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물리학
물리학(物理學, physics)은 물질과 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다. 가장 기초적인 과학의 한 분야로, 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떤 식으로 운동하는가를 논리적으로 이해하는 것 즉, 모든 물체의 운동 원리를 규명하는 것이다. 즉, 인간이 과거 철학을 통해 자연법칙에 대해 물어왔던 근본적인 질문들이 오늘날 물리학을 통해 해결되고 있다.
2천 년 이상의 기간 동안 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철학의 일부였지만, 17세기 과학 혁명 이후 엄격한 과학적 방법을 사용하여 경험적 지식만을 다루게 되면서 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문으로 자리잡게 되었다.
유럽 언어에서 물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 고대 그리스어: φύσις 피시스에서 유래하였다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 《자연학》(Φυσικῆς ἀκροάσεως)에서 여러 가지 운동에 대해 설명하였다. 아리스토텔레스 이후 서양 언어에서는 물체의 운동과 그에 미치는 힘 등을 연구하는 학문을 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었다. 예를 들어, 영어: physics 피직스, 프랑스어: physique 피지크, 독일어: Physik 퓌지크 등이다. 한자 문화권의 물리(物理)라는 낱말은 메이지 시대 일본에서 난학이라 부르던 네덜란드를 중심으로 한 서양 문물을 도입하는 과정에서 만들어졌다.
갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 수리 모형(數理 模型)을 통해 설명하고자 하였다. 아이작 뉴턴은 고전 역학을 수립하였다. 조제프루이 라그랑주와 같은 학자들은 물리학에서 다루는 모든 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였다. 현대 물리학에서도 수리 모형은 예측과 가설 검증의 주요한 수단으로 사용된다. 특히 물리학이 다루는 수리 모형과 관련된 연구를 하는 학문을 수리물리학이라고 한다.
고전 역학의 성립으로 천체에서부터 사과와 같은 작은 것에 이르기까지 대부분의 물체가 나타내는 운동을 설명하고 예측할 수 있게 되자, 충분한 조건만 주어진다면 우주에 있는 모든 것의 상태를 물리학을 통하여 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 널리 받아 들여지기도 하였다. 그러나 20세기 초, 원자•분자•소립자 등 미시 세계를 다루는 양자역학이 발달하면서 자연 현상의 예측에는 본질적으로 불확실성이 있음이 알려졌다. 20세기 후반에 발전한 혼돈 이론에서는 양자역학이 다루는 미시 세계에서 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시 세계에서도 예측 불가능성이 있을 수 있다는 점이 밝혀졌다. 이는 미시 세계에서 나타나는 불확실성과는 다른 것으로 초기 조건을 완벽히 알 수 없다는 점에 기인한다.
현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉜다. 다루는 대상에 따라 기본 입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자 물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체 물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론 물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험 물리학으로 구분되기도 한다. 또한, 역학, 전자기학, 광학과 같이 특정한 분야별로 나뉘어 불리기도 한다. 한편, 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과도 학제 간 연구가 활발히 이루어지고 있다. 물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학 (Elementary Science)이라고 불린다.
목차
범주와 목표
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다.
물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다. 그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시키는 판단을 한다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.
역사
인류가 도구를 사용한 이래 물리학적 지식은 생활의 여러 방면에 이용되어왔다. 선사 시대에 이미 빗면, 지레, 바퀴와 같은 단순 기계들을 이용하여 집을 짓고 물건을 운반하며 여러 가지 도구를 만들어 사용하였던 것이다. 또한, 천체를 관측하여 돌이나 고인돌에 새기기도 하였다. 문자가 발명된 이후 여러 고대 문명에서 물리학적 지식을 기록하고 후대에게 가르쳐왔다. 고대 그리스의 자연 철학은 자연에 대한 일반적인 설명을 시도하였다는 측면에서 물리학을 본격적인 학문으로 구축하였다고 볼 수 있다.
중세 시기에도 기계를 개선하고 다양한 방면에 물리학적 지식을 사용하였다. 한편, 알하이탐과 같은 12세기 무렵의 이슬람 과학자들은 자연 현상을 경험적 방법을 통해 관찰하고 기록하여 과학적 방법의 기초를 마련하였다. 르네상스 시기에 들어 서양의 여러 학자들 역시 고대 그리스 시대의 지식을 새롭게 발견하는 한편, 이슬람 과학의 영향을 받아 실험을 중요하게 여기기 시작하였다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견하였고, 이를 수학적 모형으로 서술하여 이후 물리학 발전에 큰 영향을 주었다.
