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자연과학의 일반적 분류
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▲ 물리학의 일반적인 이미지
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보통 나무토막이나 구슬 같은 장치들이 충돌하고 떨어지는 이미지나 전기회로, 자석으로 실험하는 학문이라는 인식이 있다. 아예 무엇을 다루는지조차 모르는 사람도 적지 않은데, 물리학은 에너지, 시간, 공간, 장(場) 등을 시각적으로 개념화할 수 있는 직관적인 개념이 아닌 머리 속으로 추상적인 개념을 많이 다루기 때문이다.[1] 또한 자연과학 중 가장 먼저, 그리고 가장 많이 수식을 다루므로 수학 같다는 이미지가 있다. 이른바 v=st,[2] F=ma, E=mc2 공식 정도는 알고 있는 일반인이 적지 않다.
학문의 일반적인 기초는 고전역학, 열역학, 전자기학, 상대성 이론, 양자역학 등이 있다. 대중매체(SF 영화 등)의 영향 때문인지, 위와 같은 기초적인 분야보다 정작 초끈이론, 우주론 같은 세부 분야를 주로 연상하는 편이다. 다만, 화학자나 생물학자는 널리 알려지지 않는 반면 물리학자에 대해서는 나름의 인지도를 갖추고 있다. 아이작 뉴턴, 알베르트 아인슈타인, 마리 퀴리, 스티븐 호킹, 리처드 파인만[3] 등이 그 예다.
물리학에 대한 일반적인 인식은 크게 매우 똑똑한 학생들이 공부하는 학문이라는 인식과, 약간 반대로 엉뚱하고 괴짜스러운 사람들이 하는 학문이라는 인식이 충돌하는 편이다. 사실 알고 보면 둘 다 그렇게 틀린 말은 아니다.
학문의 일반적인 기초는 고전역학, 열역학, 전자기학, 상대성 이론, 양자역학 등이 있다. 대중매체(SF 영화 등)의 영향 때문인지, 위와 같은 기초적인 분야보다 정작 초끈이론, 우주론 같은 세부 분야를 주로 연상하는 편이다. 다만, 화학자나 생물학자는 널리 알려지지 않는 반면 물리학자에 대해서는 나름의 인지도를 갖추고 있다. 아이작 뉴턴, 알베르트 아인슈타인, 마리 퀴리, 스티븐 호킹, 리처드 파인만[3] 등이 그 예다.
물리학에 대한 일반적인 인식은 크게 매우 똑똑한 학생들이 공부하는 학문이라는 인식과, 약간 반대로 엉뚱하고 괴짜스러운 사람들이 하는 학문이라는 인식이 충돌하는 편이다. 사실 알고 보면 둘 다 그렇게 틀린 말은 아니다.
2022 개정 교육과정 과학과 총론 초중등교육과정 기준으로 <힘과 운동>, <일과 에너지>, <전기와 자기>, <파동>, <현대 물리>의 5 영역으로 구분된다. 직전까지는 <힘과 운동>과 <일과 에너지>를 굳이 구분하지 않았으나, 성취 기준이 방대해진 나머지 쪼갰으며, 2022 개정 교육과정부터는 상대성 이론 관련 내용을 원래 <힘과 운동>에서 다루었으나 2025년부터 적용되는 교육과정부터는 모조리 <현대 물리>로 옮길 예정이다. 추가로 기존 <파동과 빛>도 <파동>과 <현대 물리>로 나누었다.
언급된 영역 모두 수식적인 요소를 피할 수 없을 뿐만 아니라 학문 자체를 수학할 때 구체적인 적용 활동이 필요해서인지, 일반 학생들이 다른 자연과학 분야(화학, 생물학, 지구과학, 천문학) 등에 비해 상대적으로 어렵게 느끼는 편이다. 2010년대 이래로 고등학교 이과생들 사이에서도 수험 과목으로서의 선호도가 낮은 편인데, 2021 수능 기준으로 고등학교 이과생 안에서도 15% 정도만이 수험 과목으로 선택했다.[4]
많은 학생들이 물리학을 열심히 공부하지 않고 대학에 진학하는데, 인문대학, 사회과학, 경영대학 등 물리학과는 거리가 먼 분야라면 상관은 없으나 본인이 공과대학이나 자연과학 등 이학 계열로 진학할 계획이라면 가능한 한 최선을 다해서 이수해야 한다. 물리학은 자연과학 중에서도 제일 많이 공학에 응용되는 학문이기 때문이다. 실제로 물리학은 안 하고 생명과학, 지구과학만 이수한 학생들이 공과대학에 가서 크게 고생하는 경우가 이만저만이 아니다. 물리학을 아예 놓는 사람을 물포자라고 일컫기도 하는데, 대부분의 이공계 대학 학과에서 물리학을 필수 교양 혹은 전공으로 걸어놓기 때문에, 대학에 진학한 이과생들 사이에서도 '고등학교 때 잘 안 해놔서 후회하는 과목'으로도 꼽히기도 한다.[5]
언급된 영역 모두 수식적인 요소를 피할 수 없을 뿐만 아니라 학문 자체를 수학할 때 구체적인 적용 활동이 필요해서인지, 일반 학생들이 다른 자연과학 분야(화학, 생물학, 지구과학, 천문학) 등에 비해 상대적으로 어렵게 느끼는 편이다. 2010년대 이래로 고등학교 이과생들 사이에서도 수험 과목으로서의 선호도가 낮은 편인데, 2021 수능 기준으로 고등학교 이과생 안에서도 15% 정도만이 수험 과목으로 선택했다.[4]
많은 학생들이 물리학을 열심히 공부하지 않고 대학에 진학하는데, 인문대학, 사회과학, 경영대학 등 물리학과는 거리가 먼 분야라면 상관은 없으나 본인이 공과대학이나 자연과학 등 이학 계열로 진학할 계획이라면 가능한 한 최선을 다해서 이수해야 한다. 물리학은 자연과학 중에서도 제일 많이 공학에 응용되는 학문이기 때문이다. 실제로 물리학은 안 하고 생명과학, 지구과학만 이수한 학생들이 공과대학에 가서 크게 고생하는 경우가 이만저만이 아니다. 물리학을 아예 놓는 사람을 물포자라고 일컫기도 하는데, 대부분의 이공계 대학 학과에서 물리학을 필수 교양 혹은 전공으로 걸어놓기 때문에, 대학에 진학한 이과생들 사이에서도 '고등학교 때 잘 안 해놔서 후회하는 과목'으로도 꼽히기도 한다.[5]
물리학을 뜻하는 영단어 physics는 자연을 의미하는 그리스어 φύσις(physis, 퓌시스)에서 기원했다. 고대 그리스에서 자연계의 사물을 이론적으로 취급하는 학문을 '자연학(physika)'이라고 불렀고 이는 물리학의 기원이 되었다. 퓌시스는 본성, 혹은 자연을 뜻하는데 이를 라틴어로 옮기면 natura, 영어로 옮기면 nature가 된다.
자연학을 형이상학과 분리한 인물로는 아리스토텔레스가 꼽히곤 한다. 아리스토텔레스는 자신의 철학을 제1철학과 제2철학으로 나누고 자연학을 제2철학으로 분류했다. 후세의 학자들은 아리스토텔레스의 제1철학에 해당하는 내용들을 모아서 자연학 다음에 배치하고는 형이상학(metaphysics)이란 이름을 붙였다. 즉, 아리스토텔레스와 후배 학자들은 physics와 본질 · 실체(substance)에 대한 논의를 포함하는 metaphysics를 구분했다.
아리스토텔레스의 형이상학에서 중심이 되는 단어가 있는데, 바로 οὐσία(ousia, 우시아)이다. 이를 라틴어로 옮기면 substantia 혹은 essentia이고, 다시 영어로 옮기면 substance 혹은 essence, 한국어로 옮기면 실체, 본질이다. 참고로 substance에는 '물질'이라는 뜻도 있지만, 물리학에서 물질이라는 의미를 말하고자 할 때는 matter라는 단어를 주로 쓴다. 즉 substance는 실체, matter는 물질이라고 구분하면 된다.
물리학은 본질 · 실체에 대하여 형이상학적으로 논하지는 않는 학문으로 여겨졌다.[6] 형이상학 중에서도 신, 영혼, 자유의지 등의 특수 형이상학은 물리학을 비롯한 자연과학에서 다루지 않는다. 한편 일반 형이상학은 물리학과의 약간의 접점이 존재한다. 특히 양자역학의 등장 이후 일반 형이상학적 개념에 의존하는 이론도 물리학으로 인정해야 하는지에 대해서 과학철학적 논쟁이 벌어졌다. 자세한 사항은 과학적 실재론 문서 참고.
자연학을 형이상학과 분리한 인물로는 아리스토텔레스가 꼽히곤 한다. 아리스토텔레스는 자신의 철학을 제1철학과 제2철학으로 나누고 자연학을 제2철학으로 분류했다. 후세의 학자들은 아리스토텔레스의 제1철학에 해당하는 내용들을 모아서 자연학 다음에 배치하고는 형이상학(metaphysics)이란 이름을 붙였다. 즉, 아리스토텔레스와 후배 학자들은 physics와 본질 · 실체(substance)에 대한 논의를 포함하는 metaphysics를 구분했다.
아리스토텔레스의 형이상학에서 중심이 되는 단어가 있는데, 바로 οὐσία(ousia, 우시아)이다. 이를 라틴어로 옮기면 substantia 혹은 essentia이고, 다시 영어로 옮기면 substance 혹은 essence, 한국어로 옮기면 실체, 본질이다. 참고로 substance에는 '물질'이라는 뜻도 있지만, 물리학에서 물질이라는 의미를 말하고자 할 때는 matter라는 단어를 주로 쓴다. 즉 substance는 실체, matter는 물질이라고 구분하면 된다.
물리학은 본질 · 실체에 대하여 형이상학적으로 논하지는 않는 학문으로 여겨졌다.[6] 형이상학 중에서도 신, 영혼, 자유의지 등의 특수 형이상학은 물리학을 비롯한 자연과학에서 다루지 않는다. 한편 일반 형이상학은 물리학과의 약간의 접점이 존재한다. 특히 양자역학의 등장 이후 일반 형이상학적 개념에 의존하는 이론도 물리학으로 인정해야 하는지에 대해서 과학철학적 논쟁이 벌어졌다. 자세한 사항은 과학적 실재론 문서 참고.
'물리학'이라는 단어는 한자로 '物理學'인데, 각각 '물건 물', '다스릴 리', '배울 학'이란 한자이다. 따라서 이 단어는 말 그대로 만물의 이치를 탐구한다는 뜻을 담고 있다.
서양 과학이 도입되던 청나라 말기의 중국에서는 물리학을 '격치학'이나 '격물학'으로 불렀다. 성리학에서 '세상의 이치를 꼼꼼하게 따져 알아낸다'는 '격물치지'(格物致知)에서 유래된 것이다.
'물리'(物理)라는 말은 오래 전부터 더 넓은 의미로 쓰던 것이다. 초나라의 갈관은 '갈관자'의 '왕부편'에서 물리를 '모든 것의 진실'이라는 의미로 사용했다. 오나라의 양천이 쓴 '물리론'이라는 책도 있다. 명·청의 학자 방이지는 현대의 인문학과 자연과학을 모두 아우르는 분야를 소개하는 '물리소식'(物理小識)이라는 백과사전을 펴내기도 했다.#
한국에는 이 단어가 일본에서 서양 어휘를 한자어로 번역하였고, 일본으로부터 학문을 수입하면서 같이 넘어온 것으로 알려져 있다.
