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물리학

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물리학
물리학이 다루는 여러 자연 현상
파일:CollageFisica.jpg
주요 개념
물질, 힘, 에너지,
운동, 기본 상호작용
주요 분야

물리학(한국 한자: 物理學, 영어: physics)은 물질과[1] 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다.[2] 물리학은 가장 근본적인 과학 분야 중 하나이다.[3][4][5] 물리학 분야를 전문으로 하는 과학자를 물리학자라고 부른다.

물리학은 가장 오래된 학술 분야 중 하나이다.[6] 지난 2천 년 동안, 물리학, 화학, 생물학, 그리고 특정 수학 분야는 자연 철학의 일부였으나, 17세기 과학 혁명 기간 동안 이러한 자연 과학들은 독립된 연구 분야로 분화되었다. 물리학은 생물 물리학이나 양자 화학과 같은 많은 학제 간 연구 분야와 교차하며, 물리학의 경계는 엄격하게 정의되어 있지 않다. 물리학의 새로운 아이디어들은 종종 다른 과학들에서 연구되는 근본적인 메커니즘을 설명하고[7]수학 및 철학과 같은 이 분야들 및 다른 학술 분야들에서 새로운 연구 방향을 제시한다.

물리학의 발전은 종종 새로운 기술을 가능하게 한다. 예를 들어, 전자기학, 고체물리학, 핵물리학에 대한 이해의 발전은 텔레비전, 컴퓨터, 가전제품, 핵무기와 같이 현대 사회를 변화시킨 기술의 개발로 직접 이어졌다.[8] 또한, 열역학의 발전은 산업화의 발전을 이끌었으며, 역학의 발전은 미적분학 개발에 영감을 주었다.

유럽 언어에서 물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 고대 그리스어: φύσις 피시스[*]에서 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.[9]

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 있게되자, 충분한 조건만 주어진다면 우주에 있는 모든 것의 상태를 물리학을 통하여 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 널리 받아들여지기도 하였다. 그러나 20세기 초, 원자·분자·소립자 등 미시세계를 다루는 양자역학이 발달하면서 자연 현상의 예측에는 본질적으로 불확실성이 있음이 알려졌다. 20세기 후반에 발전한 혼돈 이론에서는 양자역학이 다루는 미시세계에서 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시세계에서도 예측 불가능성이 있을 수 있다는 점이 밝혀졌다. 이는 미시세계에서 나타나는 불확실성과는 다른 것으로 초기 조건을 완벽히 알 수 없다는 점에 기인한다.

현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉜다. 다루는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험물리학으로 구분되기도 한다. 또한, 역학, 전자기학, 광학과 같이 특정한 분야별로 나뉘어 불리기도 한다. 한편, 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과도 학제간 연구가 활발히 이루어지고 있다. 물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학 (Elementary Science)이라고 불린다.

"나는 이제 늙었고, 죽어 천국에 가면 깨달음을 얻고 싶은 두 가지 문제가 있다. 하나는 양자 전기역학이고, 다른 하나는 유체의 난류이다. 그리고 전자(양자 전기역학)에 대해서는 꽤 낙관적이다."

역사

물리학(physics)이라는 단어는 라틴어 physica('자연에 대한 연구')에서 유래했으며, 이는 다시 그리스어의 φυσική(phusikḗ '자연 과학')를 차용한 것이다. 이 용어는 φύσις(phúsis '기원, 자연, 속성')에서 파생되었다.[10][11][12]

고대 천문학

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고대 이집트의 천문학은 이집트 제18왕조에 속하는 세넨무트의 무덤 천장과 같은 기념물에서 분명하게 나타난다.

천문학은 가장 오래된 자연 과학 중 하나이다. 기원전 3000년 이전의 초기 문명들(예: 수메르인, 고대 이집트인, 인더스 문명)은 태양, 달, 별의 움직임에 대한 예측적 지식과 기본적인 인식을 가지고 있었다. 신을 상징한다고 여겨진 별과 행성들은 흔히 숭배 대상이었다. 관찰된 별의 위치에 대한 설명은 종종 비과학적이고 증거가 부족했지만, 이러한 초기 관찰은 이후 천문학의 토대를 마련했다. 왜냐하면 별들은 하늘을 가로지르는 대원(great circles)을 따라 이동하는 것으로 밝혀졌지만,[6] 이는 행성의 위치를 설명할 수 없었기 때문이다.

아스거 아보에(Asger Aaboe)에 따르면, 서양 천문학의 기원은 메소포타미아에서 찾을 수 있으며, 정밀 과학(exact sciences) 분야의 모든 서양적 노력은 후기 바빌로니아 천문학에서 비롯되었다.[13] 이집트 천문학자들은 별자리와 천체의 움직임에 대한 지식을 보여주는 기념물을 남겼으며,[14] 그리스 시인 호메로스는 그의 일리아스와 오디세이아에서 다양한 천체를 기록했다. 이후 그그리스 천문학자들들은 북반구에서 볼 수 있는 대부분의 별자리에 대해 오늘날까지 사용되는 이름을 부여했다.[15]

자연 철학

자연 철학은 그리스 시대(기원전 650년 ~ 기원전 480년)에서 기원했으며, 탈레스와 같은 소크라테스 이전 철학자들은 자연 현상에 대한 비자연주의적 설명을 거부하고 모든 사건에는 자연적인 원인이 있다고 선언했다.[16] 그들은 이성과 관찰에 의해 검증된 아이디어를 제안했으며, 그들의 가설 중 다수는 실험에서 성공적인 것으로 입증되었다.[17] 예를 들어, 원자론은 레우키포스와 그의 제자 데모크리토스에 의해 제안된 후 약 2000년 만에 올바른 것으로 확인되었다.[18]

아리스토텔레스와 헬레니즘 물리학

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아리스토텔레스
(기원전 384년~322년)

그리스의 고전 시대(기원전 6세기, 5세기, 4세기)와 헬레니즘 시대 동안, 자연 철학은 다양한 탐구 노선을 따라 발전했다. 플라톤의 제자인 아리스토텔레스(그리스어: Ἀριστοτέλης, Aristotélēs, 기원전 384년~322년)는 기원전 4세기에 "물리학"에 관한 상당한 논문을 포함하여 많은 주제에 대해 저술했다. 아리스토텔레스 물리학은 약 2천 년 동안 영향력을 행사했다. 그의 접근 방식은 제한적인 관찰과 논리적 연역적 논증을 혼합했지만, 연역된 진술에 대한 실험적 검증에 의존하지는 않았다. 아리스토텔레스의 물리학에 대한 기초 작업은 비록 매우 불완전했지만, 이후 사상가들이 이 분야를 더욱 발전시키는 토대를 형성했다. 그의 접근 방식은 오늘날에는 완전히 대체되었다.