16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 많은 사람들이 물리학의 발전에 공헌하였는데, 르네 데카르트의 직교 좌표계 도입은 큰 의미를 갖는다. 아이작 뉴턴이 완성시킨 고전 역학은 자연에 대한 이해를 새롭게 하였고, 눈으로 볼 수 있는 크기의 모든 물체의 운동에 대해 잘 들어맞는 모형을 제시하였다. 프랑스 수학자 조제프루이 라그랑주는 물리학이 다루는 모든 자연 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였으며 라그랑주 역학을 만들었다. 이어 수 많은 물리학자와 수학자들이 물리 현상을 정확히 설명하는 수리 모형을 발견해 나갔다. 소피 제르맹은 탄성에 대한 방정식을 발견하였고, 레온하르트 오일러는 달의 보다 정확한 위치를 계산하는 알고리즘을 개발하였다. 이러한 수리 모형 수립의 노력은 끊임없이 계속되어 18세기와 19세기를 거치면서 현재 고전물리학이 다루는 대부분의 자연 현상에 대한 수리 모형이 확립되었다. 한편, 과학 혁명 이후 물리학의 발전으로 다양한 자연 현상에 대한 연구와 발견이 이루어졌고 전자기학, 열역학이라는 다른 분야들이 수립된다.
20세기 초, 물리학은 새로운 패러다임의 변화를 겪게 되었다. 한 편에서는 알베르트 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하여 고전 물리학에서 불변량으로 다루어져왔던 시간과 공간(장소)은 더 이상 불변량으로 다루어지지 않고 고전역학의 절대 시간과 절대 공간의 개념은 폐기되었다. 헤르만 민코프스키가 시간과 공간(장소)가 기하학적으로 통합된 민코프스키 시공간을 도입하면서 더 이상 시간과 장소가 독립적으로 여겨지지 않고 통합된 시공간의 개념으로서 다루어지게 되었다. 다른 한 편에서는 흑체복사의 연구에서부터 시작된 양자역학의 출현으로 우주를 이루는 물질의 상태에 대한 일반적 설명에 근본적인 변화가 불가피하게 되었다.
20세기 후반에 들어 물리학은 다양한 세부 분야로 세분되는 한편, 혼돈 이론, 통일장 이론, 초끈이론과 같은 새로운 이론 물리학 가설들이 생겨났다. 물리학에는 여전히 미해결 문제가 있고 이를 해결하기 위해 많은 물리학자들이 노력하고 있다.
핵심 이론
물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 이들 이론에 대한 연구는 여전히 활발히 지속되고 있지만, 그 중에 근본적으로 잘못된 이론이 있으리라고 믿는 물리학자는 거의 없다. 물리 연구의 기본 도구 역할을 하는 이 이론들 각각은 그 적용 범위 내에서 기본적으로 옳은 것으로 믿어지고 있는데, 예를 들어 원자보다 크고 천체에 비해 매우 가벼우며 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 일상적인 물체의 움직임은 고전역학으로 비교적 정확히 기술된다. 이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
이론 주요논제 개념 고전역학 뉴턴의 운동법칙, 라그랑주 역학, 해밀턴 역학, 혼돈 이론, 음향학, 유체역학, 연속체 역학 차원, 공간, 시간, 운동, 길이, 속도, 질량, 운동량, 힘, 에너지, 각운동량, 돌림힘, 보존 법칙, 조화 진동자, 파동, 일, 일률, 전자기학 정전기학, 전기, 자기, 맥스웰 방정식, 광학 전하, 전류, 전기장, 자기장, 전자기장, 전자기파, 자기홀극 열역학과 통계역학 열기관, 기체분자운동론, 상전이, 임계현상 볼츠만 상수, 엔트로피, 자유에너지, 열, 상태합, 온도 상대성이론 특수상대성이론, 일반상대성이론 등가 원리, 사차원 운동량, 기준좌표계, 시공간, 빛의 속도 양자역학 경로 적분 형식, 슈뢰딩거 방정식, 불확정성 원리, 양자 마당 이론 해밀토니언 연산자, 동일입자, 플랑크 상수, 양자 얽힘, 양자 조화 진동자, 파동함수, 영점 에너지
고전 물리학과 현대 물리학의 차이
물리학은 우주의 법칙을 알아내기 위한 학문이지만, 물리학의 이론은 그것이 적용 가능한 범위 내에 있다. 쉽게 말해서, 고전 물리학의 법칙들은 크기가 원자보다 크고 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 계에 대해 설명한다. 이 범위를 벗어나면, 관측 결과는 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않게 된다. 알베르트 아인슈타인은 절대 공간과 시간의 개념을 시공간의 개념으로 대체하고 빛의 속도에 근접한 구성요소를 갖고 있는 계에 대한 더 정확한 설명을 가능하게 해준 특수 상대성이론을 제시했다. 막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등을 필두로 한 양자역학은 개연론에 의거한 입자와 상호작용에 대한 개념을 제공했고, 이는 원자나 원자보다 작은 크기에 대한 정확한 설명을 가능하게 했다. 후에 양자장론은 양자역학과 특수 상대성이론을 통일했다. 일반 상대성이론은 동적이고 구부러진 시공간에 대해 서술함으로써 매우 무거운 계나, 거대한 천체에 대해 설명할 수 있게 해준다. 일반 상대성이론은 아직 다른 이론과 통일되지 않았지만, 여러 양자중력이론의 후보 이론들이 성장하고 있다.