서양 과학이 도입되던 청나라 말기의 중국에서는 물리학을 '격치학'이나 '격물학'으로 불렀다. 성리학에서 '세상의 이치를 꼼꼼하게 따져 알아낸다'는 '격물치지'(格物致知)에서 유래된 것이다.
'물리'(物理)라는 말은 오래 전부터 더 넓은 의미로 쓰던 것이다. 초나라의 갈관은 '갈관자'의 '왕부편'에서 물리를 '모든 것의 진실'이라는 의미로 사용했다. 오나라의 양천이 쓴 '물리론'이라는 책도 있다. 명·청의 학자 방이지는 현대의 인문학과 자연과학을 모두 아우르는 분야를 소개하는 '물리소식'(物理小識)이라는 백과사전을 펴내기도 했다.#
한국에는 이 단어가 일본에서 서양 어휘를 한자어로 번역하였고, 일본으로부터 학문을 수입하면서 같이 넘어온 것으로 알려져 있다.
물리학 연구는 ①보편 법칙[7]을 세우고, ② 그 법칙을 이용하여 이미 관측되어 알려져 있는 자연 현상을 설명(해석)하거나, ③ 알려지지 않은 새로운 현상을 예측하며, ④그 예측을 실험이나 관찰을 통해 검증하는 활동으로 구성되어 있다.
예전에는 물리학자라면 이 모든 활동을 다 하였다. 하지만 물리학이 발전하면서 실험과 관련된 지식이 고도로 복잡해졌다. 따라서 한 명의 물리학자가 이 모든 것을 다 한다는 것은 현실적으로 불가능해졌다. 따라서 현재는 실험과 관계된 분야를 전문으로 하는 실험물리학자와 이론과 관계된 분야를 전문으로 하는 이론물리학자로 구분된다.
구체적으로 ①, ②, ③은 이론물리학(theoretical physics), ④는 실험물리학(experimental physics)에 속한다. 다만 ②는 현실에선 실험물리학자들도 많이 한다. 즉 실험물리학자가 실험이나 관찰을 하다가 어떤 현상을 발견했는데, 그 현상에 대한 이론적 설명을 (이론물리학자에게 맡기는 게 아니라) 자신이 직접 하는 경우도 많다.
이론과 실험을 각각 다른 학자가 한 실제 사례는 아이작 뉴턴과 헨리 캐번디시를 들 수 있다. 뉴턴은 지구의 질량을 이론으로 도출했고, 100년 후에 캐번디시가 실험으로 이를 입증했다. 21세기의 가장 유명한 발견 사례는 중력파와 힉스 보손을 들 수 있다.
예전에는 물리학자라면 이 모든 활동을 다 하였다. 하지만 물리학이 발전하면서 실험과 관련된 지식이 고도로 복잡해졌다. 따라서 한 명의 물리학자가 이 모든 것을 다 한다는 것은 현실적으로 불가능해졌다. 따라서 현재는 실험과 관계된 분야를 전문으로 하는 실험물리학자와 이론과 관계된 분야를 전문으로 하는 이론물리학자로 구분된다.
구체적으로 ①, ②, ③은 이론물리학(theoretical physics), ④는 실험물리학(experimental physics)에 속한다. 다만 ②는 현실에선 실험물리학자들도 많이 한다. 즉 실험물리학자가 실험이나 관찰을 하다가 어떤 현상을 발견했는데, 그 현상에 대한 이론적 설명을 (이론물리학자에게 맡기는 게 아니라) 자신이 직접 하는 경우도 많다.
이론과 실험을 각각 다른 학자가 한 실제 사례는 아이작 뉴턴과 헨리 캐번디시를 들 수 있다. 뉴턴은 지구의 질량을 이론으로 도출했고, 100년 후에 캐번디시가 실험으로 이를 입증했다. 21세기의 가장 유명한 발견 사례는 중력파와 힉스 보손을 들 수 있다.
참조 문헌: <최무영의 과학이야기> 물리학의 범위
물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)이라고 상정하는데, 그 물질을 이루는 여러 단계를 생각할 수 있다. 그 중 어느 단계의 구성단위를 다루느냐에 따라 물리학을 아래와 같이 분류할 수 있다.
물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)이라고 상정하는데, 그 물질을 이루는 여러 단계를 생각할 수 있다. 그 중 어느 단계의 구성단위를 다루느냐에 따라 물리학을 아래와 같이 분류할 수 있다.
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기초 이론 물리학
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고전역학(classical mechanics)
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열 및 통계역학(thermodynamics and statistical mechanics)
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전자기학(electromagnetism)
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상대역학(relativistic mechanics)
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양자역학(quantum mechanics)
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고에너지 입자 및 핵물리학
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입자물리학(particle physics): 양성자, 중성자, 전자 따위의 기본입자, 곧 렙톤, 하드론 및 쿼크, 게이지입자 따위를 다루는 분야
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핵물리학(nuclear physics): 원자핵의 구조, 상호작용을 다루는 분야
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응집물질물리학(condensed matter physics): 원자나 분자가 엄청나게 많은 수가 모여야 비로소 우리가 감각기관으로 경험하는 물질이 된다. 그런 물질을 응집물질(condensed matter)이라고 부르고, 이를 다루는 분야를 응집물질물리학이라고 한다.
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고체물리학(solid-state physics): 고체의 성질에 대한 연구를 하는 물리학. 소자물리, 반도체물리가 이 분야이다.
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재료과학(materials science): 신소재과학으로도 불리는 분야로, 재료의 화학 · 물리적 속성을 다루는 학문이다.
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광학과 음향학
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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.
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음향학(accustics): 소리와 초음파뿐만 아니라 기체, 액체, 고체 내 모든 물리적 파동을 연구하는 분야이다.
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우주론(cosmology): 우주에 대해 연구하는 분야다. 빅뱅 때부터 현재나 미래의 우주까지 우주의 모델을 만든다. 우주는 그야말로 모든 것을 담고 있으므로 입자물리학부터 광학까지 안 쓰이는 분야가 없다.
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여러 물리학 분야가 융합 분야
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계산물리학(computational physics): 컴퓨터를 이용한 수치 계산을 수행하여 이론의 검증 및 실험을 수행할 수 없는 극한 상황을 이해하는 물리학 분야.
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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.
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화학물리학(chemical physics): 주로 원자, 분자 수준의 현상을 다룬다. 따라서 화학물리학은 원자분자물리학과 밀접한 관련이 있다.
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천체물리학(astrophysics): 천체물리학은 지구 밖 천체를 다루는데, 행성이나 항성에서부터 은하와 성간 및 은하간 물질, 블랙홀과 초신성 등을 연구하는 학문이다. 기본적으로 관측방식에서 주로 쓰이는 광학에서부터 입자물리, 핵물리, 응집물질물리, 우주론 등의 밑바탕이 필요한 분야이다.
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지구물리학(geophysics): 지구를 다루는 물리학. 지구물리학은 또다시 기상학, 기후학, 해양학, 구조지질학, 퇴적학, 암석학, 지진학, 화산학, 지구 전자기학, 지구 중력학 등으로 나눌 수 있다.
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생물물리학(biophysics): 생명체는 기본적으로 많은 수의 단백질 같은 분자들로 이뤄져 있으므로 생물물리학은 당연히 원자분자물리학과 응집물질물리학에 속한다고 할 수 있다.
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사회물리학(sociophysics): 군중의 행동을 이해하기 위해 수학 도구를 사용하는 물리 분야.
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경제물리학(econophysics): 경제 및 금융을 이해하기 위해 수학 도구를 사용하는 물리 분야.
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참조 문헌: <최무영의 과학이야기> 물리학의 범위
물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학(mechanics)이라고 하는데, 이는 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있다. 그 밖에 장이론을 추가할 수도 있다.
물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학(mechanics)이라고 하는데, 이는 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있다. 그 밖에 장이론을 추가할 수도 있다.
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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 상대성 이론에 의한 시공간 개념에 따라 고전역학과 양자역학을 만들 수도 있다. 이에 따라 상대론적 (고전)역학, 상대론적 양자역학이 만들어져서, 비상대론적 고전역학, 비상대론적 양자역학과 대비된다.
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고전역학(classical mechanics)
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상대론적 (고전)역학
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비상대론적 고전역학
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양자역학(quantum mechanics)
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상대론적 양자역학
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비상대론적 양자역학
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통계역학(statistical mechanics): 동역학으로부터 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.
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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.
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고전장이론
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양자장이론
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국내 물리학계에는 응집물질 물리학, 반도체 물리학 연구에 종사하는 연구자들이 많다. 이러한 분야는 산업적 응용성이 크고, 특히 대형 반도체 기업이 많은 국내 특성상 취업이 매우 용이하다는 장점이 있다. 이외에도 표준모형의 한계를 극복하고자 하는 초끈이론 등의 고에너지 물리학 연구자들 또한 대학이나 고등과학원같은 연구소에 재직중이며, 적지 않은 비율을 차지하고 있다.
물리학에 관해 깊은 지식을 가지고 있지 않은 사람들은 초끈이론이니 루프 양자 중력 이론이니, 우주론 · 암흑에너지 · 암흑물질이니 하는 것들에 비해 응집물질물리학이나 생물물리, 광학 등의 다른 분야는 별것 아닐 것 같이 느껴질지도 모른다. 그러나 고온 초전도체부터가 아직 완전히 설명되지 않았고, 유체역학에서의 난류처럼 카오스 이론을 적용해야 하는 복잡계의 문제들도 아직 설명되지 않았기 때문에 이쪽 분야들도 굉장히 어렵다.[8] 사실 타 분야들 또한 학문적 가치와 발전의 여지가 높다. 최근에는 위상물질이라는 새로운 분야가 개척되기도 했는데, 이 분야는 현재 양자컴퓨터가 가지고 있는 에러에 대한 취약함을 극복할 수 있는 가능성을 제시해주기도 한다.
현대적 의미의 물리학은 19세기 중엽에 운동, 빛, 소리, 전기, 자기, 열, 물질의 물리적 성질 등의 여러 오래된 과학을 종합해 형성되었다. 원래 근대 이전의 과학은 세분되지 않고, 소위 자연학(Φυσικὴ, 퓌시케) 또는 자연철학이라는 이름 아래 자연의 모든 것을 그 연구 대상으로 삼았다. 그런데 르네상스기를 지나고 17세기에 들어서서, 자연학은 급속히 진보하여 화학을 비롯한 천문학, 지질학, 광물학, 동물학, 식물학 등이 독립하였다. 그리하여 자연학에 남아 있는 것은 (고전)역학, 광학, 열학, 음향학 등이었는데, 이것들과 나중에 흥하게 된 전자기학이 함께 묶여서 19세기 중엽에 물리학이라는 이름으로 불리게 되었던 것이다.(그리고 이후 원자에 관한 지식이 증가하면서 양자 역학이 물리학에 추가되었다.) 사실 '물리학자(physicist)'라는 말이 W. 휘웰에 의해서 만들어진 것은 1840년의 일에 지나지 않는다.
인간은 옛날부터 자신들이 살고 있는 자연에 대하여 많은 의문을 품어왔다. 만물은 무엇으로 되어 있을까? 자연 현상은 어떻게 일어나는 것인가? 도교는 세상을 도로 설명하며, 힌두교는 윤회, 이집트 역시 땅, 죽음, 강, 태양의 신 등을 내놓아 설명하기 시작했고, 그리스 역시 이를 따르다 결국 인도와 중국처럼 종교와 철학에 의존하여 만물을 설명하였다.
