길이, 시간, 그리고 질량

역학에서의 기본량은, 길이, 질량, 시간이다.

- 기본량(기본물리량, physical quantity): 양적으로 측정가능한 대상의 물리적 성질(A physical property of a material that can be quantified by measurement)

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그림 1. 표준 물리량의 실제 척도

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표준(standards): 특정한 물리량의 일정한 기준

- 표준 값을 통해 누구나 동의할 수 있는 엄밀한 물리량이 정의된다.

- 전제조건: 표준으로 선택된 것은 쉽게 이용할 수(using easily)있고, 신뢰도 있는(reliable) 측정이 가능해야 하며, 또한 시간과 공간의 변화에 대해 불변하는(constant) 값을 가져야 한다.

- 1960년대, Systeme International(SI) 단위계가 정립된 이래로, SI 단위계는 물리학을 비롯한 과학 전반에 기본량으로 쓰이고 있다.

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길이

길이(length): 어떤 한 공간에서 두 점 사이의 거리

- 너비(width): 물체의 가로 길이

- 높이(height): 물체의 세로 길이

- 두께(thickness), 깊이(depth)

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길이의 개괄사 A Brief History of the Length

길이를 측정할 때 가장 편리한 기준은 신체였으며, 미터법 이전의 단위는 동방에서 서방으로 전파되었다.

- 고대 이집트의 큐빗(cubit)은 당시 세계에서 가장 널리 사용된 길이표준으로, 왕립주 큐빗(royal master cubit)을 기준 1큐빗은 약 524mm이다.

그림 2. Cubit

- 또한 농업사회였던 고대 이집트는 나일 강의 잦은 범람으로 인해 토지의 면적을 항상 새로 측정해야 했는데, 면적을 구하는 과정에서 길이 단위가 반드시 사용되었고, 이는 지역마다 약간씩 차이가 났다.

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Henry Ⅰ, 1068-1135

1120, 잉글랜드의 국왕 헨리 1세(Henry Ⅰ, 1068-1135)가 길이의 표준으로 1야드(yard, yd)를 공표했다. 1야드는 대략 성인 남성을 기준으로 자신의 코끝에서 쭉 뻗은 팔의 손가락 끝까지의 길이와 비슷하다.

- 1yd. = 0.9144 metre[m]

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한편, 프랑스의 국왕 루이 14세(Louis ⅩⅣ, 1638-1715)는 자신의 발 길이를 기준으로 피트(feet, ft)를 정했다.

- 1ft. = 30.48 centimetre[cm]

- 영국에서는 미터법 도입 이후 미터와의 호환성을 맞추고자 '비공식적으로' 1피트를 30[cm]로 정한다.

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길이의 개괄사: 1미터의 정의

1미터의 정의: 현재 1m는 진공 속에서 빛이 1/299,792,458초 동안 진행한 거리로 정의한다.

- 진공 조건에서 빛의 속력(speed of light in vacuum)은 정확히 초속 299,792,458[m]이다.

This value is exact because by international agreement a metre is defined as the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458[s].

- 빛의 속력은 어떤 우주 공간 속 좌표에서도 진공 조건만 만족하면 항상 위의 값을 만족한다.

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질량

질량(mass): 질량이란, 물질이 가진 고유한 물리량으로 SI 단위는 킬로그램(kg)이다. 무게를 통해 느낄 수 있는 물리량이지만 실제 질량의 성질은 '관성의 정도(움직이기 어려운 정도)'에 가깝다. 2017년까지 1kg은 프랑스 국제 도량형국(BIPM, Bureau International des Poids et Mesures)에 보관된 백금-이리듐 합금 원기의 질량(1887)이 기준이었다.

그림 3. 파리과학산업박물관의 1kg 레플리카

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2018년 제26회 세계 도량형 총회(CGPM)를 거쳐 플랑크 상수를 기반으로 새 kg의 정의를 채택했다.

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시간

시간(time): SI 단위는 초(second)로, 1초는 절대영도 상태의 세슘-133 원자로부터 방사되는 복사진동주기의 9,192,631,770배 되는 시간(1967)과 같다.

그림 4. 세슘-133 원자의 복사진동수 f [출처: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/acloc.html]

- 세슘-133 원자의 복사진동주기는 원자의 바닥 상태의 두 전자 준위 사이의 전이에 해당하는 복사선으로, 1초는 이 복사선이 갖는 주기의 9,192,631,770회 지속시간이다.

- 세슘원자의 1회 복사 진동(복사진동수 f=1)은 1/9,192,631,770[초]만에 이루어진다.