연구 분야
물리학에서의 현재 진행 중인 연구 분야는 대략 응집 물질 물리학, 원자 분자 광 물리학(AMO), 입자 물리학, 천체 물리학, 지구 물리학, 생물 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과들은 물리 교육학의 연구를 지원하기도 한다. 20세기 이래로, 물리학의 개별 연구분야는 점점 더 전문화해지면서, 현재에는 대부분의 물리학자들이 평생동안 한 분야에서만 일을 하고 있다. 여러 물리 분야에서 연구했던 알베르트 아인슈타인 (1879-1955)나 레프 란다우 (1908-1968)과 같은 사람들은 이제는 매우 드물다.
작은 공간
작은 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 끈 이론과 양자론 등이 여기에 속한다. 아주 작은 공간이 아닌 분자수준의 공간은 화학이 서술하는 경우가 많다. 고전 물리학 시대엔 주로 빛과 화학을 연구하였으며, 원자 단위를 연구한것은 비교적 최근의 일이다.
큰 공간
큰 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 아주 큰 범위로는 우주 전체부터 작은 범위로는 일상적으로 눈에 보이는 범위까지이다. 천체물리학과 역학 등이 여기에 속한다.
생물리학
물리학적 관점에서 생물학을 연구하기도 한다. 이를 생물리학이라고 부른다. 보통 어떤 한생명체를 두고 구조 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다. 혹은 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.
응집 물질
응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 성질들을 다루는 물리 분야이다. 특히, 계의 구성 성분요소들의 수가 극히 많고 요소들간의 상호작용이 강할 때 나타나는 "응집된" 상태들에 주로 관심을 갖는 분야이다.
가장 익숙한 응집 상태의 예로는 고체와 액체를 들 수 있는데, 이들은 원자들 사이의 결합과 전자기력에 의해 생겨나는 것이다. 보다 특이하고 흥미로운 응집 상태로는 아주 낮은 온도에서 특정한 원자계에서 발견되는 초유체와 보스-아인슈타인 응축상, 특정한 물질에서 전도 전자들에 의해 나타나는 초전도상, 원자 격자에서의 스핀의 정렬에 따른 강자성과 반강자성상 등을 들 수 있다.
응집 물질 물리학은 현재의 물리 분야 중에서 가장 큰 분야를 형성한다. 역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 성장해 나왔고, 여전히 고체 물리학이 주된 세부 분야중의 하나이다. "응집 물질 물리학"이라는 용어는 필립 앤더슨이 본인의 연구 그룹의 이름을 변경하면서 1967년에 창작한 용어로 보인다.
1978년에 미국 물리학회의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름을 변경하였다. 응집 물질 물리학은 화학, 재료과학, 나노 기술, 그리고 공학과 관련성이 많다.
물리학의 분류
자연 현상에 대한 보편 법칙을 찾고자 하는 물리학은 모든 물질 세계, 즉 모든 자연 현상을 연구 대상으로 하는데, 연구 대상의 크기에 따라서 세분화되어 있다. 또 어떤 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 가지고 자연 현상을 설명하느냐, 즉 연구 방법에 따라서도 분류할 수 있다.