그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는 데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.[9] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 한동안 묻혔으나[10] 그리스인들이 보존한 저서들이 십자군 전쟁 이후 서유럽에 다시 전해졌는데, 당시 엄청난 센세이션을 일으켰을 정도로 나름대로 자연에 대한 통찰이 가득했고,[11] 아리스토텔레스의 해석은 근대과학이 태동하기 전까지 서양 세계에서 지배적인 자연관(우주관)의 위치를 차지하였다.
그러나 16세기 후반에서 17세기 초, 처음으로 운동을 설명하기 위해 관성의 개념이 창안되어 도입되기 시작했다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는' 힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는' 힘인 것을 상상해 내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 됐다.
반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 따라 점차 뉴턴의 운동법칙에 갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀냈으며[12], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해 냈다. 하지만 이것이 한계였다. 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다. (Fowles의 해석역학 참조.)
그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는 데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.[9] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 한동안 묻혔으나[10] 그리스인들이 보존한 저서들이 십자군 전쟁 이후 서유럽에 다시 전해졌는데, 당시 엄청난 센세이션을 일으켰을 정도로 나름대로 자연에 대한 통찰이 가득했고,[11] 아리스토텔레스의 해석은 근대과학이 태동하기 전까지 서양 세계에서 지배적인 자연관(우주관)의 위치를 차지하였다.
그러나 16세기 후반에서 17세기 초, 처음으로 운동을 설명하기 위해 관성의 개념이 창안되어 도입되기 시작했다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는' 힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는' 힘인 것을 상상해 내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 됐다.
반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 따라 점차 뉴턴의 운동법칙에 갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀냈으며[12], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해 냈다. 하지만 이것이 한계였다. 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다. (Fowles의 해석역학 참조.)
그리고 아이작 뉴턴이 나타났다. 그는 지상에 흩어져 있는 물리학 지식의 파편들을 모아 세 가지 법칙을 만들었다. 뉴턴은 지금까지의 모든 관찰 결과들이 이 세 가지 법칙을 만족한다는 사실을 깨달았고, 이를 프린키피아 세 권에 담았다. 그의 방법을 이용하면 물체의 초기 조건을 아는 경우 그 후 물체가 어떻게 운동할 것인지를 알아낼 수 있다. 하지만 단점이 하나 있는데, 물체가 왜 그렇게 운동하는지를 모른다는 사실이다. 뉴턴 자신도 이를 인정했으며, 그는 물체가 왜 이렇게 운동하는지에 대해서는 전혀 언급하지 않았고 단지 이렇게 계산하면 결과가 실제와 정확하게 일치한다는 것을 보였다. 이렇게 고전역학이 탄생하였으며 뉴턴 이전에 철학의 한 부분이었던 물리학을 뉴턴 이후에는 수학을 언어로 사용하며 인간이 이를 쉽게 다룰 수 있게 했다. 그러나 이 수학의 언어를 사용하지 않고도 문제는 쉽게 풀 수 있다.
뉴턴이 고전역학을 시작해서 마무리 짓고, 광학을 개발했다. 이는 곧 자연을 탐구하는 모든 학문과 계몽사조에까지 거대한 영향을 미쳤다. 곧 많은 철학 분야에서 뉴턴주의를 지향, 뉴턴의 방법론을 시도해 보기 시작했으며, 심지어는 다른 과학분야들 역시 뉴턴의 계량적 사조에 큰 영향을 받았다. 그 뒤로 열역학이라는, 뚜렷이 고전 역학과 다른 신묘한 분야가 개발되기 시작했고, '칼로릭 이론'이라는 틀린 이론을 통해 시행착오를 겪은 뒤 카르노의 원리 등을 시작으로 열에서도 제대로 된 물리학적 고찰이 이어지기 시작했다. 이는 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 통해 정량적인 열역학 개념을 완성해 나갔다. 고전역학이라는 수학분야, 광학이라는 실험분야와 함께 열역학이라는 또 하나의 물리학 분야가 탄생한 것이다.
열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두 가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 고전역학으로 완전한 수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛, 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라 보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할 게 없다! 지구상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 앨버트 마이컬슨은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발아래에 둔 것인가? 하지만 얼마 안 가 지상 최강의 정모가 열렸고, 물리학은 헬게이트를 맞이하게 된다.
열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두 가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 고전역학으로 완전한 수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛, 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라 보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할 게 없다! 지구상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 앨버트 마이컬슨은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발아래에 둔 것인가? 하지만 얼마 안 가 지상 최강의 정모가 열렸고, 물리학은 헬게이트를 맞이하게 된다.
그리고 19세기 프로이센. 프로이센-프랑스 전쟁은 끝났지만 아직도 과학기술의 주도권은 프랑스에게 있었다. 그러나 알자스 로렌도 먹었겠다, 독일 제국의 황제는 철강산업을 포함한 모든 산업기강을 발전시키려고 했다. 그가 과학자들에게 가장 처음 명한 것은 "저 망할 용광로의 온도를 어떻게 재는가?"에 대한 답. 물리학자들이 내놓은 대답은 쉬웠다. 온도계를 못 넣는다고? 그럼 스펙트럼을 측정하면 되지. 이 대답과 함께 과학자들은 흑체가 내놓는 스펙트럼과 온도의 관계에 대해 연구하기 시작한다.
문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[13], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? "틀리다고 증명될 때까지 잠정적으로 옳다고 믿는다." 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 온 것이었다.
막스 플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.
한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 1/ϵ0μ0 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.
빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[14] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[15]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다.[16] 이때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성 이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두 가지 가정을 통하여 특수상대성 이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성 이론을 발표한다. 자세한 내용은 상대성 이론 참조.
후에, 루이 드 브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[17] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어 있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지 손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과다.
에르빈 슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[18] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 발표되었다.[19] 그 후에 폴 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[20]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.
문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[13], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? "틀리다고 증명될 때까지 잠정적으로 옳다고 믿는다." 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 온 것이었다.
막스 플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.
한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 1/ϵ0μ0 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.
빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[14] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[15]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다.[16] 이때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성 이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두 가지 가정을 통하여 특수상대성 이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성 이론을 발표한다. 자세한 내용은 상대성 이론 참조.
후에, 루이 드 브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[17] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어 있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지 손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과다.
에르빈 슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[18] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 발표되었다.[19] 그 후에 폴 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[20]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.
현대물리학은 소립자와 그 소립자 간의 상호작용을 다루는 표준 모형과 중력을 상대론적으로 기술하는 일반 상대성 이론이 토대를 구성하고 있다. 표준 모형은 상대론적 양자장론으로 기술되는데 미시적인 현상을 다루는 데 효과적이나 중력을 포함하고 있지 않다.[21] 일반상대론은 양자역학적이지 않은 고전적인 이론으로 거시적인 중력현상을 잘 설명하여 작게는 GPS 위성 신호의 중력편이에서부터 크게는 우주론에까지 응용된다.
물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법, 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다.
쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈 이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다. 또한, 천문학에는 물리학이 설명하지 못하는 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이나 암흑에너지의 발견을 비롯하여, 코로나 문제 같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제가 산재해 있다.
한편 이처럼 아직 확립되지 않은 새로운 이론을 연구를 하는 건 전체 물리학자들 중에서는 소수이고, 다수의 물리학자들은 이미 확립된 이론을 이용해 알려진(혹은 관측된) 현상을 논리적으로 설명하고, 새로운 현상을 예측 및 발견하는 연구를 한다. 그런데 이건 지극히 자연스러운 모습이다. 과학철학자이자 물리학 박사인 토마스 쿤이 얘기했듯이, 원래 대부분의 과학자들은 과학자 사회에 어떤 패러다임[22]이 정착된 이후에는 그 패러다임을 이용하여 각종 문제를 푸는 활동[23]에 종사하는 사람들이지, 새로운 패러다임을 찾으려는 사람들이 아니다. 다만 문제풀이 활동 중, 기존 패러다임으로는 도저히 풀리지 않는 현상이 발견됐을 때[24], 비로소 새로운 패러다임을 찾으려는 소수의 사람들[25]이 등장하고, 그 시도가 성공하면 소위 과학혁명(패러다임 시프트)이 이루어지는 것이다. 따라서 물리학자들 대부분이 새로운 이론(새로운 패러다임)을 만드는 연구보다는 기존 이론(현재의 패러다임)을 가지고 각종 현상을 예측 및 설명하는 연구에 종사하는 것은 토마스 쿤의 설명에 의하면 지극히 자연스러운 모습이다.
현대에 와서는 물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅 데이터 프로세싱이나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.
어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학(존재론)적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.
물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법, 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다.
쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈 이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다. 또한, 천문학에는 물리학이 설명하지 못하는 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이나 암흑에너지의 발견을 비롯하여, 코로나 문제 같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제가 산재해 있다.
한편 이처럼 아직 확립되지 않은 새로운 이론을 연구를 하는 건 전체 물리학자들 중에서는 소수이고, 다수의 물리학자들은 이미 확립된 이론을 이용해 알려진(혹은 관측된) 현상을 논리적으로 설명하고, 새로운 현상을 예측 및 발견하는 연구를 한다. 그런데 이건 지극히 자연스러운 모습이다. 과학철학자이자 물리학 박사인 토마스 쿤이 얘기했듯이, 원래 대부분의 과학자들은 과학자 사회에 어떤 패러다임[22]이 정착된 이후에는 그 패러다임을 이용하여 각종 문제를 푸는 활동[23]에 종사하는 사람들이지, 새로운 패러다임을 찾으려는 사람들이 아니다. 다만 문제풀이 활동 중, 기존 패러다임으로는 도저히 풀리지 않는 현상이 발견됐을 때[24], 비로소 새로운 패러다임을 찾으려는 소수의 사람들[25]이 등장하고, 그 시도가 성공하면 소위 과학혁명(패러다임 시프트)이 이루어지는 것이다. 따라서 물리학자들 대부분이 새로운 이론(새로운 패러다임)을 만드는 연구보다는 기존 이론(현재의 패러다임)을 가지고 각종 현상을 예측 및 설명하는 연구에 종사하는 것은 토마스 쿤의 설명에 의하면 지극히 자연스러운 모습이다.
현대에 와서는 물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅 데이터 프로세싱이나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.
어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학(존재론)적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.
따로 문서가 생길 만큼 두 학문과의 관계는 매우 긴밀하며, 물리학은 많은 부분에서 수학을 언어로서 이용하고 있다.
우주를 형성하는, 우주를 지배하는 근본원리라는 것이 있다. 이것을 물리법칙이라고 부른다. 즉 물리법칙이 화가라면, 우주의 각종 자연현상들은 화가가 그려내는 그림들이다. 태양과 달의 운동도 물리법칙에 의해 일어나는 것이고, 화학반응 뒤에도 양자역학 등의 물리법칙이 숨어있다. 태풍, 엘니뇨 등 대기와 해양의 여러 현상, 생물체 내의 각종 현상도 근본을 따져보면 결국 물리법칙에 의해 일어나는 것이다. 지진, 화산 등 지질현상도 마찬가지다.
물리학은 이러한 근본원리(물리법칙)를 찾아내려는 학문인 반면(이론과학), 여타의 자연과학들은 이러한 물리법칙에 의해 형성된 각종 자연현상 그 자체를 연구하는 학문이다(현상과학). 즉 물리학은 화가의 정체를 찾아내려는 학문인 반면, 여타의 자연과학들은 그 화가가 그린 그림 그 자체를 연구하는 학문이다. 구체적으로 보면 천문학은 물리법칙에 의해 형성된 각종 천문 현상을 연구하는 학문이고, 화학은 물리법칙에 의해 일어나는 분자 수준의 자연 현상을 연구하는 것이고, 생물학은 물리법칙에 의해 일어나는 생명 활동을 연구하고, 대기과학은 물리법칙에 의해 형성된 대기 현상이라는 자연을 연구하는 학문이다. 대기과학뿐만 아니라 지질학, 해양학 등 지구과학 전체가 모두 마찬가지다.
