물리학
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물리학 (物理學, physics)은 넓은 의미로는 자연에 관한 과학이다. 물리학자는 모든 일반적인 물질을 구성하는 소립자(입자 물리학)에서부터 물질적인 우주 전체의 행동(우주론)까지를 포괄하는 넓고 다양한 범위에 걸쳐 물질의 운동과 특성을 연구한다.
물리학의 영어에 해당하는 단어인 physics(그리고 인도 유럽어나 라틴 계통의 언어도 비슷한 철자를 가지고 있다)는 그리스어의 "자연적"이라는 뜻의 φυσικός (physikos), 와 "자연"이라는 뜻의 φύσις (physis), 에서 왔다. 한국어의 물리는 만물의 이치를 탐구한다는 뜻의 한자어이다.
물리학에서 연구하는 특성의 일부는 에너지 보존과 같이 모든 물질계에서 공통으로서, 그러한 특성을 흔히 물리 법칙이라고 부른다. 물리학은 때때로 "기초 과학"이라고 일컬어지는데, 이것은 다른 자연 과학의 각 분야들(생물학, 화학, 지질학 등)이 물리 법칙에 따르는 특정한 타입의 물질계를 다루기 때문이다. 예를 들어 화학은 분자와 화합물의 과학인데, 화합물의 특성은 화합물을 구성하는 분자의 특성에 의해 결정되며, 분자의 특성은 양자 역학, 열역학 및 전자기학과 같은 물리학의 영역에서 정확히 기술되는 것이다.
물리학은 또한 수학에 긴밀하게 연관되어 있다. 물리 이론은 거의 변함없이 수학적 관계를 사용하여 표현되어 왔고, 여기에 사용된 수학은 일반적으로 다른 과학에서의 경우보다 더욱 복잡하다. 물리학은 궁극적으로 물질 세계의 기술에 관심이 있는 반면 수학은 물질 세계와 어떤 연관도 가질 필요가 없는 추상적인 패턴에 관심을 둔다는 차이가 있기는 하지만, 언제나 확실하게 이런 구별을 할 수 있는 것은 아니다. 수리물리학이라는 물리학과 수학 사이의 넓은 연구 영역은 물리 이론의 수학적 구조를 개발하는 것을 목적으로 한다.
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[편집] 역사
물리학은 그리스의 철학자 아리스토텔레스가 자연계의 존재하는 물질의 변화와 운동을 연구하는 물리학과 자연계를 넘어선 순수 이상을 연구하는 형이상학으로 철학을 구분하면서 시작되었다. 그러나 오랜 역사에도 불구하고 철학의 일부였다는 사실 때문에 오랜 기간 물리학은 형이상학에 종속되어, 형이상학의 이해를 물질세계로 확대하는 말단지엽적인 역할만을 맡았을 뿐이다.
근대적인 물리학은 14세기 경의 이탈리아의 물리학자 갈릴레이에 의해 비로소 정립되기 시작했는데, 그에 의해 수학적 언어를 토대로 하는 이론적 가설의 성립과 정량적 측정에 의한 실험적 검증이라는 대원칙이 확립되기 시작했다. 이러한 물리학의 방법론의 생산성과 수월성은 차츰 빛을 발해, 아이작 뉴턴에 이르게 되면 그 때까지 독립적으로 연구되던 천체 운동론과 운동 역학이 통일되어 천체 역학을 탄생시키는 개가를 이루게 된다.
이후 패러데이, 맥스웰 등에 의해 전기와 자기의 이론이 정립되고, 볼츠만 등에 의해 발전된 통계 역학은 여러 가지 물성을 단 몇 가지 원리 만으로 유도할 수 있게 하였다.
한편 20세기에 이르러서는 아인슈타인 등에 의해 시간과 공간 자체의 생성과 변천까지 연구의 대상이 되었으며, 양자 역학이 탄생하여 기존의 지식으로는 이해할 수 없었던 미시 세계의 운동 역학에까지 이해의 지평이 넓혀졌다.
