물리현상의 기본요소로서의 `관찰`

고전물리의 이론에 적용되는 큰 가정으로는 자연현상은 시간,공간,물질이라는 세 종류의 상호독립적인 요소로 구성되어있으며 이들 각각은 객관적 실재이다. 이들의 행동은 뉴턴방적식에 의해 결정되며 현재의 상태로부터 미래의 모든 상태가 완전히 결정되는 결정론적 세계이며 미래를 예측할 수 있다. 관찰자의 관찰행위는 고전역학 이론체계에서 그다지 중요하지 않다. 관찰자는 객관적 자연현상의 법칙을 찾아내는 발견자의 일을 하고 있을 뿐 법칙에 미치는 역할이 없다.

그런데 이러한 상식적이고 당연한 듯 보이는 상황이 물리학의 발달과 더불어 근본적으로 바뀌게 되는데 첫번째 문제제기는 아인슈타인에 의해 일어났다.

★ 특수상대성 이론(관찰자는 등속운동)
상대성이론은 관찰자의 운동이 특수한 경우(등속운동>특수상대성 이론)에 있는가 일반적인 경우(가속도 운동(예:중력)>일반상대성이론)인가에 따라 2가지로 구분된다. 상대성 이론은 고전역학과는 달리, 이론체계의 정리에서부터 관찰자의 역할이 명시적으로 개입된다.

우선 특수상대성이론은 두가지 원리에 바탕하고 있다. 하나는 관찰자에 따라 물리현상이 달리보이지만 근본 법칙은 동일하다는 것이고, 다른 하나는 관찰수단인 빛의 특성이 물리법칙의 성립에서 핵심역할을 한다는 것(광속도 일정의 원리)이다. 이를 정확히 기술하면 "등속운동을 하는 모든 관찰자에게 물리법칙은 동일하다"이다. 이 원리는 갈릴리오때부터 이미 알려진 것으로 뉴턴 역학도 이 원리를 만족시키며 일상생활에서도, 또한 상식적으로도 쉽게 이해할 수 있다. 가령 일정한 고속으로 달리는 차에서 눈을 감고 있으면 자신이 정지해 있는지 달리는지 알 수 없다. 빗방울은 지상에 서 있는 사람과 달리는 기차에 있는 사람은 서로 다른 모습으로 보지만 근본적으로 동일한 운동을 하고 있다.

두 관찰자가 서로 등속운동을 하는 상황에서 물체의 운동, 빛, 시간, 공간 등을 관찰하면 이들이 겉부기에 달리 보일터이지만 기본법칙은 같아야한다. 특히 빛이 중요한데 광속은 관찰자의 속도에 관계없이 일정하다는 특이한 현상을 가지고 있다. 즉, 광속이 유한하면서 일정하므로 시간과 공간은 관찰자에 따라 달라진다. 그 이유는 공간상의 거리와 두 사건간의 시간은 그 정의가 근원적으로 빛을 통한 관측으로 기술되기 때문이다. 바꿔말하면 빛이 기본적인 현상이고 시공간은 이차적인 개념이 되는 셈이다. 이는 `관찰수단이 물리이론의 정립에서 핵심적 역할을 한다`는 것을 의미한다.

★ 일반상대성 이론(관찰자는 가속도운동)

가속운동을 하는 관찰자는 눈을 감아도 힘을 느끼기 때문에 마치 절대운동을 하는 것처럼 보인다. 아인슈타인은 중력과 가속도의 동등성을 도입해 상대성 원리의 일반화에 성공했다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 `힘`의 개념은 사라지고 `시공간의 휘어짐`이라는 기하학적 개념으로 대치된다. 그 전에는 시공간과 물질의 존재는 서로 독립적인 것이었으나 아인슈타인에 의해서 시공간 자체가 물질에 의하여 휘어지고 굽혀지는 동력학적 작용을 하게 되었고 시공간과 물질이 하나의 연결된 체계를 형성하게 되었다. 시공간이 평평한지 휘어져 있는지를 결정하는 것은 관찰에 의해서이며 관찰방법은 빛을 이용하는 것이어서 빛은 시공간의 기하학적 성질을 규정하는 핵심적 역할을 한다.

★ 양자역학
하이젠베르그의 불확정성의 원리는 입자의 상태기술(속도,위치)이 근본적으로 확률해석을 따를 수 밖에 없음을 보여 고전역학에서 고전역학의 이상적 관찰 가능성을 완전히 부인했다. 그 이유는 관측행위가 입자에 영향을 미치기 때문이다. 이 점은 관측대상인 입자가 입자이면서 동시에 파동이라는 입자파동 이중성과도 밀접하게 연관되어 있다.

실재론적 견해에 의하면 전지전능한 존재는 실제 입자의 위치와 속도를 알고 있고 관찰의 한계때문에 불확정성의 원리가 생기는 것이라고 생각할 수 있는데 양자역학이 말하는 바는 이것이 아니다. 일상적인 경험론적 사고방식에 의하면 입자는 위치와 속도를 쉽게 파악할 수 있지만 이를 미시세계에 적용하는 것은 잘못이다. 원자나 전자의 상태를 기술하는 것은 추상적이고 수학적인 `파동함수`를 쓰게되고 이를 통해 나오는 값은 확률로써 주어지기 때문에 불확실성이 필연적으로 따른다.

그러므로 우리의 자연관은 인간의 관찰행위와 대상인 자연의 결합작품이며, 따라서 `관찰`은 물리이론의 기본적 구성요소로 포함되어야한다. 사물자체를 인간이 알 수 있는 것이 아니고, 감각기관을 통해서 받아들여진 것, 즉 인간과 자연의 합작품이 곧 `현상`이며, 인간은 자연자체를 아는 것이 아니라 오직 현상에 대해서만 알 수 있다.