이상적으로는 맞는 말이고 근대물리학 까지는 맞는 말이었지만 현실의 물리학 연구자의 숫자는 이론적인 물리학을 하는 사람은 소수고 대부분 이론의 적절한 적용을 연구분야로 삼고 있다. 따라서 천문학과 물리학의 경계는 매우 모호하다. 특히 전통적인 관측천문학 분야가 아닌 우주론, 블랙홀, 플라스마핵물리 분야의 경우 물리학과나 천문학과 어느 쪽에 소속되어 연구를 해도 이상하지 않다. 대표적으로 중력파 관측 실험 중 하나인 LIGO와 관련된 이론적, 수치해석적 연구의 경우 일반상대론을 사용하는 것이지만 천문학과에 소속되어 연구하는 사람도 많고, 천문학자들의 연구가 블랙홀 연구에 직접적으로 영향을 준다. 이런 경우는 이미 천문학이 물리학과 별개의 학문이라고 보기 어려울 정도이다. 즉, 천체물리학 분야는 응집물질물리학, 입자물리학, 생물물리학 등 다양한 물리학 응용분과의 하나이지만 그 중에서도 분야가 방대해서 다른 학과로 떨어져나간 것으로도 볼 수 있다.
이처럼 물리학은 모든 자연과학의 근본이라고 할 수 있다.[26] 따라서 어떤 자연과학을 연구하더라도 정도의 차이는 있지만, 물리학 지식을 필요로 하는데, 그 중에서도 특히 천문학은 물리학 지식을 굉장히 많이 필요로 하는 학문이다. 일례로 서울대학교의 경우에는 학부 과정에선 아예 물리학과 천문학을 모두 다루는 물리천문학부를 운영하되 2학년 과정부턴 본격적으로 전공과목들이 나눠졌었다.(이제는 따로 선발한다) 분리 이후에도 물리학 전공과 천문학 전공이 공통적으로 듣는 전공 과목들이 상당수 있다. 예를 든다면 고전역학, 양자역학, 전자기학, 상대성 이론 등의 물리학과목과 미분방정식, 선형대수학 등의 수학과목이 있다.
한편 물리학과 천문학은 상호협력하면서 발전해왔다. 천문학자들이 관측을 하다가, 어떤 천문 현상을 발견했는데, 그 현상이 일어나는 이유에 대한 설명을 시도하다가, 새로운 물리학 이론이 등장하기도 한다. 예를 들어 티코 브라헤, 케플러 등이 관측하여 정리한 '태양계 내 행성의 운동'이라는 현상을 논리적으로 설명하려는 과정에서 그 유명한 아이작 뉴턴의 운동법칙이 탄생했다.[27]심지어 어떤 천문 현상이 기존 물리학 이론으로는 도저히 설명이 안될 경우, 기존 물리학 이론의 폐기 및 새로운 물리학 이론의 등장을 불러일으키기도 한다 (패러다임 쉬프트). 반대로 새로운 물리학 이론이 먼저 제기되고, 그에 대한 관측적 증거가 후에 천문학자에 의해 발견되는 경우도 많다. 예를 들어 물리학자 아인슈타인이 일반 상대성 이론 논문을 내놓을 당시 해당 이론은 어디까지나 가설이었을 뿐, 실험적/관측적 증거는 없었다. 그러다 후에 영국의 천문학자인 에딩턴이 일반 상대성 이론이 예측하는 현상에 대한 관측에 성공하였다. 에딩턴은 일식 현상 관측을 통하여 '빛이 중력에 의해 휘어진다'는 아인슈타인의 이론이 옳다는 것을 확인하였던 것이다.
이렇게 물리학과 많은 관련이 있다보니 노벨 물리학상은 천문학분야(더 정확히는 우주과학)의 업적도 모두 아울러서 판단하여 시상한다. NASA 등의 굵직한 우주 탐사 미션이 성과를 내면 해당 프로그램의 천문학이나 지구과학(을 기반으로 연구하는 행성과학)을 전공한 수석 과학자들은 논문 제1저자이자 연구단 총책임자로서 노벨 물리학상 후보로 떠오르게 마련이며, 심지어 물리학과는 직접적으로 상관이 없어보이는 외계 행성 발견이 노벨상의 주제가 되기도 했다.
이럼에도 불구하고 천문학은 흔히 물리학보다 지구과학과 엮이게 된다. 물론 지구과학과 천문학이 서로 연관없는 학문은 아니지만, 물리학과의 관계와 비교해서도 지구과학과 더 엮이게 되는 교육과정을 비롯한 대중의 천문학에 대한 인식은 아이러니한 면이 있다.
물리학은 이러한 근본원리(물리법칙)를 찾아내려는 학문인 반면(이론과학), 여타의 자연과학들은 이러한 물리법칙에 의해 형성된 각종 자연현상 그 자체를 연구하는 학문이다(현상과학). 즉 물리학은 화가의 정체를 찾아내려는 학문인 반면, 여타의 자연과학들은 그 화가가 그린 그림 그 자체를 연구하는 학문이다. 구체적으로 보면 천문학은 물리법칙에 의해 형성된 각종 천문 현상을 연구하는 학문이고, 화학은 물리법칙에 의해 일어나는 분자 수준의 자연 현상을 연구하는 것이고, 생물학은 물리법칙에 의해 일어나는 생명 활동을 연구하고, 대기과학은 물리법칙에 의해 형성된 대기 현상이라는 자연을 연구하는 학문이다. 대기과학뿐만 아니라 지질학, 해양학 등 지구과학 전체가 모두 마찬가지다.
이상적으로는 맞는 말이고 근대물리학 까지는 맞는 말이었지만 현실의 물리학 연구자의 숫자는 이론적인 물리학을 하는 사람은 소수고 대부분 이론의 적절한 적용을 연구분야로 삼고 있다. 따라서 천문학과 물리학의 경계는 매우 모호하다. 특히 전통적인 관측천문학 분야가 아닌 우주론, 블랙홀, 플라스마핵물리 분야의 경우 물리학과나 천문학과 어느 쪽에 소속되어 연구를 해도 이상하지 않다. 대표적으로 중력파 관측 실험 중 하나인 LIGO와 관련된 이론적, 수치해석적 연구의 경우 일반상대론을 사용하는 것이지만 천문학과에 소속되어 연구하는 사람도 많고, 천문학자들의 연구가 블랙홀 연구에 직접적으로 영향을 준다. 이런 경우는 이미 천문학이 물리학과 별개의 학문이라고 보기 어려울 정도이다. 즉, 천체물리학 분야는 응집물질물리학, 입자물리학, 생물물리학 등 다양한 물리학 응용분과의 하나이지만 그 중에서도 분야가 방대해서 다른 학과로 떨어져나간 것으로도 볼 수 있다.
이처럼 물리학은 모든 자연과학의 근본이라고 할 수 있다.[26] 따라서 어떤 자연과학을 연구하더라도 정도의 차이는 있지만, 물리학 지식을 필요로 하는데, 그 중에서도 특히 천문학은 물리학 지식을 굉장히 많이 필요로 하는 학문이다. 일례로 서울대학교의 경우에는 학부 과정에선 아예 물리학과 천문학을 모두 다루는 물리천문학부를 운영하되 2학년 과정부턴 본격적으로 전공과목들이 나눠졌었다.(이제는 따로 선발한다) 분리 이후에도 물리학 전공과 천문학 전공이 공통적으로 듣는 전공 과목들이 상당수 있다. 예를 든다면 고전역학, 양자역학, 전자기학, 상대성 이론 등의 물리학과목과 미분방정식, 선형대수학 등의 수학과목이 있다.
한편 물리학과 천문학은 상호협력하면서 발전해왔다. 천문학자들이 관측을 하다가, 어떤 천문 현상을 발견했는데, 그 현상이 일어나는 이유에 대한 설명을 시도하다가, 새로운 물리학 이론이 등장하기도 한다. 예를 들어 티코 브라헤, 케플러 등이 관측하여 정리한 '태양계 내 행성의 운동'이라는 현상을 논리적으로 설명하려는 과정에서 그 유명한 아이작 뉴턴의 운동법칙이 탄생했다.[27]심지어 어떤 천문 현상이 기존 물리학 이론으로는 도저히 설명이 안될 경우, 기존 물리학 이론의 폐기 및 새로운 물리학 이론의 등장을 불러일으키기도 한다 (패러다임 쉬프트). 반대로 새로운 물리학 이론이 먼저 제기되고, 그에 대한 관측적 증거가 후에 천문학자에 의해 발견되는 경우도 많다. 예를 들어 물리학자 아인슈타인이 일반 상대성 이론 논문을 내놓을 당시 해당 이론은 어디까지나 가설이었을 뿐, 실험적/관측적 증거는 없었다. 그러다 후에 영국의 천문학자인 에딩턴이 일반 상대성 이론이 예측하는 현상에 대한 관측에 성공하였다. 에딩턴은 일식 현상 관측을 통하여 '빛이 중력에 의해 휘어진다'는 아인슈타인의 이론이 옳다는 것을 확인하였던 것이다.
이렇게 물리학과 많은 관련이 있다보니 노벨 물리학상은 천문학분야(더 정확히는 우주과학)의 업적도 모두 아울러서 판단하여 시상한다. NASA 등의 굵직한 우주 탐사 미션이 성과를 내면 해당 프로그램의 천문학이나 지구과학(을 기반으로 연구하는 행성과학)을 전공한 수석 과학자들은 논문 제1저자이자 연구단 총책임자로서 노벨 물리학상 후보로 떠오르게 마련이며, 심지어 물리학과는 직접적으로 상관이 없어보이는 외계 행성 발견이 노벨상의 주제가 되기도 했다.
이럼에도 불구하고 천문학은 흔히 물리학보다 지구과학과 엮이게 된다. 물론 지구과학과 천문학이 서로 연관없는 학문은 아니지만, 물리학과의 관계와 비교해서도 지구과학과 더 엮이게 되는 교육과정을 비롯한 대중의 천문학에 대한 인식은 아이러니한 면이 있다.
보통 고등학교 2학년 때부터 이공계생이 전문적으로 배우기 시작하는데 수학과의 연관성이 상당하다. 그래서 수포자들은 당연히 피를 본다.[28] 물포자 문제가 있는데 물포자와 비슷한 말로 물안개(물리 안해 개새끼야)를 외치는 학생들도 많이 나오고, 일부 선생들에겐 '제물포', 즉 제(쟤) 때문에 물리 포기란 별명이 많이 붙는다고. 고등학교, 대학교에서 물리학-수학 관계가 어떤지는 해당 문서 참조바람. 이 두 과목은 연관성이 매우 깊지만 바라보는 관점은 약간 다른데, 수학은 특정 개념을 기반으로 문제들을 논리적으로 해결하는데 초점이 맞추어져 있고, 물리는 보통 수학을 이용해 만물의 자연현상과 이치를 탐구하는데 초점이 맞추어져 있다.
공과대학에 입학한 학생들도 물리학을 공부하게 된다. 기계공학, 토목공학, 전기공학 등 공학의 모든 영역들도 물리학을 가장 기반으로 깔고 있기 때문이다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 요새 뜨고 있다는 나노공학[29] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 즉 웬만한 공과대학에 들어간 것 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다. 따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받으며, 심지어 사회과학으로 분류되어 있는 경제학 계열에서도 환영한다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만.
