A. 시간과 공간

1. 시간과 공간

우리 주변의 자연 현상은 시간과 공간으로 설명할 수 있다.

① 규모(scale)
- 어떤 자연 현상의 크기 범위를 말하며, 자연에서 일어나는 현상들은 시간 규모와 공간 규모가 매우 다양하다.

② 미시 세계와 거시 세계
- 자연 세계는 크게 미시 세계와 거시 세계로 구분할 수 있다.

미시 세계	거시 세계
인간의 감각으로 관찰할 수 없는 세계	인간의 감각으로 관찰할 수 있는 세계
원자 수준의 아주 작은 규모의 세계 예) 원자, 분자, 이온 등	미시 세계보다 훨씬 큰 규모의 세계 예) 나무, 암석, 태양계, 은하, 우주 등

• 미시 세계는 시간 규모로 나노 초 이하 단위를 사용하고, 공간 규모로 나노미터 이하 단위를 사용한다.
• 거시 세계는 시간 규모로 초, 분 등의 단위를 사용하고, 공간 규모로 미터, 천문단위 등의 단위를 사용한다.
• 미시 세계 예) 수소 원자의 지름: 약 0.1 nm(나노미터), 전자가 원자핵 주위를 도는 데 걸리는 시간: 약 150 as (아토초)
• 거시 세계 예) 지구와 태양 사이의 거리: 1 AU(천문단위), 지구가 공전하는 데 걸리는 시간: 365일

③ 자연 현상의 탐구
- 자연 현상의 규모에 따라 적절한 방법으로 시간과 공간을 측정해야 한다.

2. 시간과 공간의 측정

① 과거의 측정 방법
- 주로 거시 세계의 시간과 길이 측정만 가능했다.
• 시간 측정 : 옛날에는 태양의 위치나 달의 모양 변화 등 천문학적 현상을 이용하여 시간을 나타냈고,
그 후 앙부일구, 진자시계등과 같은 도구를 이용하여 시간을 측정했다.
• 길이 측정 : 옛날에는 신체 일부의 길이나 일정한 길이의 막대 등(손가락 마디의 길이, 발걸음 폭 등)을 이용하여 길이를
측정했고, 그 후 눈금이 표시된 자를 이용하여 측정했다.

② 현대적 측정 방법
- 원자나 우주와 같은 규모에서 일어나는 현상을 측정할 수 있다.
• 시간 측정 : 원자에서 나오는 빛의 진동수를 이용하는 세슘 원자시계로 시간을 정밀하게 측정한다.
(중력이나 온도 등 외부 영향을 받지 않아 정확도가 매우 높다.)
• 길이 측정 : 빛의 속력이 일정함을 이용하여 빛이 왕복한 시간을 재거나, 물체에서 반사되어 돌아오는 두 빛을 비교하여
길이를 정밀하게 측정한다.

# 정밀한 길이 측정을 위해서는 정밀한 시간 측정 기술이 필요하다.

3. 현대의 측정 기술

- 시간과 공간 측정 기술이 발전되어 다양한 규모의 측정이 이루어지고, 시간과 공간에 대한 인간의 경험 범위가 확장되었다.
(예: 눈에 보이지 않는 바이러스를 발견하고, 직접 가보지 않은 외부 은하에 대해 알게 되었다.)

측정 기술	특징
위성 위치 확인 시스템(GPS)	넓은 영역에서 위치를 확인하고 미세한 이동 거리도 측정할 수 있다.
전자 현미경	광학 현미경보다 높은 확대율로 나노 단위로 물체를 관찰할 수 있다.
초고속 투과 전자 현미경	원자나 분자 내부의 움직임을 나노초 이하 단위까지 측정할 수 있다.
원자 힘 현미경	시료 표면의 원자를 촬영하여 원자의 크기를 측정할 수 있다.
우주 망원경	허블 망원경이나 제임스 웹 우주 망원경을 이용하여 멀리 있는 천체의 나이와 거리를 더 정확하게 측정할 수 있다.