그는 사원소설(four elements)을 통해 운동(및 중력)과 같은 아이디어를 설명했다. 아리스토텔레스는 네 가지 고전적인 원소(공기, 불, 물, 흙) 각각이 고유한 자연적인 장소를 가지고 있다고 믿었다.[19] 밀도가 다르기 때문에 각 원소는 대기 중의 고유한 특정 장소로 되돌아가게 된다.[20] 따라서 무게 때문에 불이 가장 위에 있고, 그 아래에 공기, 다음은 물, 그리고 마지막으로 흙이 위치하게 된다. 그는 또한 한 원소의 소량이 다른 원소의 자연적인 장소로 들어갈 경우, 더 적은 양의 원소가 자동으로 자신이 속한 자연적인 장소로 이동한다고 주장했다. 예를 들어, 땅에 불이 있다면, 불꽃은 자신이 속해야 할 자연적인 장소로 돌아가려는 시도로 공중으로 올라간다. 그의 운동 법칙에는 더 무거운 물체가 더 빨리 떨어진다는 내용이 포함되었는데, 이때 속도는 무게에 비례하며, 낙하하는 물체의 속도는 물체가 통과하는 매질의 밀도(예: 공기의 밀도)에 반비례한다는 것이었다.[21] 그는 또한 격렬 운동(violent motion, 두 번째 물체가 힘을 가했을 때 발생하는 물체의 운동)에 관해서는, 물체가 움직이는 속도가 그 물체에 가해진 힘의 크기만큼만 빠르거나 강할 것이라고 주장했다.[21] 운동과 그 원인에 대한 문제는 신중하게 연구되었고, 이는 세상의 모든 운동의 궁극적인 근원으로서 "부동의 원동자(prime mover)"라는 철학적 개념으로 이어졌다 (그의 논문 '물리학' 제8권).

중세 유럽과 이슬람

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이븐 알하이탐(Ibn al-Haytham, c. 965년 ~ c. 1040년)은 그의 저서 《광학의 서(Book of Optics)》에서 자신이 수행한 카메라 옵스큐라 실험에 대해 기록했다.[22]

서로마 제국은 5세기에 침략과 내부 부패로 인해 멸망했고, 이는 서유럽 지적 활동의 쇠퇴를 초래했다. 이와 대조적으로, 동로마 제국(일반적으로 비잔티움 제국으로 알려짐)은 침략자들의 공격에 저항하며 물리학을 포함한 다양한 학문 분야를 계속 발전시켰다.[23] 6세기에는 요한 필로포누스(John Philoponus)가 과학에 대한 지배적인 아리스토텔레스적 접근 방식에 이의를 제기했으나, 그의 작업 대부분은 기독교 신학에 초점을 맞추었다.[24]

6세기에 이시도루스(Isidore of Miletus)는 아르키메데스의 저작을 중요한 편집본으로 만들었으며, 이는 아르키메데스 팔림프세스트(Archimedes Palimpsest)에 복사되어 있다. 이슬람 학문은 그리스로부터 아리스토텔레스 물리학을 계승했으며, 이슬람 황금 시대(Islamic Golden Age) 동안 이를 더욱 발전시켰다.

이슬람 학문에서 가장 주목할 만한 혁신은 광학 및 시각 분야였으며,[25] 이는 이븐 사흘(Ibn Sahl), 알-킨디(Al-Kindi), 이븐 알하이삼(Ibn al-Haytham), 알-파라시(Al-Farisi), 아비센나(Avicenna)와 같은 많은 과학자들의 저작에서 비롯되었다. 이븐 알-하이삼은 그의 저서 《광학의 서》(Kitāb al-Manāẓir로도 알려짐)에서 시각 광선에 대한 고대 그리스의 아이디어에 대한 대안으로 광선(light rays) 개념을 제시했다. 프톨레마이오스처럼, 이븐 알-하이삼은 통제된 실험을 적용하여 굴절 및 반사의 법칙을 새로운 광선 개념으로 검증했지만, 여전히 이미지 형성의 개념은 부족했다.[26][27][28]

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카메라 옵스큐라의 기본 작동 방식

과학 혁명

물리학은 근대 초기 유럽인들이 실험적이고 정량적인 방법을 사용하여 오늘날 물리학 법칙으로 간주되는 것들을 발견하면서 하나의 독립적인 과학 분야가 되었다.[29]

이 시기의 주요 발전으로는 태양계의 지구 중심 모델(천동설)을 헬리오센트릭(태양 중심) 코페르니쿠스 모델(지동설)로 대체한 것, (1609년에서 1619년 사이 요하네스 케플러가 결정한) 행성체의 운동을 지배하는 법칙, 16세기와 17세기 갈릴레오의 망원경 및 관측 천문학에 관한 선구적인 연구, 그리고 아이작 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력의 법칙(그의 이름을 따게 될)의 발견 및 통합 등이 있다.[30]

뉴턴과 이와 별도로 고트프리트 빌헬름 라이프니츠는 연속적인 변화에 대한 수학적 연구인 미적분학을 개발했으며,[31] 뉴턴은 이를 물리적 문제를 해결하는 데 적용했다.[32]

19세기

에너지 수요가 증가함에 따라 산업 혁명 동안 이루어진 연구 노력의 결과로 열역학, 화학, 전자기학의 법칙들이 발견되었다.[34] 19세기 말에 이르러 열역학, 역학, 전자기학 이론들은 광범위한 관측 결과들과 일치하게 되었다. 이러한 이론들은 총체적으로 나중에 고전 물리학이라 불리게 될 학문의 기초가 되었다.[35]:2

몇몇 실험 결과들은 여전히 설명되지 않은 채로 남아 있었다. 고전 전자기학은 파동의 전파를 돕는 매질인 에테르(luminiferous aether)의 존재를 상정했으나, 이 매질은 검출되지 않았다. 뜨겁게 달구어진 흑체(blackbody)에서 방출되는 빛의 세기는 열역학 및 전자기학의 예측과 일치하지 않았다. 빛을 비춘 금속에서 전자 방출의 특성 또한 예측과는 달랐다. 거시적인 관점에서는 사소해 보였던 이러한 한계들은 20세기 초반 20년 동안 물리학계를 뒤흔들게 된다.[35]

20세기

섬네일을 만드는 중 오류 발생:
막스 플랑크(Max Planck, 1858년–1947년)는 흑체 복사 스펙트럼을 설명하기 위해 양자(quanta)의 개념을 제안했으며,[36] 이로써 양자론이 시작되었다.[37][38]
파일:Einstein1921 by F Schmutzer 2.jpg
알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879년–1955년)은 광전 효과를 발견하고 상대성 이론을 정립했다.

현대 물리학은 20세기 초 막스 플랑크(Max Planck)의 양자론과 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성 이론과 함께 시작되었다. 두 이론 모두 특정 상황에서 고전 역학이 보여준 부정확성 때문에 등장했다. 고전 역학은 빛의 속도가 관찰자의 운동 상태에 따라 달라질 것이라고 예측했으나, 이는 맥스웰의 전자기 방정식이 예측하는 일정한 광속과 모순되었다. 이 불일치는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의해 수정되었으며, 이 이론은 빠르게 움직이는 물체에 대해 고전 역학을 대체하고 광속 불변의 원리를 수용했다.[39]

흑체 복사(Black-body radiation) 또한 고전 물리학의 또 다른 난제였는데, 플랑크가 물질 진동자의 들뜸이 주파수에 비례하는 불연속적인 단계(양자)로만 가능하다는 가설을 제안하며 해결되었다. 이는 광전 효과 및 전자 궤도의 불연속적 에너지 준위를 예측하는 완전한 이론과 결합하여, 매우 작은 미시 세계에서 고전 물리학을 개선한 양자 역학 이론으로 이어졌다.[40]

양자 역학은 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg), 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger), 폴 디랙(Paul Dirac)에 의해 개척되었다.[40] 이러한 초기 연구와 관련 분야의 성과를 바탕으로 입자 물리학의 표준 모형(Standard Model)이 도출되었다.[41]

2012년 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에서 힉스 보손(Higgs boson)과 일치하는 특성을 가진 입자가 발견됨에 따라,[42] 표준 모형이 예측한 모든 기본 입자가 존재하는 것으로 보이며 그 외의 입자는 발견되지 않았다. 그러나 초대칭(supersymmetry) 이론과 같은 표준 모형을 넘어선 물리학(physics beyond the Standard Model)은 여전히 활발한 연구 분야이다.[43] 일반적으로 확률론(probabilities)이나 군론(groups) 같은 수학 분야들이 이 영역에서 중요하게 다뤄진다.

