어린이과학동아&수학동아 기사

혹시 '형상화'와 '사고실험'에 대해 알고 계시나요? 아마도 모르는 사람이 많을 것입니다. 형상화란, 어떤 형상을 그대로 재현하는 것에서부터 특이한 추상능력까지 모두 형상화에 포함됩니다. 추상화 역시 관련이 있지요. 조금 쉽게 말하면, 어떤 사물의 모습을 상상 속에서 재현하는 것을 말합니다. 그렇다면, 이런 형상화 능력은 어디에 사용될까요? 찰스 스테인메츠라는 수학 교수는 형상화 능력이 매우 뛰어나, 형상화만으로 도형이나 도구, 건물 등을 설계하기도 하였다고 합니다. 자신의 형상화 능력은 어렵지 않게 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 사각형 모양을 떠올려 보세요. 모두 다른 사각형을 생각하는 것처럼, 모두가 형상화 능력이 있다는 것입니다. 또한, 측면에서는 사각형, 위에서 보면 원인 도형을 알아맞히는 것도 형상화 능력이 있기 때문에 가능하답니다.

 이런 형상화 능력과 깊은 관련이 있는 것이 있습니다. 바로 '사고실험' 인데요, 물리에 관심이 있는 친구는 아마도 알고 있을 것입니다. 사고실험이란, 어떤 물리학적 상황을 형태가 있는 것처럼 보고/느끼고/조작하되, 이 모든 일을 상상 속에서 하는 것입니다. 머릿속에서 하는 실험이라고도 볼 수 있죠. 그렇다면 왜 사고실험을 하는 걸까요? 실제로 하면 더 정확할 텐데요. 사고실험을 하는 이유는 사로실험의 장점 때문이랍니다. 사고실험은 실제의 실험장치가 아닌 생각이기 때문에, 이론적 가능성을 따라 실험한 것처럼 결과를 유도해내게 되는데 실험실해서 하는 실험에는 여러 가지 오차가 포함될 수 있지만 사고실험은 실험을 단순화하여 이상적 결과를 유도하게 된답니다.

 대표적인 사고실험에는 '슈뢰딩거의 고양이' 가 있습니다.

(출처: Dhatfield(위키백과))

물리학자 에르빈 슈뢰딩거의 이 사고실험은 만일 한 시간에 50%의 확률로 폭발하는 방사선 물질이 상자 안에 고양이와 함께 들어 있고, 원소가 폭발하면 상자 안 망치가 독극물 병을 깨트려 고양이가 죽게 된다면 우리가 상자 안을 들여다보기 전까지는 고양이가 살았는지, 죽었는지 알 수 없기 때문에, 고양이는 산 상태도 죽은 상태도 아니라는 것입니다. 이 실험은 모든 문제의 답은 하나뿐이라는 고전역학을 비판하고 생물은 살았거나 죽었거나 둘 중 하나라는 생물학적 사상에도 반대되는 의견이랍니다.

 또 다른 사고실험에는 비의 물리학에 관련된 실험이 있습니다. 비가 주룩주룩 내릴 때, 빨리 달려야 비를 덜 맞을까요, 아니면 느리게 달려야 비를 덜 맞을까요? 아마도 대부분의 사람이 빨리 달려야 비를 덜 맞는다고 생각하겠죠. 그런데, 만약 아니라면? 실제로, 이탈리아 브레시아 대학교의 기계/산업공학과 크랭코 보치 교수가 직접 이 실험에 대한 논문을 발표했다고 합니다. 그렇게 되면 얇은지 두꺼운지, 속도, 비의 세기 및 방향을 고려해 봐야겠죠. 두께가 각각 0, 얇을 때, 두꺼울 때의 육면체로 실험해 본 결과, 두께가 0인 육면체는 비와 비 사이를 통과하여 가만히 있는 것이 가장 비를 덜 맞았습니다. 그러나, 두께가 있는 두 육면체는 달랐습니다. 적절한 속도로 갈 때 가징 바를 덜 맞는 것이 아니라 빠르게 달릴 때 비를 조금 맞긴 해도 가장 적은 양을 맞는다는 것을 알아냈습니다. 이는 곧 뚱뚱하면 뚱뚱할수록 빠르게 달려야 비를 덜 맞는다는 것입니다.

 지금까지 두 가지 사고실험에 대해 알아봤는데요, 꼭 직접 해보지 않아도 결과를 추측할 수 있는 사고 실험해 대해 조금 더 알게 되었을 것입니다.

앞으로 여러분도 실생활에서 사고 실험을 활용해 보세요.