물리학

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物理學 / physics

1 개요[편집]

물리학은 과학의 분야인데 자연에서 법칙을 발견하고, 정리하고, 그것을 기반으로 예측을 하는 학문이다. 물리(物理)라는 한자를 그대로 해석하면, 만물의 이치라는 뜻이 된다. 그 말대로 '이치를 밝혀 내려 노력하는 학문'이 물리학이다. 철학적인 관점에서는 어떤 대상은 고유한 성질을 갖는 걸로 보는 게 아니라 다른 대상과의 관계를 그 물질의 성질로 보는 관점이 강한 특성을 갖는다.

공학과도 관계가 깊은데, 물리학이 발견한 새로운 기술이나 법칙 등을 가공, 응용해 실생활에 적용시키면 공학이 된다. 예를 들어 자이로스코프의 원리 자체는 물리의 분야이지만, 이것을 어떻게 정밀하게 만들어 어떤 식으로 적용해야 선박이나 항공기에서 사용할 수 있을지를 연구하는 것은 공학이다.

모든 학문에서는 적은 양의 법칙으로 세계를 완전히 설명하는 것을 이상적으로 보지만, 자연과학 치고 그런 게 될 거란 희망이라도 있는 학문이 물리학 뿐이기 때문에 물리학자들은 이 목표에 더 정진하고 있다. 어떤 현상을 설명하는 두 가지 이론이 있을 때, 더 많은 현상을 설명할 수 있는 이론을 고른다는 뜻이다. 또 이미 제시된 여러 가지 이론을 통합하려 노력한다. 이 노력의 궁극체가 TOE(Theory Of Everything), 즉 모든 것의 이론이라는 뜻이다.

2 역사[편집]

2.1 고대[편집]

다른 자연과학과 마찬가지로 이땐 다른 학문의 일부였다. 서양에선 철학의 일부였다. 다만 아리스토텔레스의 삽질은, 물리학점의 입장으로서는 차이가 있다.

2.2 고대 이후, 뉴턴 이전까지[편집]

실험을 통한 비판적 검증이라는 과학의 중요한 특성이 아직 확립되지 않은 시절이었기에 고대의 이론이 비판없이 그대로 전승되었기 때문에 다른 자연과학과 마찬가지로 발전의 속도가 매우 더뎠다.

2.3 고전역학 발전기[편집]

갈릴레이케플러가 한 시도들을 뉴턴이 하나로 모아 현재 뉴턴역학이라고 부르는 '일상적인' 물리법칙(a.k.a 뉴턴의 3대 운동 법칙)으로 정리했고, 이에 필요한 수학적 개념(대표적으로 미적분)도 만들었다.

전기와 자기에 대한 패러데이 등의 과학자들이 실시한 여러 실험들을 통해 둘이 서로를 만들어낼 수 있다는 것이 밝혀지고, 이를 맥스웰이 4개의 수학적인 식으로 이론화하여 전자기학을 창시하는데 성공한다.

파동에 대해서는 호이겐스의 원리가 창시되어 굴절, 회절, 간섭 등등의 설명을 할 수 있게 되고, 이 원리를 이용하여 이 거시세계에서 보이는 여러 성질들을 증명하기에 이른다. (영의 이중슬릿 실험이 기념비적인 사건이었다.)

다만 뉴턴역학과 맥스웰 전자기학의 충돌은 고전물리학에서는 설명될 수 없는 것이었고, 빛은 파동이면서 동시에 입자임이 밝혀진다. 이 모순점을 해명하는 과정이 20세기의 물리학 발전사이다.

2.4 뒤집어진 판[편집]

독일의 광업 발달에 의해 필요해진 흑체가 방출하는 에너지에 대한 이론적 설명을 확립하려는 노력이 있었는데, 기존의 역학에 기반한 설명으론 총 에너지가 무한하다는 결론이 나왔다. 플랑크는 에너지가 어떤 단위크기로만 출입한다는 가정을 도입해 이를 해결했는데, 본인도 별거 아닌 듯 넘긴 이 가정에서 양자역학이 태어난다.

뉴턴이 제1법칙으로 도입했고 누구나 쉽게 받아들일 수 있는 개념으로 상대성, 혹은 물리법칙의 공간대칭성이라는 성질이 있다. 어디서나, 누가봐도 관측자가 힘을 받아 변화하는 상태가 아니라면 물리법칙은 같다는 것. 그런데 전자기학에서 전자기파의 속력을 유도하면 상수가 나오는데, 이는 어떤 속도로 이동하는 관측자가 봐도 마찬가지라는 결과가 나와버린다. 빛을 따라 빛의 속도로 달리는 관측자가 봐도 빛은 멈춰보이지 않는다는 것. 이것을 아인슈타인은 관측자간 공간좌표변환방식이 직관과 다르기 때문에 그렇다고 설명해내며 특수상대성이론을 만들고, 일반상대성이론으로 중력의 원인과 이에 의한 시간의 변화를 설명해낸다.