핵심 이론

물리학은 매우 광범위하고 다양한 시스템을 다루지만, 일부 특정한 이론들은 모든 물리학자들에게 공통적으로 사용된다. 이러한 이론들 각각은 수많은 실험을 통해 검증되었으며, 자연에 대한 적절한 근사치로 인정받았다. 이 중심 이론들은 더욱 전문적인 연구 주제를 탐구하는 데 중요한 도구이며, 어떤 분야를 전공하든 모든 물리학자는 이들 이론에 능통해야 한다. 이 핵심 이론에는 고전 역학, 양자 역학, 열역학과 통계 역학, 전자기학, 그리고 특수 상대성 이론이 포함된다.

고전 물리학과 현대 물리학의 구분

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고전 역학은 더 크고 느린 물체에 대해서는 작동한다. 그 외의 경우에는 현대 이론이 필요하다.

20세기 첫 수십 년 동안, 양자 역학과 상대성 이론의 발견으로 물리학은 혁명적으로 변화했다. 이러한 변화는 매우 근본적이어서 이 새로운 개념들이 "**현대 물리학**"의 토대가 되었고, 다른 주제들은 "고전 물리학"이 되었다. 물리학 응용 분야의 대다수는 본질적으로 고전적이다.[44]:xxxi 고전 물리학의 법칙은 중요한 길이 스케일이 원자 규모보다 크고, 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 시스템을 정확하게 설명한다.[44]:xxxii 이 영역을 벗어나는 관측 결과는 고전 역학이 제공하는 예측과 일치하지 않는다.[45]:6

고전 이론

고전 물리학은 20세기 초가 시작되기 이전에 인식되고 잘 발전되었던 전통적인 분야와 주제들을 포함한다. 여기에는 고전 역학, 열역학, 그리고 전자기학이 있다.:2 고전 역학은 힘의 영향을 받는 물체와 운동 상태에 있는 물체를 다루며, 정역학 (가속을 받지 않는 물체나 물체들에 작용하는 힘을 연구), 운동학운동학 (운동의 원인을 고려하지 않고 운동 자체를 연구), 그리고 동역학 (운동과 그 운동에 영향을 미치는 힘을 연구)으로 나눌 수 있다. 역학은 또한 고체 역학과 유체 역학으로도 나눌 수 있으며 (이 둘을 합쳐 연속체 역학이라고 함), 유체 역학에는 정수역학, 유체동역학, 그리고 기체역학과 같은 분야가 포함된다.

음향학은 소리가 어떻게 생성, 제어, 전달, 그리고 수신되는지를 연구하는 학문이다.[46] 음향학의 중요한 현대 분야에는 초음파학 (인간의 가청 범위를 넘어선 매우 높은 주파수의 음파를 연구), 생물음향학 (동물의 소리와 청각의 물리학을 연구),[47] 그리고 전기음향학 (전자 장치를 사용하여 가청 음파를 조작하는 분야)이 포함된다.[48]

광학은 빛을 연구하는 학문으로, 가시광선뿐만 아니라 적외선과 자외선복사도 다루는데, 이들은 가시성을 제외한 가시광선의 모든 현상, 예컨대 빛의 반사, 굴절, 간섭, 회절, 분산, 그리고 편광을 나타낸다. 열은 에너지의 한 형태로, 물질을 구성하는 입자들이 지니는 내부 에너지이다. 열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다룬다. 전기와 자기(magnetism)는 19세기 초에 그들 사이의 긴밀한 연관성이 발견된 이후로 물리학의 단일 분야로 연구되어 왔다. 전류는 자기장을 발생시키고, 변화하는 자기장은 전류를 유도한다. 정전기학(Electrostatics)은 정지 상태의 전하(electric charges)를 다루고, 전자기학(electrodynamics)은 움직이는 전하를, 그리고 정자기학은 정지 상태의 자기극(magnetic poles)을 다룬다.

현대 이론

20세기 첫 수십 년 동안 이루어진 상대성 이론과 양자 역학의 발견은 그때까지 개발된 대부분의 물리 이론의 실질적인 가치를 줄이지 않으면서도 물리학의 개념적 기반을 변형시켰다. 결과적으로 물리학의 주제들은 "고전 물리학"과 "현대 물리학"으로 나뉘게 되었으며, 후자 범주에는 양자 역학과 상대성 이론과 관련된 효과들이 포함된다.[49]:2 고전 물리학은 일반적으로 일반적인 관찰 규모에서의 물질과 에너지를 다루는 반면, 현대 물리학의 상당 부분은 극한 조건이나 매우 크거나 매우 작은 규모에서의 물질 및 에너지의 행동을 다룬다. 예를 들어, 원자 물리학과 핵물리학은 화학 원소가 식별될 수 있는 가장 작은 규모의 물질을 연구한다. 입자 물리학은 물질의 가장 기본적인 단위와 관련되므로 이보다 훨씬 더 작은 규모를 다룬다. 이 물리학 분야는 입자 가속기에서 많은 종류의 입자를 생성하는 데 극도로 높은 에너지가 필요하기 때문에 고에너지 물리학이라고도 알려져 있다. 이 규모에서는 공간, 시간, 물질, 그리고 에너지에 대한 일반적이고 상식적인 개념이 더 이상 유효하지 않다.[50]

현대 물리학의 두 가지 주요 이론은 고전 물리학에서 제시하는 것과는 다른 공간, 시간, 물질 개념에 대한 그림을 제시한다. 고전 역학은 자연을 연속적인 것으로 근사하는 반면, 양자 이론은 원자 및 아원자 수준에서 많은 현상의 불연속적인 특성과 그러한 현상을 설명하는 데 있어 입자와 파동의 상보적인 측면에 관심을 갖는다. 상대성 이론은 관찰자에 대해 운동하는 기준계 에서 발생하는 현상을 설명하는 것과 관련이 있으며, 특수 상대성 이론은 중력장이 없는 운동과 관련이 있고, 일반 상대성 이론은 운동과 중력 과의 관계에 관련이 있다. 양자 이론과 상대성 이론 모두 현대 물리학의 많은 분야에서 응용된다.[51]

현대 물리학의 근본을 이루는 핵심 개념은 다음과 같다.