B. 기본량과 단위

1. 기본량

자연 현상을 설명하기 위해 사용하는 물리량 중에서 가장 기본이 되는 양
• 시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 광도, 물질량으로, 총 7개의 기본량이 있다.
• 기본량은 다른 물리량을 활용하여 표현할 수 없다.

2. 기본량의 단위

① 국제단위계(SI)
- 기본량의 단위로 7개의 기본 단위를 정의하며, 현재 대부분의 국가에서 사용하고 있다.
(과학, 기술, 산업, 무역 등 다양한 분야에서 통용되는 표준 단위 체계이다.)

기본량	단위	기호
시간	초	s
길이	미터	m
질량	킬로그램	kg
전류	암페어	A
온도	켈빈	K
광도	칸델라	cd
물질량	몰	mol

※ 온도의 단위: 일상생활에서는 °C(섭씨도)를 사용하지만 과학에서 온도의 기본 단위는 K(켈빈)을 사용한다.

② 기본 상수와 단위 정의
- 국제단위계는 시간이 지나도 변하지 않는 기본 상수를 구하는 실험 방법을 사용하여 기본량의 단위를 정의한다.
기본 상수를 구하는 방법이 발명되면 기본량의 단위에 대한 정의가 변경될 수 있다.

③ 기본량의 확립 과정
• 미터법 제정
- 1790년경 프랑스에서 미터법이 제정되어 길이는 m(미터), 질량은 kg(킬로그램)을 기본 단위로 한 단위법이 생겨났다.
• 국제미터협약 체결
- 1875년에 17개국이 참여한 미터협약을 통해 미터법은 국제적인 단위 체계로 발전하게 되었고,
미터협약 이후 시간, 전류, 온도, 광도, 물질량이 추가되어 7개의 기본량으로 확립되었다.
• 국제단위계 확립
- 1960년 국제도량형총회에서 단위 체계를 정비하여 국제단위계로 통일하였다.

3. 유도량과 단위

① 유도량: 기본량으로부터 유도된 물리량
② 유도량의 단위: 기본량의 단위를 조합하여 나타낸다.
(과학에서 사용하는 유도량의 단위는 7개의 기본량의 단위를 곱하거나 나누어서 나타낼 수 있다.)

유도량	단위	설명
넓이	m²	가로, 세로 길이의 곱
부피	m³	가로, 세로, 높이 길이의 곱
속력	m/s	단위 시간당 이동한 거리
가속도	m/s²	단위 시간당 속도 변화량
밀도	kg/m³	단위 부피당 질량
압력	kg/m·s²	단위 면적에 수직으로 작용하는 힘
농도	mol/m³	단위 부피당 물질량
힘	kg·m/s²	질량 × 가속도 (F=ma)

4. 단위의 접두어 기호

- 측정하는 물리량의 크기가 아주 크거나 작은 경우 간단하게 나타내기 위해 단위 앞에 접두어 기호를 함께 사용한다.

접두어	기호	의미
나노	n	10⁻⁹
마이크로	μ	10⁻⁶
밀리	m	10⁻³
센티	c	10⁻²
헥토	h	10²
킬로	k	10³
메가	M	10⁶
기가	G	10⁹

예) 1 mg = 0.001 g (m(밀리)는 0.001을 뜻함)
1 km = 1000 m (k(킬로)는 1000을 뜻함)

5. 단위 환산 예시

• 1 nm = 10⁻⁹ m
• 1 AU ≒ 1억 5천만 km
• 1 as = 10⁻¹⁸ s

6. 표준화된 단위의 중요성

• 자연 현상을 설명하는 데 유용하고, 정확한 정보를 전달할 수 있다.
• 과학 탐구에서 일관된 단위로 측정하고 결과를 정리하면 단위 환산 없이 계산할 수 있다.
• 다른 장소에 있는 과학자들이 동일한 현상을 측정할 때 같은 결과를 얻고, 상호 교류와 이해를 쉽게 할 수 있다.