현대 이론물리는 복잡하면서도 난해한 이론들에 대한 이해가 기반인만큼, 상당히 학업 난이도가 높아서 어느정도 똑똑한 학생들이 선택하는데도 불구하고 중간에 포기하는 학생들이 생각보다 많이 생긴다. 하지만 전세계 대부분의 대학에서 매우 복잡한 이론물리 과목들은 보통 필수과목이 아닌 선택과목으로 정해 놓고 있다. 필수과목은 주로 고전역학, 전자기학, 양자역학, 및 통계역학과 고급물리실험 정도이다.
국내에서 주관하는 물리학 관련 시험엔 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.
공과대학에 입학한 학생들도 물리학을 공부하게 된다. 기계공학, 토목공학, 전기공학 등 공학의 모든 영역들도 물리학을 가장 기반으로 깔고 있기 때문이다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 요새 뜨고 있다는 나노공학[29] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 즉 웬만한 공과대학에 들어간 것 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다. 따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받으며, 심지어 사회과학으로 분류되어 있는 경제학 계열에서도 환영한다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만.
현대 이론물리는 복잡하면서도 난해한 이론들에 대한 이해가 기반인만큼, 상당히 학업 난이도가 높아서 어느정도 똑똑한 학생들이 선택하는데도 불구하고 중간에 포기하는 학생들이 생각보다 많이 생긴다. 하지만 전세계 대부분의 대학에서 매우 복잡한 이론물리 과목들은 보통 필수과목이 아닌 선택과목으로 정해 놓고 있다. 필수과목은 주로 고전역학, 전자기학, 양자역학, 및 통계역학과 고급물리실험 정도이다.
국내에서 주관하는 물리학 관련 시험엔 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.
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자연계 논술: 물리
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검정고시: 과학(필수과목)
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편입학(연세대, 고려대, 중앙대): 물리
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5급기술의 대부분 과목
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7급 공개경쟁채용시험 : 물리학개론(일반기계직, 전기직, 일반토목직, 건축직, 통신기술직, 전송기술직)
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7급 기상직 공개경쟁채용시험 : 물리학개론(기상직)
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소방간부후보생 선발 시험: 1차 자연계열 자연과학개론, 물리학개론
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초등교원임용경쟁시험 교육과정 중 과학
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중등교원임용경쟁시험 물리
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변리사시험: 1차 자연과학개론에서 10문제가 출제된다.
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물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)의 운동(Motion)이라고 상정한다. 그리고 운동 중인 물질들이 서로 충돌(상호작용, 힘) 하면서 다양한 자연 현상이 나타나는 것이라고 보고 있다. 물리학은 이러한 물질의 운동을 자연 현상 전체로 보편화/일반화시키는 학문이다. 이는 특정 범주의 자연 현상만을 대상으로 하는 다른 자연과학과의 차별성이 드러나는 지점인데, 물리학은 가급적 넓은 범위의 자연 현상, 그리고 가능하다면 모든 자연 현상에 공통적으로 적용되는 법칙을 찾으려 한다. 그리고 이러한 보편 법칙을 역학(Mechanics)이라 부른다.
그래서 물리학(정확히는 이론물리학)의 궁극적 목표를 정리하자면, 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙을 발견하는 것이라고 볼 수 있다. 이를 통일장 이론 또는 모든 것의 이론(Theory of Everything)이라고 한다. 아인슈타인도 말년에 이 연구에 몰입했었고, 현재도 많은 학자들이 이에 대한 연구를 하고 있지만, 아직 발견되지 않았고, 현재는 어떤 세계를 기술하느냐에 따라 운동법칙이 다른 상황이다.
일상 세계를 기술하려면 뉴턴의 고전역학으로 충분하지만, 원자나 분자 등 작은 세계의 기술에는 양자역학, (빛의 빠르기에 비해 너무 늦지 않은) 빠른 세계나 중력이 매우 중요하게 작용하는 거대 세계[35]를 기술하는 경우에는 상대성 이론을 써야 한다.
다만, 양자역학이 일상 세계에서 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에도 적용할 수 있다. 양자역학을 일상 세계에 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 도출된다. 또한 상대성 이론도 빠른 세계나 거대 세계에만 적용되는 것이 아니라, 일상 세계에도 적용된다. 상대성 이론을 일상세계에 적용하면 고전역학과 같은 결과를 얻게 된다. 일반적으로 일상 세계에서는 상대론적 수정이 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러면 작고 빠른 세계는 어떻게 해야 될까? 예를 들어 양성자가 매우 빠르게 움직이는 경우가 그러하다. 작은 것을 기술하는 양자역학과 빠른 것을 기술하는 특수상대성 이론, 두 가지를 합쳐야 한다. 이에 따라 이른바 상대론적 양자역학(relativistic quantum mechanics)이라는 것이 만들어졌다.
그래서 물리학(정확히는 이론물리학)의 궁극적 목표를 정리하자면, 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙을 발견하는 것이라고 볼 수 있다. 이를 통일장 이론 또는 모든 것의 이론(Theory of Everything)이라고 한다. 아인슈타인도 말년에 이 연구에 몰입했었고, 현재도 많은 학자들이 이에 대한 연구를 하고 있지만, 아직 발견되지 않았고, 현재는 어떤 세계를 기술하느냐에 따라 운동법칙이 다른 상황이다.
일상 세계를 기술하려면 뉴턴의 고전역학으로 충분하지만, 원자나 분자 등 작은 세계의 기술에는 양자역학, (빛의 빠르기에 비해 너무 늦지 않은) 빠른 세계나 중력이 매우 중요하게 작용하는 거대 세계[35]를 기술하는 경우에는 상대성 이론을 써야 한다.
다만, 양자역학이 일상 세계에서 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에도 적용할 수 있다. 양자역학을 일상 세계에 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 도출된다. 또한 상대성 이론도 빠른 세계나 거대 세계에만 적용되는 것이 아니라, 일상 세계에도 적용된다. 상대성 이론을 일상세계에 적용하면 고전역학과 같은 결과를 얻게 된다. 일반적으로 일상 세계에서는 상대론적 수정이 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러면 작고 빠른 세계는 어떻게 해야 될까? 예를 들어 양성자가 매우 빠르게 움직이는 경우가 그러하다. 작은 것을 기술하는 양자역학과 빠른 것을 기술하는 특수상대성 이론, 두 가지를 합쳐야 한다. 이에 따라 이른바 상대론적 양자역학(relativistic quantum mechanics)이라는 것이 만들어졌다.
간혹 물리학의 정의를 '자연을 연구(탐구)하는 학문'이라고 알고 있는 사람도 있다. 비전공자뿐만 아니라 물리학 전공자 중에서도 막연히 이렇게 알고 있는 경우가 많다. 대부분의 물리학 교과서(특히 일반물리학 교과서)에 물리학의 정의와 분류를 소홀히 다루기 때문에 벌어진 일이다. 자연을 연구(탐구)하는 학문'이라는 것은 자연과학의 정의이지, 물리학의 정의는 아니다.
물리학에 따르면, 모든 자연현상은 물질에 의한 현상이다. 그래서 물리학은 모든 자연 현상을 연구한다고도 볼 수 있다. 그런데 특정한 범위의 자연 현상에 대해서는 그것만을 전문적으로 다루는 학문이 별도로 존재한다. 생물학, 화학, 지구과학, 천문학이 그것이다. 그러면 물리학과 다른 자연과학이 같은 자연 현상을 탐구할 때 어떠한 차이가 있을까? 예를 들어 물리학이 생명현상을 탐구하는 경우 생물학과 어떻게 다를까?
다른 자연과학과 대비할 때 물리학의 차별성은 보편지식을 추구한다는 데 있다.# 이에 대해 물리학자 최무영 교수는 아래와 같이 설명한다.<최무영의 과학이야기>- 과학적 사고란
물리학에 따르면, 모든 자연현상은 물질에 의한 현상이다. 그래서 물리학은 모든 자연 현상을 연구한다고도 볼 수 있다. 그런데 특정한 범위의 자연 현상에 대해서는 그것만을 전문적으로 다루는 학문이 별도로 존재한다. 생물학, 화학, 지구과학, 천문학이 그것이다. 그러면 물리학과 다른 자연과학이 같은 자연 현상을 탐구할 때 어떠한 차이가 있을까? 예를 들어 물리학이 생명현상을 탐구하는 경우 생물학과 어떻게 다를까?
다른 자연과학과 대비할 때 물리학의 차별성은 보편지식을 추구한다는 데 있다.# 이에 대해 물리학자 최무영 교수는 아래와 같이 설명한다.<최무영의 과학이야기>- 과학적 사고란
과학적 사고의 마지막 요소는, 단편적 지식들을 '하나의 합리적인 체계'로 설명하려고 시도한다는 겁니다. 특정지식은 개별 과학적 사실(scientific fact)들을 말하는데 이들을 묶어서 보편지식 체계를 만들어내려고 시도합니다. 보편지식을 간단하게 이론(theory)이라고 하지요. 사과가 땅으로 떨어지는 현상이나 계절이 돌아오고, 밀물과 썰물이 생기는 것은 하나하나가 과학적 사실이고 특정지식입니다. 그런 것들을 얼핏 보면 서로 관계가 없어 보이지만 하나의 보편적 체계로 묶을 수가 있습니다. 그게 뭘까요? 뉴턴의 '중력의 법칙'입니다. (이른바 만유인력이라는 용어보다는 중력이라는 용어가 적절합니다.)
과학에서는 이렇게 아무 관련이 없어 보이는 여러 지식들을 묶어서 하나의 체계로 만들어내려 노력합니다. 이러한 경향이 물리학에서 가장 두드러지며, 이로써 물리학은 다른 자연과학과 구분 되지요. 물리학은 바로 보편지식 체계를 추구하는 학문이고, 다른 자연과학은 대부분 특정지식을 추구하는 학문입니다.
생물학이나 천문학, 지구과학 등 특정지식을 추구하는 자연과학은 현상과학이라고 부르는 반면, 보편지식을 추구하는 물리학은 이론과학이지요. 요즘 생겨난 천체물리(astrophysics), 화학물리(chemical physics), 지구물리(geophysics), 생물물리(biophysics; biological physics) 같은 것은 각 과학 분야의 특정지식들을 보편적 체계로 이해해보려는 시도라 할 수 있습니다.
All science is either physics or stamp collecting.
자연과학은 물리학이거나 아니면 우표수집이다.
어니스트 러더퍼드
러더퍼드의 말은 이론과학인 물리학 외에 다른 과학은 자료를 모으는 활동이라는 뜻이다.[36] 즉, 보편지식 체계를 구축하는 이론과학이 아니면 단순히 현상을 기술하는 현상론(phenomenology)이라는 뜻.
Oppenheimer, they tell me you are writing poetry. I do not see how a man can work on the frontiers of physics and write poetry at the same time. They are in opposition. In science you want to say something that nobody knew before, in words which everyone can understand.
줄리어스 로버트 오펜하이머, 당신이 시를 쓴다고 들었습니다. 어떻게 물리학의 최전방에서 연구하며 시를 쓸 수 있는지 모르겠습니다. 둘은 정반대입니다. 과학에서는 전에는 아무도 이해하지 못했던 것들을 모두가 알아들을 수 있는 말로 전달합니다.
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타코마 다리는 공진현상으로 인해 무너졌다?해당 문서 참고. 공진과는 전혀 상관없는 이유로 무너졌다.
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속도는 벡터량이므로 방향의 개념을 포함하지 않고 속도라는 말을 사용하면 틀린 것이다?