과학적 방법

물리학자들은 과학적 방법을 사용하여 물리 이론의 타당성을 시험한다. 이론의 함의를 관련 실험과 관찰에서 도출된 결론과 비교하는 체계적인 접근법을 사용함으로써, 물리학자들은 논리적이고 편향되지 않으며 반복 가능한 방식으로 이론의 타당성을 더 잘 시험할 수 있다. 이를 위해, 이론의 타당성 또는 부당성을 결정하기 위해 실험을 수행하고 관찰을 한다.[52]


과학 법칙은 어떤 이론의 근본적인 원리를 표현하는 관계에 대한 간결한 언어적 또는 수학적 진술이다. 예를 들어, 뉴턴의 만유인력 법칙 같은 것이 여기에 해당한다.[53]

이론과 실험

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우주비행사와 지구는 모두 자유낙하 상태에 있다. (사진: 우주비행사 브루스 맥캔들리스)
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번개는 전류이다.

이론가들은 기존의 실험과 일치하고 미래의 실험 결과를 성공적으로 예측하는 수학적 모델을 개발하고자 노력하는 반면, 실험가들은 이론적 예측을 시험하고 새로운 현상을 탐구하기 위해 실험을 고안하고 수행한다. 비록 이론과 실험이 개별적으로 개발되지만, 이들은 서로에게 강력하게 영향을 미치고 의존한다. 물리학의 진보는 종종 기존 이론으로는 설명할 수 없는 실험 결과가 나올 때 발생하는데, 이는 적용 가능한 모델링에 집중하게 하며, 새로운 이론이 실험적으로 시험 가능한 예측을 생성할 때 발생하여 새로운 실험 (그리고 종종 관련 장비)의 개발을 촉진한다.[54]

이론과 실험의 상호 작용 분야에서 일하는 물리학자들을 현상학자라고 부르는데, 이들은 실험에서 관찰된 복잡한 현상을 연구하고 그것들을 근본 이론과 연결하기 위해 노력한다.[55]

이론 물리학은 역사적으로 철학에서 영감을 얻어왔는데, 전자기학도 이러한 방식으로 통일되었다.[56] 알려진 우주를 넘어서, 이론 물리학 분야는 평행 우주, 다중 우주, 그리고 고차원과 같은 가상의 문제들도 다룬다.[57] 이론가들은 기존 이론의 특정 문제들을 해결하기를 희망하며 이러한 아이디어들을 활용하고, 그 아이디어들의 결과를 탐구하며 시험 가능한 예측을 만들도록 노력한다.

실험 물리학은 공학 및 기술을 확장시키고, 또 그 기술에 의해 확장된다. 기초 연구에 참여하는 실험 물리학자들은 입자 가속기나 레이저와 같은 장비를 가지고 실험을 설계하고 수행하는 반면, 응용 연구에 참여하는 사람들은 종종 산업 분야에서 일하며, 자기 공명 영상(MRI)이나 트랜지스터와 같은 기술을 개발한다. 파인만은 실험가들이 이론가들에 의해 잘 탐구되지 않은 영역을 찾을 수도 있다고 언급했다.[58]

범위 및 목표

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물리학은 주로 정량적인 이론으로 자연 세계를 모델링하는 것을 포함한다. 여기서는 입자의 경로가 미적분학의 수학으로 모델링되어 그 행동을 설명하는데, 이는 역학으로 알려진 물리학 분야의 영역이다.

물리학은 기본 입자 (쿼크, 중성미자, 전자와 같은)에서부터 가장 큰 초은하단에 이르기까지 광범위한 현상을 다룬다. 이러한 현상에는 다른 모든 것을 구성하는 가장 기본적인 객체들이 포함된다. 따라서 물리학은 때때로 "근본 과학"이라고 불린다. 물리학은 자연에서 발생하는 다양한 현상들을 더 단순한 현상들의 관점에서 설명하는 것을 목표로 한다. 따라서 물리학은 인간이 관찰할 수 있는 것들을 근본 원인과 연결하고, 그 다음 이러한 원인들을 서로 연결하는 것을 목표로 한다.[59]

예를 들어, 고대 중국인들은 특정 돌 (자철석과 마그네타이트)이 보이지 않는 힘에 의해 서로 끌어당겨진다는 것을 관찰했다. 이 효과는 나중에 자기라고 불렸고, 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었다. 그러나 중국인이 자기를 발견하기 훨씬 이전에 고대 그리스인들은 호박과 같이, 털로 문지르면 둘 사이에 유사한 보이지 않는 인력을 유발하는 다른 물체들을 알고 있었다.[60] 이것 역시 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었고 전기라고 불리게 되었다. 그리하여 물리학은 두 가지 자연 현상에 대한 관찰을 어떤 근본적인 원인(전기)과 자기)의 관점에서 이해하게 되었다. 하지만, 19세기 추가적인 연구를 통해 이 두 힘이 하나의 힘인 전자기의 두 가지 다른 측면일 뿐이라는 사실이 밝혀졌다. 이러한 힘을 "통일"하는 과정은 오늘날에도 계속되고 있으며, 전자기와 약한 핵력은 현재 전약력의 두 가지 측면으로 간주된다. 물리학은 자연이 왜 그러한지(아래 현재 연구 섹션 참조)에 대한 궁극적인 이유를 찾기를 희망한다(만물의 이론(theory of everything)).[61]

현재 연구

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R. P. 파인만이 서명한 파인만 다이어그램.
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물리학에서 설명하는 대표적인 현상 중 하나: 자석이 초전도체 위에 떠오르는 것은 마이스너 효과를 보여준다.

물리학에서의 연구는 수많은 분야에서 지속적으로 발전하고 있다.

응집 물질 물리학에서, 중요한 미해결 이론적 문제는 고온 초전도 현상이다.[62] 많은 응집 물질 실험들은 작동 가능한 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터를 제작하는 것을 목표로 하고 있다.[63][64]

입자 물리학에서는 표준 모형을 넘어서는 물리학에 대한 최초의 실험적 증거들이 나타나기 시작했다. 이 중 가장 중요한 것은 중성미자가 0이 아닌 질량을 가진다는 징후이다. 이러한 실험 결과들은 오랫동안 지속되어 온 태양 중성미자 문제를 해결한 것으로 보이며, 질량을 가진 중성미자의 물리학은 여전히 활발한 이론적 및 실험적 연구 영역으로 남아 있다. 거대 하드론 충돌기는 이미 힉스 보손을 발견했지만, 미래의 연구는 입자 물리학의 표준 모형을 확장하는 초대칭성을 입증하거나 반증하는 것을 목표로 한다. 암흑 물질과 암흑 에너지라는 주요 수수께끼의 본성에 대한 연구 또한 현재 진행 중이다.[65]

고에너지, 양자, 그리고 천문학 물리학에서는 많은 진전이 있었지만, 복잡성[66], 혼돈[67], 또는 난류[68]와 관련된 많은 일상적인 현상들은 여전히 제대로 이해되지 않고 있다. 동역학 및 역학의 영리한 적용으로 해결될 수 있을 것 같은 복잡한 문제들은 여전히 미해결 상태로 남아 있다. 예를 들어 모래 더미의 형성, 물이 졸졸 흐를 때의 마디, 물방울의 모양, 표면 장력 파국의 메커니즘, 흔들리는 이종(異種) 모음집에서의 자체 정렬 등이 있다.[69][70]

이러한 복잡한 현상들은 1970년대 이후 복잡계를 새로운 방식으로 모델링할 수 있게 해준 현대적인 수학적 방법과 컴퓨터의 가용성을 포함하여 여러 이유로 인해 점차 더 많은 관심을 받아왔다. 복잡계 물리학 연구는 공기역학에서의 난류 연구나 생물학적 시스템에서의 패턴 형성 관찰과 같이 점차 학제 간 연구의 일부가 되었다. 1932년 Annual Review of Fluid Mechanics에서 호러스 램은 다음과 같이 말했다.[71]

전지

다음 표는 물리학의 주요 분야와 그 하위 분야, 그리고 그 분야에서 사용되는 이론과 개념을 보여준다.

