들어 로렌츠의 기상계를 본뜬 단순한 3차원 본뜨기는 유명한 로렌츠 끌개를 보인다. 로렌츠 끌개는 아마도 가장 잘 알려진 혼돈계의 그림일 텐데 이는 이것이 최초의 끌개 그림 중 하나라는 것보다는 가장 복잡한 끌개 그림 중 하나이며 또한 나비의 날개 같은 매우 흥미로운 형태를 보이기 때문일 것이다. 또 다른 끌개로 로지스틱 본뜨기처럼 주기배증의 혼돈경로를 따르는 뢰슬러 본뜨기가 있다.

기이한 끌개는 프랙탈 구조를 가지고 있다.

**난류** 난류 유동에서는 모멘텀 확산(diffusion)이 낮고, 모멘텀 대류(convection)가 높으며, 압력 및 속도가 시간 및 공간에 따라 빠르게 변화한다. 난류가 아닌 유동은 층류(laminar flow)라고 한다.

생활에서 알기 쉬운 예로, 수도꼭지에서 흐르는 물을 예로 들 수 있다. 수돗물은 유량이 적을 때는 똑바로 떨어지지만, 많이 틀면 갑자기 흐트러지면서 나온다. 이 때 전자가 층류, 후자가 난류이다. 생활에서 볼 수 있는 공기나 물의 유동은 거의 모두가 난류일 뿐만 아니라, 난류에서는 열이나 물질의 확산 효과가 매우 강하기 때문에 공학적으로도 매우 중요하다.

층류와 난류는 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해서 대체로 구별할 수 있으며, 레이놀즈 수의 값이 크면 난류이다. 예를 들어 파이프 내의 유동에서는 그 기준을 레이놀즈 수 약 2,300 정도로 삼는다. 그러나 이는 대략적인 값이기 때문에, 예를 들어 레이놀즈 수 약 2,100 이하이면 층류, 4,000 이상이면 난류이고, 그 사이 값에서는 천이 유동(transition flow)으로 간주하기도 한다.

파이프라인을 설계할 경우, 난류는 층류에 비해 펌프(혹은 팬)의 에너지를 더 많이 소비한다. 반면 열교환기(heat exchanger)나 반응로(reaction vessel)를 설계할 경우에는, 난류가 열전달(heat transfer)이나 혼합을 크게 증대시킨다. 잠수함 주위의 물의 유동에서 나타난 층류와 난류

난류의 정확한 정의는 현재로서도 없으며, 수학적으로는 점성 유동에 대한 지배 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equation)의 비정상해의 집합이라 할 수 있다. 나비에-스토크스 방정식은 그 특수해 중 일부가 구해지기는 했으나 그마저도 큰 레이놀즈 수에서는 해가 불안정하기 때문에, 난류를 해석적인 방법으로 다룰 수는 없다. 현재는 난류 문제를 푸는 방법으로, 적절한 난류 모델을 도입하여 문제를 단순화한 후 수치 시뮬레이션을 수행하는 방법이 사용되고 있으며, 이것은 전산유체역학의 중요한 세부 분야 중 하나이다.

난류 수치 시뮬레이션은, 기상 예보나 자동차 등의 공력(aerodynamic) 설계로부터 노트북 PC의 냉각까지 공학적으로는 매우 폭넓게 이용되고 있다. 난류 수치 시뮬레이션을 위해서는 엄청난 계산기 성능이 요구되기 때문에, 슈퍼 컴퓨터의 중요한 용도 중 하나이다.

담배 연기 : 바람이 전혀 없는 조건에서, 위로 올라가는 담배 연기는 처음에는 층류이다가 갑자기 난류로 바뀐다. 골프공 주위의 유동 : 만일 골프공에 홈이 없이 매끈했다면 골프공 주위의 유동은 층류이었을 것이다. 골프공에 홈이 있음으로써 골프공 주위의 유동이 난류로 빨리 천이하게 된다. 이렇게 되면 표면 저항(skin friction)은 증가하지만 형상 항력(form drag)이 감소하고, 결과적으로 전체 항력도 감소한다.

**운동역학** 역 학은 일반적으로 물체의 운동(공간적 위치의 이동)과 그 원인이 되는 힘 사이의 법칙성을 연구하는 물리학의 한 부분이다. 사람의 몸도 물체의 일종이라고 보면 물체의 역학과 같은 운동의 법칙에 따른다. 물체의 역학에서는 다른 물체로부터 힘을 받았을 때, 그 힘과 힘을 받은 물체의 운동과의 관계를 문제로 삼는 데 대하여, 신체 운동역학은 신체 자신이 힘을 내서 스스로 움직이고 또는 다른 물체를 움직이는 데 관심을 가진다. 이러한 몸의 기능은 골격근이 주로 중추신경의 지배 아래에 생화학적 반응을 일으키고, 그 때 발생한 에너지가 관절에 의하여 연결된 골격을 거쳐 스스로 움직이고 다시 다른 물체를 움직이는 기계적 일로 변환된다. 따라서 운동역학은 생화학 ·생리학 ·해부학 등과 더불어 신체운동 과학의 기초를 이루며 체육 ·스포츠 ·리허빌리테이션 ·바이오닉스 ·인간공학 등의 넓은 응용분야를 가진다.