대상에 따른 분류
- 입자물리학(particle physics): 고에너지물리학이라고도 한다. 양성자, 중성자, 전자 따위의 기본입자, 곧 렙톤, 하드론 및 쿼크, 게이지입자 따위를 다루는 분야이다.
- 핵물리학(nuclear physics): 원자핵의 구조, 상호작용을 다루는 분야이다.
- 원자분자물리학(atomic and molecular physics): 원자 및 분자 물리학이라고도 한다.
- 응집 물질 물리학(condensed matter physics): 고체물리학으로 통칭되는 경우도 있다. 원자나 분자가 엄청나게 많은 수가 모여야 비로소 우리가 감각기관으로 경험하는 물질이 된다. 그런 물질을 응집물질(condensed matter)이라고 부르고, 이를 다루는 분야를 응집물질물리학이라고 한다.
- 플라스마물리학(plasma physics) : 온도를 매우 높이면 원자나 분자에서 전자가 일부 떨어져 나가고 물질은 전기를 띤 이온들로 이루어지게 되는데, 이러한 플라스마(plasma) 상태의 물질을 다루는 분야다. 한편 응집물질 중에서 액체나 기체 등 유체를 다루는 유체물리학(fluid physics)과 함께 분류하기도 한다.
- 광학(optics) : 빛에 대해 연구하는 분야다. 일반적으로 빛과 관련된 물질 현상은 원자나 분자에 의한 빛의 흡수 및 방출을 통해 생겨나므로 광학은 원자분자물리학과 밀접한 관련이 있다.
- 비선형광학
- 양자광학
- 천체물리학, 우주론 : 천체물리학은 우주를 다루는데 그 안에는 기본입자, 원자핵, 원자와 분자, 그리고 별이나 은하 등 응집물질도 있다. 따라서 천체물리학은 입자물리부터 응집물질물리까지 전체의 종합이라고 생각할 수 있다.
- 지구물리학, 해양물리학, 대기역학 : 지구물리학은 많은 경우에 분자와 응집물질물리에 가깝다.
- 화학물리학: 화학 쪽에서는 물리화학이라고 한다. 화학은 주로 분자 수준의 현상을 다룬다. 따라서 화학물리학은 분자물리학과 밀접한 관련이 있다.
- 생물물리학
연구 방법(이론 체계)에 따른 분류
- 동역학(dynamics) : 동역학 중에서 가장 대표적이고 널리 알려진 것이 17세기 뉴턴의 고전역학이다. 그 다음에 20세기에 만들어진 양자역학이 있다. 동역학에서는 시간과 공간을 어떻게 전제하냐가 중요한 문제인데, 전통적으로 뉴턴 시대의 시간과 공간 개념에 따라 고전역학이 만들어졌고, 양자역학도 마찬가지로 시작되었다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론에 의한 시공간 개념에 따라 고전역학과 양자역학을 만들 수도 있다. 이에 따라 상대론적 (고전)역학, 상대론적 양자역학이 만들어져서, 비상대론적 고전역학, 비상대론적 양자역학과 대비된다.
- 통계역학 : 역학으로부터 구축되는데 고전역학에 기초를 둘 수도 있고, 양자역학에 기초를 둘 수도 있으나, 엄밀하게는 양자역학에 기초를 두어야 일관성이 있는 이론 체계를 얻을 수 있다. 통계역학을 써서 다양한 현상을 기술하는 분야를 흔히 통계물리(statistical physics)라고 부른다.
- 장이론(field theory): 동역학에서는 대상을 입자라고 가정하고서, 힘이 주어졌을 때 입자가 어떻게 운동하는지 다룬다. 이와 달리 대상을 입자 대신에 장(場)으로 상정하고, 이론을 전개할 수도 있는데, 이를 장이론이라고 부른다. 동역학에서 고전역학과 양자역학 구분과 마찬가지로 장이론도 고전장이론, 양자장이론으로 구분한다. 한편 장이론은 통계역학과 비슷한 면이 있어서 관련을 지을 수 있다.
- 고전장이론
- 양자장이론
- 정역학(statics)
기타
물리학 연구는 일반적인 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 세우는 것, 그 이론 체계를 이용하여 알려진 자연 현상을 설명하는 것, 알려지지 않은 새로운 현상에 대한 예측과 실험, 관찰을 통해 그 예측을 검증하는 것으로 이루어져 있다. 이 중 이론 체계 연구를 하는 것을 이론물리학, 실험과 관찰을 하는 것을 실험물리학이라고 한다.
참고자료
같이 보기