20세기 이후, 개별 물리학 분야는 점점 더 전문화되었으며, 오늘날 대부분의 물리학자들은 자신의 경력 전체 동안 단 하나의 분야에서만 일한다. 아인슈타인(1879~1955)이나 레프 란다우(1908~1968)와 같이 여러 물리학 분야에서 활동했던 "보편주의자"들은 이제 매우 드물다.[a]

물리학 분야의 현대 연구는 크게 핵 물리학,응집물질물리학, 원자·분자· 광학, 천체 물리학, 그리고 응용 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과는 물리학 교육 연구와 물리학 대외 활동(outreach)도 지원한다.[72]

핵과 입자

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대형 강입자 가속기(LHC)의 CMS 검출기에서 시뮬레이션된 사건으로, 힉스 보손(Higgs boson)이 나타날 가능성이 있는 모습이다.

입자 물리학은 물질과 에너지의 기본 구성 요소와 그들 사이의 상호 작용을 연구하는 학문이다.[73] 또한, 입자 물리학자들은 이러한 연구에 필요한 고에너지 가속기[74], 검출기[75], 및 컴퓨터 프로그램[76]을 설계하고 개발한다. 이 분야는 많은 기본 입자가 자연적으로 발생하지 않고 다른 입자들의 고에너지 충돌 과정에서만 생성되기 때문에 "고에너지 물리학"이라고도 불린다.[77]


현재, 기본 입자와 장(場)의 상호작용은 표준 모형(Standard Model)으로 설명된다.[78] 이 모형은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기적 기본 힘을 통해 상호작용하는 12개의 알려진 물질 입자(쿼크와 렙톤)를 설명한다.[78] 역학은 물질 입자들이 각각 게이지 보손(글루온, W 및 Z 보손, 광자)을 교환하는 방식으로 설명된다.[79] 표준 모형은 또한 힉스 보손(Higgs boson)이라고 알려진 입자를 예측한다.[78] 2012년 7월, 유럽 입자 물리학 연구소인 CERN은 힉스 메커니즘의 필수적인 부분인 힉스 보손과 일치하는 입자를 검출했다고 발표하였다.[80]


핵 물리학은 원자핵의 구성 요소와 상호작용을 연구하는 물리학 분야이다. 핵 물리학의 가장 잘 알려진 응용 분야는 원자력 발전과 핵무기 기술이지만, 이 연구는 핵의학 및 자기 공명 영상, 재료 공학에서의 이온 주입, 지질학과 고고학에서의 방사성 탄소 연대 측정 등 많은 분야에 응용되었다.

원자, 분자, 광 물리학(AMO)은 단일 원자와 분자 규모에서 물질—물질 및 빛—물질 간의 상호작용을 연구하는 학문이다. 이 세 영역은 상호 관계, 사용되는 방법론의 유사성, 그리고 관련 에너지 규모의 공통성 때문에 함께 묶인다. 세 영역 모두 고전적, 반고전적 및 양자적 처리를 포함하며, 거시적 관점(macroscopic view)과는 대조적으로 미시적 관점(microscopic view)에서 대상을 다룰 수 있다.

원자 물리학은 원자의 전자 껍질을 연구한다. 현재 연구는 양자 제어, 원자 및 이온의 냉각 및 포획,[81][82][83] 저온 충돌 역학, 그리고 전자 상관관계가 구조와 역학에 미치는 영향에서의 활동에 중점을 둔다. 원자 물리학은 핵의 영향을 받지만(초미세 분할 참조), 핵분열 및 핵융합과 같은 핵 내부 현상은 핵 물리학의 일부로 간주된다.

분자 물리학은 다원자 구조와 물질 및 빛과의 내부 및 외부 상호작용에 중점을 둔다. 광 물리학은 거시적 객체에 의한 고전적 광장(光場)의 제어에 중점을 두기보다 광장(光場)의 근본적인 특성과 미시적 영역에서 물질과의 상호작용에 초점을 맞춘다는 점에서 일반적인 광학과는 구별된다.

응집 물질

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루비듐 원자 가스의 속도 분포 데이터는 물질의 새로운 상인 보스-아인슈타인 응축물(Bose–Einstein condensate)의 발견을 확인시켜 준다.

응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 특성을 다루는 물리학 분야이다.[84][85] 특히, 응집 물질 물리학은 시스템 내 입자의 수가 매우 많고 그들 사이의 상호작용이 강할 때마다 나타나는 "응집된" 상(相)과 관련이 있다.[86]

가장 친숙한 응집상(Condensed phases)의 예는 원자 사이의 전자기력에 의한 결합으로 발생하는 고체와 액체이다.[87] 더 이국적인 응집상에는 매우 낮은 온도에서 특정 원자 시스템에서 발견되는 초유체[88]와 보스-아인슈타인 응축물[89], 특정 물질에서 전도 전자들이 나타내는 초전도상(相)[90], 그리고 원자 격자 위의 스핀들이 보이는 강자성 및 반강자성 상이 포함된다.[91]

응집 물질 물리학은 현대 물리학에서 가장 큰 분야이다. 역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 발전했으며, 고체 물리학은 이제 응집 물질 물리학의 주요 하위 분야 중 하나로 간주된다.[92] 응집 물질 물리학(Condensed matter physics)이라는 용어는 필립 앤더슨(Philip Anderson)이 1967년에 이전에 고체 상태 이론(solid-state theory)이었던 자신의 연구 그룹 이름을 바꾸면서 만들어진 것으로 보인다.[93] 1978년, 미국 물리학회(American Physical Society)의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름이 변경되었다.[92] 응집 물질 물리학은 화학, 재료 과학, 나노기술 및 공학과 광범위하게 중첩된다.[86]

천체 물리학

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우주의 가장 깊은 가시광선 이미지인 허블 울트라 딥 필드(Hubble Ultra-Deep Field)이다. 위에서 보이는 대다수의 물체는 멀리 떨어진 은하이다.

1931년 칼 잰스키(Karl Jansky)가 천체에서 전파 신호가 방출된다는 것을 발견함으로써 전파 천문학이라는 과학이 시작되었다. 가장 최근에는 우주 탐사를 통해 천문학의 영역이 확장되었다. 지구 대기로 인한 교란과 간섭으로 인해 적외선, 자외선, 감마선, X선 천문학 연구에는 우주 기반 관측이 필수적이다.

물리 우주론은 우주의 가장 큰 규모에서의 형성과 진화를 연구하는 학문이다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성 이론은 모든 현대 우주론 이론에서 중심적인 역할을 한다. 20세기 초, 허블 다이어그램(Hubble diagram)로 나타난 바와 같이 우주가 팽창하고 있다는 허블의 발견은 정상 우주론(steady state universe)와 빅뱅론(Big Bang)이라는 경쟁적인 설명을 촉발하였다.