일상 언어인 속도와 속력은 차이점이 없다. 속도의 국립국어원 표준국어대사전의 정의는 '1. 물체가 나아가거나 일이 진행되는 빠르기.' '2.물리물체의 단위 시간 내에서의 위치 변화. 크기와 방향이 있으며, 크기는 단위 시간에 지나간 거리와 같고, 방향은 경로의 접선과 일치한다.' 이다. 1번 뜻에 방향의 개념은 전혀 포함되어 있지 않다. 물리학 용어 속도는 그 아래, 물리학에서의 정의로 따로 나와있다. 그러니까 괜히 "인생은 속도가 아닌 방향이다" 라는 말에 "속도엔 방향이 포함되어 있다" 라고 반박하지 말자.
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엘리베이터가 올라갈 때는 체중계의 눈금이 증가하고, 내려갈 때는 떨어진다?
관성력은 속도가 아닌 가속도에 관계한다. 위로 가속될 때[39] 눈금이 증가하고, 반대의 경우에 떨어진다. 등속으로 올라가는 도중에는 거의 변화가 없다.[40] 교과서에서도 서술이 부정확했던, 대표적 착각. 위에서 말하듯 관성력은 가속도와 관계 있으므로, 정확히는 엘리베이터가 올라가기 '시작할 때'나 내려오다 '멈췄을 때' 눈금이 잠시 증가했다 돌아오고, 내려가기 '시작할 때'나 올라가다 '멈췄을 때' 눈금이 잠시 떨어졌다 돌아온다. 출발하기 전이나 완전히 정지한 후, 등속도로 운동(올라가던 내려가던 상관 없이)하는 중에는 거의 바뀌지 않는다.
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레이저 무기를 발사하면 모두가 그 눈부신 직선형의 빛의 궤적을 목격할 수 있다? 또는, 긴 직선형의 불빛이 탄환처럼 이쪽에서 저쪽으로 빠르게 날아가는 모습을 목격할 수 있다?
사실은 아무것도 보이지 않는다. 실제로 개발 중인 레이저 무기의 시연 영상을 보더라도 아무런 빛이 없어서 발사를 언제 하는 건가 싶은데 어느 순간 목표물에 불이 붙어있는 허무한 모습을 볼 수 있다. 레이저는 빛이고, 우리가 빛을 본다는 것은 그 빛이 우리 눈으로 들어왔다는 것인데, 레이저가 중간에 산란되지 않는 한 제3자가 그 지나가는 빛의 '빛'을 볼 수는 없다. 만일 빛이 보였다면 그것은 곧 당신이 그 레이저 무기의 표적이 되었다는 뜻이고 그걸 다시 말하자면...[41] 아무튼 이런 이유로 많은 창작물들이 "레이저처럼 보이지만 사실은 레이저는 아니고 약간 다른 에너지 무기다" 같은 식의 설정들을 덧붙이고 있다.
마찬가지로 스타워즈에서도 설정에 밝지 않은 사람들은 각종 개인화기들이 발사한 붉은 불빛이 날아가는 걸 보며 레이저라고 착각하기도 하는데, 실제로 레이저는 빛이기 때문에 1초만에 지구를 7.5바퀴 돌 수 있는 속도로 날아간다. 어지간한 현대 총기의 탄환 수준의 속도로 날아가는 시점에서 이미 빛은 절대로 아니다. 그리고 애초에 스타워즈의 그 무기는 블라스터이지 레이저가 아니다.
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양자역학은 세상에 답이 정해진 문제가 없으며 인간의 의지가 결론을 변화시킬 수 있다는 것을 암시한다?
과학자들이 제일 싫어하는 과학의 인문학적 오용에 해당하는 대표적인 사례이다. 양자역학에선 어디까지나 특정한 물리적 상황을 예측함에 있어 하나의 고정된 해가 없을 뿐 주어진 조건에 알맞는 해에 해당하는 확률 분포를 구할 수 있다. 쉽게 말해 당신이 옆에 보이는 벽에 머리를 세게 들이박는다고 쳤을 때, 고전역학은 "무조건 당신의 머리에 혹이 생긴다"고 답을 내려 준다면, 양자역학은 "당신의 머리에 혹이 생길 확률이 99.999...9%이고 뚫고 투과할 확률이 0.000...1%"라고 역시 답을 내려 준다. 그리고 저런 거시적인 레벨이라면 양자역학의 해는 오차 범위 내에서 고전역학의 해를 따라가게 되며, 설사 그렇지 않다 하더라도 그건 당신의 '의지'와는 무관하다. 자세한 내용은 양자역학 문서 참조.
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우주에는 중력이 없다?
말이 안되는 소리다. 중력의 영향력이 더 강하고 훨씬 약하고의 차이일 뿐 어느 곳에서든 중력은 존재한다. 무거운 천체 위에 있을수록 더 중력이 강하게 작용한다. 사실 어떤 물체든 만유인력, 중력은 존재한다. 다만 인간이 아무리 물체를 크게 만들어봐야 무게가 소행성에 비해서도 매우 적기 때문에 사람이 직접 느낄 수 있는 정도의 수준만 아닐 뿐이다.
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높은 전압은 위험하다?
일반적으로 고전압이라는 말이 흔하게 쓰이기 때문에 일반인들이 많이 오해하고있는 통념이다. 실제로 사람을 죽이는 것은 전류지, 전압이 아니다.
일상적으로 같은 뜻인 '전위' 대신 '전압'이라는 단어를 더 많이 쓰다 보니 '전압 = 전기적 압력'으로 오해할 수 있는데, 전압은 정확히 전위 = '전기적 위치'를 의미한다.
전압(정확히는 전압차)은 중력으로 비유하자면 폭포의 높낮이와 같은데, 아무리 높은 폭포에서 떨어졌어도, 물 한방울이 몸에 떨어졌다는 이유로 사람이 크게 다치지 않는 반면, 엄청난 양의 물을 폭포에서 흘려보내면 사람이 떠내려가 크게 다치거나 죽을 수 있는 것과 같은 이치다. 여기서 '물 한 방울'을 '전하'로, 전체적인 물의 흐름을 전류로 바꾸면 좋은 비유가 성립한다.
아무리 높은 폭포라도 가뭄이 들어 물이 흐르지 않으면 전혀 위험하지 않은 것과 마찬가지로, 아무리 전압차가 커도 인체에 흐르는 전하가 없으면 전혀 위협이 되지 않는다.
'전압' 자체가 위험한 것은 아님을 극단적으로 보여주는 예시는 다음과 같다. 일상적으로 경험할 수 있는 정전기의 경우 전압차가 수천 볼트에 달하지만, 실제로 이동하는 전하량(전류)이 많지 않아 잠깐 따끔하고 마는 반면, 이보다 전압이 5배 정도 낮은 220V 콘센트에 감전되면 엄청난 양의 전류가 몸을 관통하므로 사망할 수 있다.
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반입자는 질량이 마이너스다?
입자와 반입자는 질량은 같다. 다만 입자를 구성하는 쿼크가 반쿼크로 구성되어있다. 예를 들면 가장 흔한 입자중에 하나인 양성자는 up쿼크 2개, down쿼크 1개로 이루어져 있어서 2/3, 2/3, -1/3을 모두 더해서 +1전하를 가지지만, 반양성자는 반 up쿼크 2개, 반 down쿼크 1개로 이루어져 있어서 -2/3, -2/3, 1/3을 모두 더해서 -1전하를 가진다. 중성자는 up쿼크 1개, down쿼크 2개로 이루어져 있어서 2/3, -1/3, -1/3을 모두 더해서 0 전하를 가지지만, 반중성자는 반 up쿼크 1개, 반 down쿼크 2개로 이루어져 있어서 -2/3, 1/3, 1/3을 모두 더해서 역시나 0 전하가 된다. -1 전하를 가지는 전자는 경입자라 쿼크로 구성되어 있지 않으며 반입자는 +1 전하를 가지는 양전자다. -
레이저로 강철을 잘라낼 수 있다?
당연히 가능하다. 실제로도 kW 출력급 고출력 레이저는 세라믹이나 금속를 절삭하는 용도로 산업에서 이용된다. 다만 레이저 광선이 아무리 햇빛과는 비교가 안되게 강해도 금속을 자를 정도가 되는 출력을 얻는것은 까다롭고 어려운 기술이다. 높은 평균 출력을 내기위한 공진기 부분을 포함한 기계 자체의 크기도 많이 커지고, 또 레이저 광선을 0.5mm가 안되는 좁은 직경으로, 사용하는 레이저 파장에 맞는 렌즈나 거울을 이용해 집속시켜야 된다. 단지 가공이 정밀하다는 큰 장점이 있을뿐 가격도 워낙 비싸서 톱과 연마기를 이용한 보수적인 가공법보다 다른 면에서는 더 나은점이 없다.
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속력 = 속도이다?
물리학적으로도 비슷한 개념이긴 하나, 엄밀히 따지자면 다른 개념이다. 우선 속력의 정의는 '단위 시간 동안 이동한 거리'이다. 반면 속도는 '단위 시간 동안 위치의 변화'이다. 이동 거리는 스칼라이고 변위는 벡터이므로 속력과 속도는 각각 다른 물리량으로 분류된다.
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네이버 지식iN에 kokospice가 물리학 분야에서 유사과학에 기초한 답변을 단다. 수학을 배제한 자신의 세계관에서 살고 있으니 일단 조심하고 보자.
레너드 호프스태터: 어떤 농부가 자기 닭이 알을 안 낳아서 물리학자를 불렀대. 그런데 물리학자가 말하기를: "해결책이 있지만, 오직 진공상태의 구형 닭에게만 효과가 있을 테요."
"A farmer has some chickens who don't lay any eggs. The farmer calls a physicist to help. The physicist does some calculation and says "I have a solution but it only works for spherical chickens in a vacuum!"
- 빅뱅 이론
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물리학에서 계산 노가다를 줄이기 위해 각종 가정을 붙이는 일이 많다 보니 관련 농담이 있다. 보통 가축으로 흔히 볼 수 있는 닭이나 소가 이 농담의 주인공이다. 농담의 요는 현실에서는 동물들이 복잡한 모양을 지니고 그 재질도 다양하고 계속 움직이고 성장/노화하는 등 변수가 매우 많지만 이론 속 물리학의 세계에서는 그런 복잡한 것은 다 치우고 가장 간단한 도형인 구로 가정한 이후 이론을 만든다는 것. 여기서 더 나아가 이상기체 속이나 진공 상태에서만 적용된다던가, 아니면 강체나 흑체 소라던가, 부피가 0인 소에만 적용된다던가 하는 농담이 있다.
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자연과학의 일반적 분류
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▲ 물리학의 일반적인 이미지
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보통 나무토막이나 구슬 같은 장치들이 충돌하고 떨어지는 이미지나 전기회로, 자석으로 실험하는 학문이라는 인식이 있다. 아예 무엇을 다루는지조차 모르는 사람도 적지 않은데, 물리학은 에너지, 시간, 공간, 장(場) 등을 시각적으로 개념화할 수 있는 직관적인 개념이 아닌 머리 속으로 추상적인 개념을 많이 다루기 때문이다.[1] 또한 자연과학 중 가장 먼저, 그리고 가장 많이 수식을 다루므로 수학 같다는 이미지가 있다. 이른바 v=st,[2] F=ma, E=mc2 공식 정도는 알고 있는 일반인이 적지 않다.
학문의 일반적인 기초는 고전역학, 열역학, 전자기학, 상대성 이론, 양자역학 등이 있다. 대중매체(SF 영화 등)의 영향 때문인지, 위와 같은 기초적인 분야보다 정작 초끈이론, 우주론 같은 세부 분야를 주로 연상하는 편이다. 다만, 화학자나 생물학자는 널리 알려지지 않는 반면 물리학자에 대해서는 나름의 인지도를 갖추고 있다. 아이작 뉴턴, 알베르트 아인슈타인, 마리 퀴리, 스티븐 호킹, 리처드 파인만[3] 등이 그 예다.
