[물리학-고전역학] 02. 기본물리량 - 길이, 질량, 시간 | Length, Mass, and Time

 

Physical quantity is a physical property of a material that can be quantified by measurement.

​

물리량이란, 측정을 통해 수량화(量化) 가능한 물리적 성질이다.

 

앞으로 배우게 될 고전역학에서 기본량(기본 물리량, physical quantities)은 (1)길이, (2)질량, (3)시간을 지칭한다.

• 길이: 어떤 한 공간에서 두 점 사이의 거리, SI 단위는 [m](미터)
• 질량: 물질이 가진 고유한 물리량으로 (1)관성질량과 (2)중력질량이 개념적으로 나뉜다. SI 단위는 [kg](킬로그램)
• 시간: 어떤 시각에서 다른 시각까지 동안의 간격, SI 단위는 [s](초)

 

길이

Length

 

인류 역사상 길이는 매우 오랫동안 사용된 대표적인 기본량으로, 길이 측정 시 가장 편리한 기준은 신체였고, 미터법 제정 이전까지 길이 단위는 아래와 같은 개괄사로 나타난다.

​

길이 개괄사

• 고대 이집트의 큐빗(cubit)[그림 1]: 1큐빗 = 524mm(약 50cm), 인류의 기록 역사상 가장 오래된 길이 단위로 성경에서도 가장 많이 등장하는 단위이다.

 

그림 1. 1큐빗

 

 

네가 만들 방주의 모양은 이러하니 방주의 길이는 삼백 큐빗이오, 너비는 오십 큐빗, 높이는 삼십 큐빗이니라.

창세기 6:15

​

• 고대 그리스의 핑거(finger): 1핑거 = 19.3mm
• 1120년, 잉글랜드의 국왕 헨리 1세(Henry Ⅰ, 1068-1135)가 자신의 코끝에서 쭉 뻗은 팔의 손가락 끝까지의 길이를 1야드로 명명함 ⇒ 1야드 = 0.9m

 

Henry Ⅰ, 1068-1135

 

 

• 1790년, 프랑스 대혁명 이후 프랑스의 정치가 탈레랑(Charles-Maurice de Talleyrand, 1754-1838)이 "누구에게나 납득할 수 있는 평등 정신을 바탕으로, 새로운 단위 체계는 영원히 지속되는 관찰가능한 자연현상에 기초하여야 함"을 공표하였고, 이에 따라 아카데미는 파리를 통과하는 자오선 상에서 지구 원주의 1/4의 1/10,000,000을 기본 단위한 단위를 1미터로 정의함. ⇒ 그리스어 단어 메트롱(측정)에서 유래

 

Charles-Maurice de Talleyrand, 1754-1838

 

• 미국의 경우, 정치가 토머스 제퍼슨(Thomas Jefferson, 1743-1826)과 같은 시대 존 애덤스(John Adams, 1797-1801)가 프랑스 혁명 정신에 영향을 받아 미터법을 도입하고자 했으나, 영국 도량형이 관습적으로 너무 많이 쓰이고 있어 보급에는 실패함

 

John Adams, 1797-1801

 

• 1870년 8월, 프랑스의 수도 파리에서 미터법국제위원회가 발족되고, 미터원기(백금 90%, 이리듐 10%)[그림 2]를 제작함

 

그림 2. 미터원기(복제품)

 

 

• 조선시대: 조선 세종 시기, 박연(Bak Yeon, 1378-1458)이 1 황종척을 약 35cm 단위로 정의함. ⇒ 사람마다 서로 다른 길이를 가진 신체 기관 대신 비교적 일정한 길이를 갖는 곡물(기장)의 크기를 기준으로 함, 참고로 1 황종척[그림 3]은 기장 100알을 일렬로 놓은 길이와 같음

 

그림 3. 황종척

 

​

• 이후 1미터는 2023년 기준 진공 속에서 빛이 1/299,792,458초동안 진행한 거리[그림 4]로 정의함.

 

그림 4. 빛의 속력과 1미터 [출처: University Physics Volume 1, Openstax, 2016, p.25]

 

• 진공 조건에서 빛의 속력은 초당 정확하게 299,792,458m를 이동한다. ⇒ 빛의 속력은 어떤 우주 공간 좌표 상에서라도 진공 조건만 가지면 항상 299,792,458m를 이동한다.

 

질량

Mass

 

Galileo Galilei, 1564-1642

 

 

관성(inertia): 물체는 처음 가진 운동상태를 그대로 유지하려고 하는 데 이와 같이 변화에 저항하려는 물체의 보편적 특성을 뜻한다.

• 물체의 운동 상태는 외부의 힘이 없는 한 영원히 처음 운동상태를 유지한다.
• 관성의 개념은 이탈리아의 위대한 과학자 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564-1642)에 의해 "운동하는 물체가 외부힘을 받지 않는 한 물체는 등속직선운동을 한다."라는 문구를 통해 명시화 되었다.

​

질량은 물체가 가진 관성의 정량적 척도로 '관성질량'으로도 불린다. 질량의 특징은 아래와 같다.

1. 스칼라량
2. SI 단위계: [kg]
3. 질량 기본 단위 규정: 1kg ⇒ 2017년까지는 프랑스 국제 도량형국(BIPM)의 백금-이리듐 합금 원기[그림 5]의 1kg 질량(1887)을 활용했다. → 이후 제26회 세계 도량형 총회(CGPM)(2018)에서 플랑크 상수를 기반으로 한 새로운 kg이 정의됨

그림 5. 파리과학산업박물관 1kg 원기 레플리카 [출처: Wikipedia]

 

 

4. 관성 질량은 입자에 적용된 힘에 의한 가속에 저항하는 척도이다. 참고로 물체에 걸린 가속은 (1)속력의 증가, 또는 (2)방향의 전환을 일으킨다.

​

 

시간

Time

 

시간의 대표적인 단위는 1초이며, 1초는 세슘-133 원자로부터 방사되는 복사진동주기의 9,192,631,770배 되는 시간과 같다.

• 복사진동주기는 완전한 복사진동이 진행되는 데 필요한 시간으로, 1초 동안 세슘-133 원자의 복사진동은 9,192,631,770번이 정확하게 발생된다.

 

	길이	질량	시간
기준단위	1m	1kg	1초
특징	진공 속에서 빛이 1/299,792,458초동안 진행한 거리	플랑크 상수를 기반	세슘-133 원자의 복사진동은 9,192,631,770번이 정확하게 발생

 

표 1. 표준 물리량의 실제 척도

 

 

표준

Standards

 

표준: 특정 물리량의 일정한 기준 ⇒ 표준 값을 통해 누구나가 동의할 수 있는 엄밀한 물리량이 정의된다.

• 전제조건: 표준으로 선택된 것은 쉽게 이용(use easily)할 수 있고, 신뢰도 있는(reliable) 측정이 가능해야 하며, 또한 시간과 공간의 변화에 대해 불변(constant)해야 한다.
• 1960년대, Systeme International 단위계[그림 6]가 정립되었다. SI 단위(계)라고 흔히 불리며, 물리학을 비롯한 과학 전반에 사용되는 기본량에 대한 일련의 표준이다. 7개의 기본단위를 가지며 표준 단위는 아래와 같다.

 

그림 6. Revised SI [출처: Bureau International des Poids et Mesures, bipm.org]

 

 

1. 길이: 미터, [m]
2. 질량: 킬로그램, [kg]
3. 시간: 초, [s]
4. 전류: 암페어, [A]
5. 온도: 켈빈, [K]
6. 물질의 양: 몰, [mol]
7. 빛의 양: 칸델라, [cd]