빅뱅은 빅뱅 핵합성(Big Bang nucleosynthesis)의 성공과 1964년 우주 마이크로파 배경(cosmic microwave background)의 발견으로 확인되었다. 빅뱅 모형은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 우주론 원리라는 두 가지 이론적 기둥에 기초한다. 우주론자들은 최근 우주 급팽창(cosmic inflation), 암흑 에너지(dark energy), 그리고 암흑 물질(dark matter)을 포함하는 우주 진화의 ΛCDM 모형(Lambda-Cold Dark Matter model)을 확립하였다.

철학

물리학은 나머지 과학과 마찬가지로 물리적 세계에 대한 지식을 발전시키기 위해 과학 철학과 그 "과학적 방법"에 의존한다[94]. 과학적 방법은 주어진 이론의 타당성을 측정하기 위해 베이지안 추론(Bayesian inference)의 사용뿐만 아니라 선험적 추론과 후험적 추론을 사용한다.[95] 물리학을 둘러싼 철학적 문제에 대한 연구인 물리학 철학(philosophy of physics)은 공간과 시간의 본질, 결정론, 경험주의, 자연주의, 실재론과 같은 형이상학적 관점과 같은 문제들을 포함한다.[96]

많은 물리학자들이 자신들의 연구의 철학적 함의에 대해 글을 썼으며, 예를 들어 인과적 결정론을 옹호한 라플라스[97], 그리고 양자 역학에 대해 쓴 에르빈 슈뢰딩거 가 있다.[98][99] 수학 물리학자 로저 펜로즈는 스티븐 호킹에 의해 플라톤주의자라고 불렸는데[100], 이는 펜로즈가 자신의 저서인 현실로 가는 길(The Road to Reality)에서 논하는 견해이다.[101] 호킹은 스스로를 "부끄러워하지 않는 환원주의자(unashamed reductionist)"라고 칭하며 펜로즈의 견해에 이의를 제기하였다.[102]

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이 포물선 모양의 용암 흐름은 물리학에서 수학의 응용을 보여준다. 이 경우, 갈릴레오의 낙하 법칙(law of falling bodies)의 응용이다.
파일:Physics and other sciences.png
수학과 존재론은 물리학에서 사용된다. 물리학은 화학과 우주론에서 사용된다.

수학은 자연의 질서를 설명하는 데 사용되는 간결하고 정확한 언어를 제공한다. 이것은 피타고라스[103], 플라톤[104], 갈릴레오[105], 그리고 뉴턴에 의해 언급되고 옹호되었다. 힐러리 퍼트넘(Hilary Putnam)과 페넬로페 매디(Penelope Maddy)와 같은 일부 이론가들은 논리적 진리, 그리고 그에 따른 수학적 추론이 경험적 세계에 의존한다고 주장한다. 이것은 일반적으로 논리의 법칙이 세계의 구조적 특징에서 발견되는 보편적인 규칙성을 표현하며, 이는 이 분야들 사이의 특이한 관계를 설명할 수 있다는 주장과 결합된다.

물리학은 실험 결과를 정리하고 공식화하기 위해 수학을 사용한다.[106] 이러한 결과로부터 정확하거나 추정된 해답 또는 정량적 결과가 얻어지며, 이를 통해 새로운 예측을 하고 실험적으로 확인하거나 부정할 수 있다. 물리학 실험의 결과는 수치 데이터이며, 여기에는 측정 단위와 측정 오차 추정치가 포함된다. 계산(computation)과 같은 수학 기반 기술은 계산 물리학(computational physics)을 활발한 연구 분야로 만들었다.

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수학과 물리학의 구분은 명확하지만, 특히 수리 물리학에서는 항상 분명한 것은 아니다.

존재론은 물리학의 전제 조건이지만, 수학의 전제 조건은 아니다. 이는 물리학은 궁극적으로 현실 세계에 대한 설명에 관심을 두는 반면, 수학은 현실 세계를 넘어선 추상적인 패턴에 관심을 둔다는 것을 의미한다. 따라서 물리학의 진술은 종합적(synthetic)인 반면, 수학적 진술은 분석적(analytic)이다. 수학에는 가설이 포함되는 반면, 물리학에는 이론이 포함된다. 수학적 진술은 논리적으로만 참이면 되는 반면, 물리학적 진술의 예측은 관찰 및 실험 데이터와 일치해야 한다.

그 구분은 명확하지만, 항상 분명한 것은 아니다. 예를 들어, 수리물리학(mathematical physics)은 물리학에서 수학을 응용한 분야이다. 그 방법은 수학적이지만, 그 주제는 물리적이다.[107] 이 분야의 문제들은 "물리적 상황"(시스템)의 수학적 모델"과 그 시스템에 적용될 "물리 법칙에 대한 수학적 설명"으로 시작된다. 문제 해결을 위해 사용되는 모든 수학적 진술은 찾기 어려운 물리적 의미를 가지고 있다. 최종 수학적 해답은 풀이자가 찾는 것이기 때문에 더 쉽게 찾을 수 있는 의미를 가진다.

기초 물리학 vs. 응용 물리학

물리학은 기초 과학(fundamental science, 기본 과학이라고도 불림)의 한 분야이다. 물리학은 화학, 천문학, 지질학, 생물학을 포함한 모든 자연 과학 분야가 물리학 법칙에 의해 제약되기 때문에 "기초 과학(fundamental science)"이라고도 불린다. 마찬가지로, 화학은 물리 과학들을 연결하는 역할 때문에 종종 중심 과학(the central science)이라고 불린다. 예를 들어, 화학은 물질의 성질, 구조, 반응을 연구한다(분자 및 원자 규모에 초점을 맞추는 것이 화학을 물리학과 구별한다). 구조는 입자들이 서로에게 전기력을 가하여 형성되며, 성질에는 주어진 물질의 물리적 특성이 포함되고, 반응은 에너지, 질량, 전하 보존과 같은 물리학 법칙에 의해 제약된다. 기초 물리학은 현상 자체에 대한 더 깊은 통찰력 외에 특정한 실용적 응용을 목표로 하지 않고, 모든 영역의 현상을 더 잘 설명하고 이해하고자 한다.

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음향 디퓨저에서 소리가 반사되는 것을 고전 물리학으로 구현한 음향 공학 모형이다.
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아르키메데스의 나선 양수기(Archimedes' screw)는 간단한 기계이다.

응용 물리학은 특정 용도를 목적으로 하는 물리학 연구 및 개발을 위한 일반적인 용어이다. 응용 물리학 교육 과정에는 일반적으로 지질학이나 전기 공학과 같은 응용 분야의 몇 가지 수업이 포함된다. 응용 물리학자는 특정 무언가를 설계하고 있지 않을 수 있고, 오히려 새로운 기술을 개발하거나 문제를 해결하려는 목표를 가지고 물리학을 사용하거나 물리학 연구를 수행한다는 점에서 일반적으로 공학과는 다르다.

이 접근 방식은 응용수학과 유사하다. 응용 물리학자들은 과학 연구에서 물리학을 사용한다. 예를 들어, 가속기 물리학을 연구하는 사람들은 이론 물리학 연구를 위해 더 나은 입자 검출기를 만들고자 할 수 있다.