양자 역학은 또한 응집물질 물리와 그의 세부 이론인 고체 물리의 이론적인 기반이 되었다. 이 분야에서는 고체와 유체 그리고 결정 구조, 반도체와 초전도체에 대한 연구가 이루어지고 있다. 응집물질물리의 개척은 1928년 블로흐에 의한 결정구조에서의 전자의 운동을 양자역학적으로 기술한 것이다. 트랜지스터 역시 물리학자인 존 바딘, 브래튼과 쇼클리에 의해 1947년 벨 연구소에서 발명되었다.
20세기의 두 가지 주제인 일반 상대성 이론과 양자역학은 서로 상치되는 것처럼 보인다. 일반 상대성 이론은 우주를 태양계나 별 등의 거시적인 크기에서 기술하지만 양자역학은 아원자의 크기에서 기술한다. 이러한 상황은 끈 이론에 의해 도전되었다. 이는 시공간을 점이 아닌 1차원 입자인 끈으로 기술한다. 끈은 우리가 일반적으로 생각하는 끈의 성질(즉, 장력과 진동이 있는)을 가지고 있다. 이 이론은 아직 검증 가능한 결론을 내리지는 못했다.
국제연합은, 아인슈타인의 3대 이론의 탄생 100주년 기념이기도 한 2005년을 세계 물리의 해로 지정했다.
[편집] 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 고전 역학으로 정확히 기술된다. 이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
| 이론 | 주요 논제 | 개념 |
|---|---|---|
| 고전 역학 | 뉴턴의 운동법칙, 라그랑지안 역학, 해밀토니안 역학, 카오스 이론, 음향학, 유체 역학, 연속체 역학 | 차원, 공간, 시간, 운동, 길이, 속도, 질량, 운동량, 힘, 에너지, 각운동량, 회전력, 보존법칙, 조화 진동자, 파동, 일, 일률, |
| 전자기학 | 정전기학, 전기, 자기, 맥스웰 방정식,광학 | 전하, 전류, 전기장, 자기장, 전자기장, 전자기파, 단자극 |
| 열역학과 통계역학 | 열기관, 기체분자운동론 | 볼츠만 상수, 엔트로피, 자유에너지, 열, 상태합, 온도 |
| 양자 역학 | 경로 적분 형식, 슈뢰딩거 방정식, 양자 마당 이론 | 해밀토니안 연산자, 동일입자, 플랑크 상수, 양자 얽힘, 양자 조화 진동자, 파동함수, 영점 에너지 |
| 상대성 이론 | 특수 상대성 이론, 일반 상대성 이론 | 등가 원리, Four-momentum, 기준좌표계, 시공간, 빛의 속도 |
[편집] 물리학의 분류
물리학은 연구하는 대상에 따라서도 나눠지지만 또한 연구하는 방법에 따라 가설 체계를 세우고 검증하는 이론과 새로운 현상을 관찰하는 실험으로도 나뉘어진다.
[편집] 대상에 따른 분류
- 천문학, 우주론
- 응집물질 물리학
- 고체물리학
- 통계물리학
- 원자물리학, 나노물리학
- 광학
- 비선형광학
- 양자광학
- 플라스마 물리학
- 저온물리학 또는 초전도물리학
- 핵물리학 또는 원자핵 물리학
- 입자물리학, 고에너지물리학
[편집] 연구 방법에 따른 분류
[편집] 앞으로의 방향
2005년 현재, 물리학의 연구는 다방면으로 발전해나가고 있다.
응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다. 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력을 경주하고 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 문제의 해결로 여겨진다. 앞으로 몇 년 후면 입자 가속기의 충돌 에너지 영역이 TeV까지 올라갈 것이며 힉스 보존과 초대칭 입자들의 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 후보는 M 이론을 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 문제등이 있다.
고에너지 물리, 양자물리학과 천체물리학의 많은 진전이 있었지만 우리의 일상생활에서의 현상인 복잡계나 카오스, 난류에 대해서는 이해하지 못하고 있다. 복잡계의 문제는 모래톱의 생성이나 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력 또는 카타스트로피처럼 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 형성등이 그 예이다.