물리학에 대한 일반적인 인식은 크게 매우 똑똑한 학생들이 공부하는 학문이라는 인식과, 약간 반대로 엉뚱하고 괴짜스러운 사람들이 하는 학문이라는 인식이 충돌하는 편이다. 사실 알고 보면 둘 다 그렇게 틀린 말은 아니다.
학문의 일반적인 기초는 고전역학, 열역학, 전자기학, 상대성 이론, 양자역학 등이 있다. 대중매체(SF 영화 등)의 영향 때문인지, 위와 같은 기초적인 분야보다 정작 초끈이론, 우주론 같은 세부 분야를 주로 연상하는 편이다. 다만, 화학자나 생물학자는 널리 알려지지 않는 반면 물리학자에 대해서는 나름의 인지도를 갖추고 있다. 아이작 뉴턴, 알베르트 아인슈타인, 마리 퀴리, 스티븐 호킹, 리처드 파인만[3] 등이 그 예다.
물리학에 대한 일반적인 인식은 크게 매우 똑똑한 학생들이 공부하는 학문이라는 인식과, 약간 반대로 엉뚱하고 괴짜스러운 사람들이 하는 학문이라는 인식이 충돌하는 편이다. 사실 알고 보면 둘 다 그렇게 틀린 말은 아니다.
2022 개정 교육과정 과학과 총론 초중등교육과정 기준으로 <힘과 운동>, <일과 에너지>, <전기와 자기>, <파동>, <현대 물리>의 5 영역으로 구분된다. 직전까지는 <힘과 운동>과 <일과 에너지>를 굳이 구분하지 않았으나, 성취 기준이 방대해진 나머지 쪼갰으며, 2022 개정 교육과정부터는 상대성 이론 관련 내용을 원래 <힘과 운동>에서 다루었으나 2025년부터 적용되는 교육과정부터는 모조리 <현대 물리>로 옮길 예정이다. 추가로 기존 <파동과 빛>도 <파동>과 <현대 물리>로 나누었다.
언급된 영역 모두 수식적인 요소를 피할 수 없을 뿐만 아니라 학문 자체를 수학할 때 구체적인 적용 활동이 필요해서인지, 일반 학생들이 다른 자연과학 분야(화학, 생물학, 지구과학, 천문학) 등에 비해 상대적으로 어렵게 느끼는 편이다. 2010년대 이래로 고등학교 이과생들 사이에서도 수험 과목으로서의 선호도가 낮은 편인데, 2021 수능 기준으로 고등학교 이과생 안에서도 15% 정도만이 수험 과목으로 선택했다.[4]
많은 학생들이 물리학을 열심히 공부하지 않고 대학에 진학하는데, 인문대학, 사회과학, 경영대학 등 물리학과는 거리가 먼 분야라면 상관은 없으나 본인이 공과대학이나 자연과학 등 이학 계열로 진학할 계획이라면 가능한 한 최선을 다해서 이수해야 한다. 물리학은 자연과학 중에서도 제일 많이 공학에 응용되는 학문이기 때문이다. 실제로 물리학은 안 하고 생명과학, 지구과학만 이수한 학생들이 공과대학에 가서 크게 고생하는 경우가 이만저만이 아니다. 물리학을 아예 놓는 사람을 물포자라고 일컫기도 하는데, 대부분의 이공계 대학 학과에서 물리학을 필수 교양 혹은 전공으로 걸어놓기 때문에, 대학에 진학한 이과생들 사이에서도 '고등학교 때 잘 안 해놔서 후회하는 과목'으로도 꼽히기도 한다.[5]
언급된 영역 모두 수식적인 요소를 피할 수 없을 뿐만 아니라 학문 자체를 수학할 때 구체적인 적용 활동이 필요해서인지, 일반 학생들이 다른 자연과학 분야(화학, 생물학, 지구과학, 천문학) 등에 비해 상대적으로 어렵게 느끼는 편이다. 2010년대 이래로 고등학교 이과생들 사이에서도 수험 과목으로서의 선호도가 낮은 편인데, 2021 수능 기준으로 고등학교 이과생 안에서도 15% 정도만이 수험 과목으로 선택했다.[4]
많은 학생들이 물리학을 열심히 공부하지 않고 대학에 진학하는데, 인문대학, 사회과학, 경영대학 등 물리학과는 거리가 먼 분야라면 상관은 없으나 본인이 공과대학이나 자연과학 등 이학 계열로 진학할 계획이라면 가능한 한 최선을 다해서 이수해야 한다. 물리학은 자연과학 중에서도 제일 많이 공학에 응용되는 학문이기 때문이다. 실제로 물리학은 안 하고 생명과학, 지구과학만 이수한 학생들이 공과대학에 가서 크게 고생하는 경우가 이만저만이 아니다. 물리학을 아예 놓는 사람을 물포자라고 일컫기도 하는데, 대부분의 이공계 대학 학과에서 물리학을 필수 교양 혹은 전공으로 걸어놓기 때문에, 대학에 진학한 이과생들 사이에서도 '고등학교 때 잘 안 해놔서 후회하는 과목'으로도 꼽히기도 한다.[5]
물리학을 뜻하는 영단어 physics는 자연을 의미하는 그리스어 φύσις(physis, 퓌시스)에서 기원했다. 고대 그리스에서 자연계의 사물을 이론적으로 취급하는 학문을 '자연학(physika)'이라고 불렀고 이는 물리학의 기원이 되었다. 퓌시스는 본성, 혹은 자연을 뜻하는데 이를 라틴어로 옮기면 natura, 영어로 옮기면 nature가 된다.
자연학을 형이상학과 분리한 인물로는 아리스토텔레스가 꼽히곤 한다. 아리스토텔레스는 자신의 철학을 제1철학과 제2철학으로 나누고 자연학을 제2철학으로 분류했다. 후세의 학자들은 아리스토텔레스의 제1철학에 해당하는 내용들을 모아서 자연학 다음에 배치하고는 형이상학(metaphysics)이란 이름을 붙였다. 즉, 아리스토텔레스와 후배 학자들은 physics와 본질 · 실체(substance)에 대한 논의를 포함하는 metaphysics를 구분했다.
아리스토텔레스의 형이상학에서 중심이 되는 단어가 있는데, 바로 οὐσία(ousia, 우시아)이다. 이를 라틴어로 옮기면 substantia 혹은 essentia이고, 다시 영어로 옮기면 substance 혹은 essence, 한국어로 옮기면 실체, 본질이다. 참고로 substance에는 '물질'이라는 뜻도 있지만, 물리학에서 물질이라는 의미를 말하고자 할 때는 matter라는 단어를 주로 쓴다. 즉 substance는 실체, matter는 물질이라고 구분하면 된다.
물리학은 본질 · 실체에 대하여 형이상학적으로 논하지는 않는 학문으로 여겨졌다.[6] 형이상학 중에서도 신, 영혼, 자유의지 등의 특수 형이상학은 물리학을 비롯한 자연과학에서 다루지 않는다. 한편 일반 형이상학은 물리학과의 약간의 접점이 존재한다. 특히 양자역학의 등장 이후 일반 형이상학적 개념에 의존하는 이론도 물리학으로 인정해야 하는지에 대해서 과학철학적 논쟁이 벌어졌다. 자세한 사항은 과학적 실재론 문서 참고.
자연학을 형이상학과 분리한 인물로는 아리스토텔레스가 꼽히곤 한다. 아리스토텔레스는 자신의 철학을 제1철학과 제2철학으로 나누고 자연학을 제2철학으로 분류했다. 후세의 학자들은 아리스토텔레스의 제1철학에 해당하는 내용들을 모아서 자연학 다음에 배치하고는 형이상학(metaphysics)이란 이름을 붙였다. 즉, 아리스토텔레스와 후배 학자들은 physics와 본질 · 실체(substance)에 대한 논의를 포함하는 metaphysics를 구분했다.
아리스토텔레스의 형이상학에서 중심이 되는 단어가 있는데, 바로 οὐσία(ousia, 우시아)이다. 이를 라틴어로 옮기면 substantia 혹은 essentia이고, 다시 영어로 옮기면 substance 혹은 essence, 한국어로 옮기면 실체, 본질이다. 참고로 substance에는 '물질'이라는 뜻도 있지만, 물리학에서 물질이라는 의미를 말하고자 할 때는 matter라는 단어를 주로 쓴다. 즉 substance는 실체, matter는 물질이라고 구분하면 된다.
물리학은 본질 · 실체에 대하여 형이상학적으로 논하지는 않는 학문으로 여겨졌다.[6] 형이상학 중에서도 신, 영혼, 자유의지 등의 특수 형이상학은 물리학을 비롯한 자연과학에서 다루지 않는다. 한편 일반 형이상학은 물리학과의 약간의 접점이 존재한다. 특히 양자역학의 등장 이후 일반 형이상학적 개념에 의존하는 이론도 물리학으로 인정해야 하는지에 대해서 과학철학적 논쟁이 벌어졌다. 자세한 사항은 과학적 실재론 문서 참고.
'물리학'이라는 단어는 한자로 '物理學'인데, 각각 '물건 물', '다스릴 리', '배울 학'이란 한자이다. 따라서 이 단어는 말 그대로 만물의 이치를 탐구한다는 뜻을 담고 있다.
서양 과학이 도입되던 청나라 말기의 중국에서는 물리학을 '격치학'이나 '격물학'으로 불렀다. 성리학에서 '세상의 이치를 꼼꼼하게 따져 알아낸다'는 '격물치지'(格物致知)에서 유래된 것이다.
'물리'(物理)라는 말은 오래 전부터 더 넓은 의미로 쓰던 것이다. 초나라의 갈관은 '갈관자'의 '왕부편'에서 물리를 '모든 것의 진실'이라는 의미로 사용했다. 오나라의 양천이 쓴 '물리론'이라는 책도 있다. 명·청의 학자 방이지는 현대의 인문학과 자연과학을 모두 아우르는 분야를 소개하는 '물리소식'(物理小識)이라는 백과사전을 펴내기도 했다.#
한국에는 이 단어가 일본에서 서양 어휘를 한자어로 번역하였고, 일본으로부터 학문을 수입하면서 같이 넘어온 것으로 알려져 있다.
서양 과학이 도입되던 청나라 말기의 중국에서는 물리학을 '격치학'이나 '격물학'으로 불렀다. 성리학에서 '세상의 이치를 꼼꼼하게 따져 알아낸다'는 '격물치지'(格物致知)에서 유래된 것이다.
'물리'(物理)라는 말은 오래 전부터 더 넓은 의미로 쓰던 것이다. 초나라의 갈관은 '갈관자'의 '왕부편'에서 물리를 '모든 것의 진실'이라는 의미로 사용했다. 오나라의 양천이 쓴 '물리론'이라는 책도 있다. 명·청의 학자 방이지는 현대의 인문학과 자연과학을 모두 아우르는 분야를 소개하는 '물리소식'(物理小識)이라는 백과사전을 펴내기도 했다.#
한국에는 이 단어가 일본에서 서양 어휘를 한자어로 번역하였고, 일본으로부터 학문을 수입하면서 같이 넘어온 것으로 알려져 있다.
물리학 연구는 ①보편 법칙[7]을 세우고, ② 그 법칙을 이용하여 이미 관측되어 알려져 있는 자연 현상을 설명(해석)하거나, ③ 알려지지 않은 새로운 현상을 예측하며, ④그 예측을 실험이나 관찰을 통해 검증하는 활동으로 구성되어 있다.