물리학은 공학에서 매우 많이 사용된다. 예를 들어, 역학의 하위 분야인 정역학은 교량 및 기타 정적인 구조물을 건설하는 데 사용된다. 음향학에 대한 이해와 사용은 소음 제어 및 더 나은 콘서트홀로 이어진다. 유사하게, 광학의 사용은 더 나은 광학 장치를 만든다. 물리학에 대한 이해는 더 현실적인 비행 시뮬레이터, 비디오 게임 및 영화를 만들고, 종종 법의학 수사에서 매우 중요하다.

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레이저를 사용한 실험이다.

물리학 법칙이 보편적이며 시간에 따라 변하지 않는다는 일반적인 합의를 바탕으로, 물리학은 보통 불확실성에 빠져들 수 있는 것들을 연구하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 지구의 기원 연구에서 물리학자는 합리적으로 지구의 질량, 온도, 자전 속도를 시간의 함수로 모형화할 수 있으며, 이는 시간을 앞뒤로 외삽(extrapolation)하여 미래 또는 이전 사건을 예측할 수 있도록 한다. 또한 이는 새로운 기술의 개발 속도를 높이는 공학 시뮬레이션도 가능하게 한다.

또한 상당한 학제 간 연구(interdisciplinarity)가 있어, 다른 많은 중요한 분야들이 물리학의 영향을 받는다(예: 경제 물리학(econophysics) 및 사회 물리학(sociophysics) 분야).

범주와 목표

물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다. 물체의 운동 및 제반 자연현상(물과 공기의 흐름, 전류, 원자의 움직임 등)의 메커니즘을 규명하고 그러한 현상의 미래를 예측하는 것이다.

물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다. 그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시킨다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.

철학

과학 철학

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과학철학은 과학의 전제 조건 및 방법, 묵시적으로 인정하는 기초 등을 탐구한다. 즉, 이미 존재하고 있는 과학적 담론, 이론, 방법 등에 대해 반성적으로 고찰하여 〈과학이란 무엇인가?〉라는 질문에 답하는 작업이다.[108]

과학철학은 물리학을 포함한 자연 과학이 다음과 같은 전제 위에 놓여 있다고 본다.

  • 자연은 객관적으로 실재하는 것이고 사람은 이를 인지할 수 있다.
  • 자연 현상은 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있다.
  • 자연 현상이 일어나는 원인을 규명하면 같은 원리를 사용하여 아직 일어나지 않은 일을 예측할 수 있다.
  • 자연 현상의 원인과 예측된 결과는 논리적으로 설명될 수 있고 검증 가능하다.
  • 어떤 이론을 바탕으로 한 예측이 허용할 수 있는 오차를 넘어 빗나갔다면 그 이론은 더 이상 신뢰할 수 없다.

과학철학의 역할에 대한 견해는 학자마다 다르다. 대략 네 가지의 유형으로 나뉠 수 있는데, 밝혀진 과학 이론을 바탕으로 합리적인 세계관을 형성하는 것이라고 보는 견해가 있는 한편, 과학자들이 과학 연구에서 전제하는 가정들을 반성적으로 고찰하는 것이라는 견해도 있다. 예를 들어 과학자들은 자연 현상에 대해 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있는 규칙성이 있다고 전제한다. 또 다른 견해로는 과학철학이 과학에서 사용되는 개념을 명료하게 구축하는 작업이라는 것이다. 시간, 공간과 같은 용어가 무엇을 뜻하는 지를 분명히 하는 것을 예로 들 수 있다. 끝으로 과학철학이란 과학적 탐구와 그 밖의 탐구가 어떻게 다른지, 과학의 절차는 어떠하여야 하는 지, 올바른 과학적 지식은 어떤 전제를 만족하여야 하는 지 등을 탐구하는 제2준위의 표준설정학이라고 보는 견해가 있다.[109]

이 외에도 프랑스의 과학철학자 도미니크 르쿠르는 20세기 이후의 과학철학을 논리실증주의에 입각하여 과학 자체의 논리를 검증하는 분석적 과학철학, 과학의 역사에 대하여 비판적으로 고찰하는 역사적 과학철학, 과학과 과학이 아닌 것을 구분하는 비판적 과학철학으로 과학철학의 분야를 정리한 바 있다.

과학철학은 과학 자체를 보다 합리적으로 발전시킬 뿐만 아니라, 대중이 갖는 과학의 이미지에 대하여 반성하고 보다 균형있는 과학의 대중화에도 기여한다.[110]

과학적 방법

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과학적 방법은 현상을 연구하고, 새로운 지식을 구축하거나, 이전의 지식들을 모아 통합할 때 사용되는 기법으로[111], 경험과 측정에 근거한 증거를 사용하여 현상의 원리를 밝히는 과정이다.[112] 과학적 방법은 귀납적이며 경험적인 진리를 추구한다. 따라서 과학적 방법으로 얻어진 지식은 철학, 종교, 수학 등 다른 영역에서 다루는 진리와 뚜렷이 구별된다.

과학적 방법은 경험에 입각한 귀납적 결론을 이끌어낸다. 따라서 과학적 방법에 의한 지식은 확고부동한 것이 아니며, 언제나 반증될 가능성이 있다. 즉, 새롭게 얻어진 연구 결과에 따라 과거의 과학 지식이 수정되거나 폐기될 수 있는 것이다.[113] 이 때문에, 아인슈타인은 "아무리 많은 실험을 하더라도 내가 옳다고 단정할 수는 없다. 단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다."라고 하였다.[114]

한편, 카를 구스타프 헴펠(1905년–1997년)이 지적한 것처럼 과학적 방법은 귀납에 의지하기 때문에, 도출된 결론은 통계적인 것이며[115] 가설을 보강하기 위해서는 베이즈 정리에 따른 엄격한 분석이 필요하다.[주해 1] 루트비그 플렉(1896년–1961년)을 비롯한 과학자들은 과학자의 경험 자체가 편향된 것일 수 있으므로 보다 신중하게 접근할 필요가 있다는 점을 지적하였다.[116]

F. N. 컬린저(F. N. Kerlinger)는 과학적 방법의 특징을 다음과 같이 정리하였다.[117]

  1. 문제의 해결은 상식적 접근보다 논리적 접근을 통해 이루어진다.
  2. 이론이나 가설은 체계적이고 경험적으로 검증된다.
  3. 체계적이고 표준화된 관찰이나 실험은 통제를 통하여 이루어진다.
  4. 사상(事象)들의 체계나 상호관계가 객관성 있고 타당성있게 설명된다.
  5. 연구자들의 문제에 대한 관심의 정도에 따라 과학적 방법의 의미가 달라질 수 있다.

과학적 방법의 과정을 간단히 차례를 두어 표현하면 다음과 같다.[118]

파일:Scientific method.jpg
  1. 문제를 정의하기
  2. 정보와 자료를 모으기 (관찰)
  3. 관찰한 사실을 설명할 수 있는 가설 세우기
  4. 실험을 통해 데이터를 모으고 가설을 시험하기
  5. 데이터를 분석하기
  6. 분석된 데이터를 기준으로 가설을 평가하고 새로운 가설을 세우기
  7. 결과를 발표하기
  8. 다시 시험하기 (종종 다른 과학자들이 발표된 가설을 검증한다.)
  9. 반복된 실험으로 검증된 가설은 이론으로 인정된다.