2.5 현재[편집]

우리가 흔히 볼 수 있는 세계는 이미 충분히 설명되었기 때문에, 현대의 물리학자들은 눈에 보이지도 않을 만큼 크고 아름다운 우주상대성이론이 마찬가지로 보이지도 않을 만큼 양자 세계로 파고들거나 하고 있다. 최종목적은 모든 것의 이론을 완성하는 것이다. 그 오래된 후보로 초끈이론이 있으나 성과는 지지부진하고, 양자중력 이론 등등의 소수설도 꾸준히 연구되고 있다. 이것도 이론물리학 얘기고, 실험물리학쪽은 저런 것들을 가지고 실험을 한다.

다만 유체만큼은 아직 제대로 설명하지 못하고 있다. 유체의 움직임을 나타내는 방정식의 일반해를 찾지 못했기 때문인데, 바로 나비에-스톡스 방정식이 그것이다. 덕분에 우리는 유체의 운동을 정확히 예측할 수 없고, 단지 근사값만 알 수 있을 뿐이다.

3 분류[편집]

각 분과마다 이론과 실험의 두 가지 방법론 구별이 있다. 이론물리학은 수학 등으로 현실을 설명하는 모델을 만들고, 실험물리학은 이론을 실험적으로 증명하거나 이론의 재료가 되는 실험데이터를 수집한다.

  • 고전역학: 일상적인 수준에서는 큰 문제가 없다. 더 정확한 이론을 사용하려면 계산량이 급증하나 결과가 일상에선 별 차이 없기 때문에 독립적 연구분야는 더 이상 아니지만 계속 사용중. 심지어 최신이론의 기초모델은 따지고보면 고전역학적 모델이더라 하는 경우도 있다.
    • 유체역학 : 유체의 운동에 대해 다루는 부분. 정확한 유체의 운동값은 고전역학에서도 풀지 못한 최대 난제.
    • 열역학 : 과 관련된 에너지를 다루는 학문. 여기서 심화과정으로 들어가면 양자역학까지 연결된다.
  • 전자기학: 자기장, 전기장, 전자기파에 대한 부분. 상대성이론이 여기서 기원했다.[1]
    • 광학: 전자기학이 다루는 주 대상인 빛에 대해 더 파고든 분야.
  • 상대성 이론: 고전역학전자기학이 물리법칙이 어디서나 같아야 한다는 상대성의 형태에서 충돌하는 것을 해결하는, 수정된 역학. 양자역학과 충돌하는 개념이 있어 둘의 통합이 물리학계의 현재 목적 중 하나다.
  • 양자역학: 미시적인 대상을 다룬다. 파동/입자 2중성이나 배타원리, 불확정성 원리 등 직관과 다른 부분이 유명하다. 크게 대상을 파동으로 보느냐, 행렬로 보느냐의 달라보이지만 같다고 증명된 접근방식으로 나뉜다.[2]
  • 고체물리학: 고체의 성질을 다룬다. 시시하게 봐선 안 되는 게 반도체초전도체, 그래핀 등의 연구가 이쪽 분과.
  • 유체역학: 물, 기체 등의 유체를 다룬다. 별거 없어 보이지만 물리학과 수학의 최대 난제 중 하나가 버티고 있기도 하다.
  • 통계물리학: 대량의 대상을 통계적으로 취급한다. 다른 모든 분과에 적용가능한 취급방법론이기도 하다.
  • 열역학: 정확히는 하위분과가 아니라 통계물리의 프로토타입으로, 통계물리가 이 열역학에 원자론을 적용한 데서 시작되었다.
  • 초끈이론: 모든 물질이 0차원의 입자가 아닌 1차원의 끈으로 이루어져 있고 끈의 모양과 파동에 따라 입자의 종류가 달라진다는 이론이다. TOE의 유력한 후보중 하나이다.

4 기타[편집]

리브레 시리즈에 관련 강좌가 있습니다.

아인슈타인이 천재라 불리는 이유 중 하나는 양자역학, 상대성이론, 통계역학 모두에 중요한 연구를 적어도 하나 이상씩은 했고, 19세기의 에픽급 설정구멍을 해소하는 데 아인슈타인이 없으면 안 되는 수준이기 때문이다. 이 모든 것의 시초가 되는 연구는, 아인슈타인이 교수도 연구원도 아니고 특허청 공무원이던 시절에 이뤄졌다.

5 각주

  1. 이 고전역학과 전자기학을 한데 묶어 "고전물리학"이라고 부르는 경우가 많다.
  2. 위의 "고전물리학"과 대비되는 개념으로 양자역학을 "현대물리학" 부르는 경우가 있다.