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 주요 논제 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 극히 드물다.

작은 공간(미시계)

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(거시계)

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 물질세계, 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

연구 방법(이론 체계)에 따른 분류

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.

앞으로의 방향

오늘날, 물리학의 연구는 다방면으로 발전해나가고 있다.

응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다. 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력하고 있다.

입자물리학에서 표준 모형을 넘어서는 실험적인 징후가 있다. 이중 가장 중요한 것으로 중성미자의 질량이 있다는 발견을 들 수 있다. 질량이 있는 중성미자에 의한 영향과 발견이 이론적으로나 실험적으로 활발하게 연구되고 있다. 이러한 실험 결과는 오랫동안 고민해오던 태양의 표준 모형의 태양 중성미자 문제 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신의 해결로 여겨진다. 입자 가속기의 충돌 에너지 영역이 TeV까지 올라가면서 힉스 보존이 입증되었고 초대칭 입자들과 암흑물질의 발견을 기대하고 있다.

이론 물리학에서는 양자역학과 일반 상대론을 하나로 통합하는 양자 중력을 찾는 노력이 반세기 동안 끊임없이 시도되고 있지만 아직까지 괄목할 만한 성과는 없다. 지금으로서 가장 중요한 분야는 M이론을 포함한 초끈 이론과 루프 양자 중력을 들 수 있다.

많은 천체물리학과 우주론의 문제들도 충분히 이해하지 못했다. 그중 초고 에너지 우주선 문제, 바리온 비대칭과 우주 가속 문제, 은하 회전 문제 등이 있다.

고에너지 물리, 양자물리학과 천체물리학의 많은 진전이 있었지만 우리의 일상생활에서의 현상인 복잡계나 혼돈, 난류에 대해서는 이해하지 못하고 있다. 복잡계의 문제는 모래톱의 생성이나 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력 또는 카타스트로피 이론 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신처럼 역학을 어떻게 잘 적용하느냐의 문제처럼 보이지만 아직도 미해결 문제가 많다. 1970년대 이후로 복잡계의 문제들은 더 큰 주목을 받게 되었으며 이는 현대의 수리물리학이나 컴퓨터의 발전과도 연관이 있다. 복잡계의 물리는 다른 학문과의 상호 연계라는 측면에서도 중요한데 유체역학에서의 난류나 생물학의 패턴 형성 등이 그 예이다.

같이 보기

일반

주요 분야

물리학이 연관된 통합 학문 분야

관련된 서적

  • 로드리 에번스·브라이언 클레그 저. 김소정 역. 《세상을 보는 방식을 획기적으로 바꾼 10명의 물리학자》. 푸른지식. 2016년. ISBN 9788998282837

관련된 학문

내용주

  1. ↑ Poincaré(1905, p.142)에서는 프랜시스 베이컨이 과학적 기록의 조건을 도입하였고, 외르스테드가 사고 실험의 조건을 도입하였다고 지적하고 있다. 물론, 갈릴레오는 베이컨이나 외르스테드가 이러한 조건을 정의하기 이전에 그의 저서에서 이것들을 사용하였다.
  1. ↑ 인용 오류: <ref> 태그가 잘못되었습니다; e라는 이름을 가진 주석에 텍스트가 없습니다

각주

  1. ↑ 리처드 파인만은 원자론을 다루는 《파인만의 물리학 강의》(The Feynman Lectures on Physics)에서 "대격변이 일어나 모든 과학 지식이 없어진다고 해도, 다음의 단 한 문장만 다음 세대에 전달되면 다시 모든 과학 지식이 구축될 수 있다고 믿는다. ‘모든 것은 원자로 이루어져 있다’라는 문장이 그런 존재라고 저는 믿는다."라고 시작하고 있다. - R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands (1963). 《The Feynman Lectures on Physics》 1. I-2쪽. ISBN 0-201-02116-1. 
  2. ↑ J.C. Maxwell (1878). 《Matter and Motion》. D. Van Nostrand. 9쪽. ISBN 0-486-66895-9. Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events.(물리학이란 자연의 질서에 관련된 지식 또는 다른 말로 사건의 규칙적인 연속에 관한 지식이다.) 
  3. ↑ Young & Freedman 2014, 1쪽 "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves."
  4. ↑ Holzner 2006, 7쪽 "Physics is the study of your world and the world and universe around you."
  5. ↑ Young & Freedman 2014, 2쪽 "Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns that relate these phenomena."
  6. ↑ 가 나 Krupp 2003
  7. ↑ Young & Freedman 2014, 1쪽 "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves."
  8. ↑ Young & Freedman 2014, 1쪽 "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves."
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  105. ↑ Toraldo Di Francia 1976, 10쪽 'Philosophy is written in that great book which ever lies before our eyes. I mean the universe, but we cannot understand it if we do not first learn the language and grasp the symbols in which it is written. This book is written in the mathematical language, and the symbols are triangles, circles, and other geometrical figures, without whose help it is humanly impossible to comprehend a single word of it, and without which one wanders in vain through a dark labyrinth.' – Galileo (1623), The Assayer"
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  110. ↑ 김성재, 논쟁과 철학, 고려대학교출판부, 2007년, ISBN 89-7641-607-4, 381쪽
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  112. ↑ "Rules for the study of natural philosophy", Newton, Issac. 1999. pp. 794–6, from Book 3, The System of the World.
  113. ↑ "I believe that we do not know anything for certain, but everything probably." —Christiaan Huygens, Letter to Pierre Perrault, 'Sur la préface de M. Perrault de son traité del'Origine des fontaines' [1763], Oeuvres Complétes de Christiaan Huygens (1897), Vol. 7, 298. Quoted in Jacques Roger, The Life Sciences in Eighteenth-Century French Thought, ed. Keith R. Benson and trans. Robert Ellrich (1997), 163. Quotation selected by Bynum, Porter.(2005, p.317) Huygens 317#4.
  114. ↑ As noted by Alice Calaprice (ed. 2005) The New Quotable Einstein Princeton University Press and Hebrew University of Jerusalem, ISBN 0-691-12074-9p. 291. Calaprice denotes this not as an exact quotation, but as a paraphrase of a translation of A. Einstein's "Induction and Deduction". Collected Papers of Albert Einstein 7 Document 28. Volume 7 is The Berlin Years: Writings, 1918-1921. A. Einstein; M. Janssen, R. Schulmann, et al., eds.
  115. ↑ Murzi, Mauro (2001, 2008), "Carl Gustav Hempel (1905—1997)", Internet Encyclopedia of Philosophy.
  116. ↑ Fleck(1979, pp. xxvii-xxviii)
  117. ↑ Kerlinger, F. N.(1986), Foundation of behavioral research(3rd e.d.), New York, CBS college publishing. - 김종택, 《운동학 연구법》, 대한미디어, 1996년, ISBN 89-85825-43-7, 14쪽에서 재인용
  118. ↑ Crawford S, Stucki L (1990), "Peer review and the changing research record", "J Am Soc Info Science", vol. 41, pp 223-228
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외부 링크

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