예전에는 물리학자라면 이 모든 활동을 다 하였다. 하지만 물리학이 발전하면서 실험과 관련된 지식이 고도로 복잡해졌다. 따라서 한 명의 물리학자가 이 모든 것을 다 한다는 것은 현실적으로 불가능해졌다. 따라서 현재는 실험과 관계된 분야를 전문으로 하는 실험물리학자와 이론과 관계된 분야를 전문으로 하는 이론물리학자로 구분된다.
구체적으로 ①, ②, ③은 이론물리학(theoretical physics), ④는 실험물리학(experimental physics)에 속한다. 다만 ②는 현실에선 실험물리학자들도 많이 한다. 즉 실험물리학자가 실험이나 관찰을 하다가 어떤 현상을 발견했는데, 그 현상에 대한 이론적 설명을 (이론물리학자에게 맡기는 게 아니라) 자신이 직접 하는 경우도 많다.
이론과 실험을 각각 다른 학자가 한 실제 사례는 아이작 뉴턴과 헨리 캐번디시를 들 수 있다. 뉴턴은 지구의 질량을 이론으로 도출했고, 100년 후에 캐번디시가 실험으로 이를 입증했다. 21세기의 가장 유명한 발견 사례는 중력파와 힉스 보손을 들 수 있다.
예전에는 물리학자라면 이 모든 활동을 다 하였다. 하지만 물리학이 발전하면서 실험과 관련된 지식이 고도로 복잡해졌다. 따라서 한 명의 물리학자가 이 모든 것을 다 한다는 것은 현실적으로 불가능해졌다. 따라서 현재는 실험과 관계된 분야를 전문으로 하는 실험물리학자와 이론과 관계된 분야를 전문으로 하는 이론물리학자로 구분된다.
구체적으로 ①, ②, ③은 이론물리학(theoretical physics), ④는 실험물리학(experimental physics)에 속한다. 다만 ②는 현실에선 실험물리학자들도 많이 한다. 즉 실험물리학자가 실험이나 관찰을 하다가 어떤 현상을 발견했는데, 그 현상에 대한 이론적 설명을 (이론물리학자에게 맡기는 게 아니라) 자신이 직접 하는 경우도 많다.
이론과 실험을 각각 다른 학자가 한 실제 사례는 아이작 뉴턴과 헨리 캐번디시를 들 수 있다. 뉴턴은 지구의 질량을 이론으로 도출했고, 100년 후에 캐번디시가 실험으로 이를 입증했다. 21세기의 가장 유명한 발견 사례는 중력파와 힉스 보손을 들 수 있다.
참조 문헌: <최무영의 과학이야기> 물리학의 범위
물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)이라고 상정하는데, 그 물질을 이루는 여러 단계를 생각할 수 있다. 그 중 어느 단계의 구성단위를 다루느냐에 따라 물리학을 아래와 같이 분류할 수 있다.
물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)이라고 상정하는데, 그 물질을 이루는 여러 단계를 생각할 수 있다. 그 중 어느 단계의 구성단위를 다루느냐에 따라 물리학을 아래와 같이 분류할 수 있다.
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기초 이론 물리학
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고전역학(classical mechanics)
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열 및 통계역학(thermodynamics and statistical mechanics)
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전자기학(electromagnetism)
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상대역학(relativistic mechanics)
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양자역학(quantum mechanics)
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고에너지 입자 및 핵물리학
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입자물리학(particle physics): 양성자, 중성자, 전자 따위의 기본입자, 곧 렙톤, 하드론 및 쿼크, 게이지입자 따위를 다루는 분야
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핵물리학(nuclear physics): 원자핵의 구조, 상호작용을 다루는 분야
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응집물질물리학(condensed matter physics): 원자나 분자가 엄청나게 많은 수가 모여야 비로소 우리가 감각기관으로 경험하는 물질이 된다. 그런 물질을 응집물질(condensed matter)이라고 부르고, 이를 다루는 분야를 응집물질물리학이라고 한다.
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고체물리학(solid-state physics): 고체의 성질에 대한 연구를 하는 물리학. 소자물리, 반도체물리가 이 분야이다.
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재료과학(materials science): 신소재과학으로도 불리는 분야로, 재료의 화학 · 물리적 속성을 다루는 학문이다.
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광학과 음향학
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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.
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음향학(accustics): 소리와 초음파뿐만 아니라 기체, 액체, 고체 내 모든 물리적 파동을 연구하는 분야이다.
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우주론(cosmology): 우주에 대해 연구하는 분야다. 빅뱅 때부터 현재나 미래의 우주까지 우주의 모델을 만든다. 우주는 그야말로 모든 것을 담고 있으므로 입자물리학부터 광학까지 안 쓰이는 분야가 없다.
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여러 물리학 분야가 융합 분야
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계산물리학(computational physics): 컴퓨터를 이용한 수치 계산을 수행하여 이론의 검증 및 실험을 수행할 수 없는 극한 상황을 이해하는 물리학 분야.
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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.
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화학물리학(chemical physics): 주로 원자, 분자 수준의 현상을 다룬다. 따라서 화학물리학은 원자분자물리학과 밀접한 관련이 있다.
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천체물리학(astrophysics): 천체물리학은 지구 밖 천체를 다루는데, 행성이나 항성에서부터 은하와 성간 및 은하간 물질, 블랙홀과 초신성 등을 연구하는 학문이다. 기본적으로 관측방식에서 주로 쓰이는 광학에서부터 입자물리, 핵물리, 응집물질물리, 우주론 등의 밑바탕이 필요한 분야이다.
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지구물리학(geophysics): 지구를 다루는 물리학. 지구물리학은 또다시 기상학, 기후학, 해양학, 구조지질학, 퇴적학, 암석학, 지진학, 화산학, 지구 전자기학, 지구 중력학 등으로 나눌 수 있다.
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생물물리학(biophysics): 생명체는 기본적으로 많은 수의 단백질 같은 분자들로 이뤄져 있으므로 생물물리학은 당연히 원자분자물리학과 응집물질물리학에 속한다고 할 수 있다.
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사회물리학(sociophysics): 군중의 행동을 이해하기 위해 수학 도구를 사용하는 물리 분야.
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경제물리학(econophysics): 경제 및 금융을 이해하기 위해 수학 도구를 사용하는 물리 분야.
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참조 문헌: <최무영의 과학이야기> 물리학의 범위
물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학(mechanics)이라고 하는데, 이는 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있다. 그 밖에 장이론을 추가할 수도 있다.
물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학(mechanics)이라고 하는데, 이는 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있다. 그 밖에 장이론을 추가할 수도 있다.
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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 상대성 이론에 의한 시공간 개념에 따라 고전역학과 양자역학을 만들 수도 있다. 이에 따라 상대론적 (고전)역학, 상대론적 양자역학이 만들어져서, 비상대론적 고전역학, 비상대론적 양자역학과 대비된다.
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고전역학(classical mechanics)
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상대론적 (고전)역학
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비상대론적 고전역학
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양자역학(quantum mechanics)
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상대론적 양자역학
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비상대론적 양자역학
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통계역학(statistical mechanics): 동역학으로부터 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.
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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.
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고전장이론
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양자장이론
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국내 물리학계에는 응집물질 물리학, 반도체 물리학 연구에 종사하는 연구자들이 많다. 이러한 분야는 산업적 응용성이 크고, 특히 대형 반도체 기업이 많은 국내 특성상 취업이 매우 용이하다는 장점이 있다. 이외에도 표준모형의 한계를 극복하고자 하는 초끈이론 등의 고에너지 물리학 연구자들 또한 대학이나 고등과학원같은 연구소에 재직중이며, 적지 않은 비율을 차지하고 있다.
물리학에 관해 깊은 지식을 가지고 있지 않은 사람들은 초끈이론이니 루프 양자 중력 이론이니, 우주론 · 암흑에너지 · 암흑물질이니 하는 것들에 비해 응집물질물리학이나 생물물리, 광학 등의 다른 분야는 별것 아닐 것 같이 느껴질지도 모른다. 그러나 고온 초전도체부터가 아직 완전히 설명되지 않았고, 유체역학에서의 난류처럼 카오스 이론을 적용해야 하는 복잡계의 문제들도 아직 설명되지 않았기 때문에 이쪽 분야들도 굉장히 어렵다.[8] 사실 타 분야들 또한 학문적 가치와 발전의 여지가 높다. 최근에는 위상물질이라는 새로운 분야가 개척되기도 했는데, 이 분야는 현재 양자컴퓨터가 가지고 있는 에러에 대한 취약함을 극복할 수 있는 가능성을 제시해주기도 한다.
현대적 의미의 물리학은 19세기 중엽에 운동, 빛, 소리, 전기, 자기, 열, 물질의 물리적 성질 등의 여러 오래된 과학을 종합해 형성되었다. 원래 근대 이전의 과학은 세분되지 않고, 소위 자연학(Φυσικὴ, 퓌시케) 또는 자연철학이라는 이름 아래 자연의 모든 것을 그 연구 대상으로 삼았다. 그런데 르네상스기를 지나고 17세기에 들어서서, 자연학은 급속히 진보하여 화학을 비롯한 천문학, 지질학, 광물학, 동물학, 식물학 등이 독립하였다. 그리하여 자연학에 남아 있는 것은 (고전)역학, 광학, 열학, 음향학 등이었는데, 이것들과 나중에 흥하게 된 전자기학이 함께 묶여서 19세기 중엽에 물리학이라는 이름으로 불리게 되었던 것이다.(그리고 이후 원자에 관한 지식이 증가하면서 양자 역학이 물리학에 추가되었다.) 사실 '물리학자(physicist)'라는 말이 W. 휘웰에 의해서 만들어진 것은 1840년의 일에 지나지 않는다.
인간은 옛날부터 자신들이 살고 있는 자연에 대하여 많은 의문을 품어왔다. 만물은 무엇으로 되어 있을까? 자연 현상은 어떻게 일어나는 것인가? 도교는 세상을 도로 설명하며, 힌두교는 윤회, 이집트 역시 땅, 죽음, 강, 태양의 신 등을 내놓아 설명하기 시작했고, 그리스 역시 이를 따르다 결국 인도와 중국처럼 종교와 철학에 의존하여 만물을 설명하였다.
그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는 데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.[9] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 한동안 묻혔으나[10] 그리스인들이 보존한 저서들이 십자군 전쟁 이후 서유럽에 다시 전해졌는데, 당시 엄청난 센세이션을 일으켰을 정도로 나름대로 자연에 대한 통찰이 가득했고,[11] 아리스토텔레스의 해석은 근대과학이 태동하기 전까지 서양 세계에서 지배적인 자연관(우주관)의 위치를 차지하였다.
그러나 16세기 후반에서 17세기 초, 처음으로 운동을 설명하기 위해 관성의 개념이 창안되어 도입되기 시작했다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는' 힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는' 힘인 것을 상상해 내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 됐다.
반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 따라 점차 뉴턴의 운동법칙에 갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀냈으며[12], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해 냈다. 하지만 이것이 한계였다. 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다. (Fowles의 해석역학 참조.)
그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는 데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.[9] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 한동안 묻혔으나[10] 그리스인들이 보존한 저서들이 십자군 전쟁 이후 서유럽에 다시 전해졌는데, 당시 엄청난 센세이션을 일으켰을 정도로 나름대로 자연에 대한 통찰이 가득했고,[11] 아리스토텔레스의 해석은 근대과학이 태동하기 전까지 서양 세계에서 지배적인 자연관(우주관)의 위치를 차지하였다.
그러나 16세기 후반에서 17세기 초, 처음으로 운동을 설명하기 위해 관성의 개념이 창안되어 도입되기 시작했다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는' 힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는' 힘인 것을 상상해 내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 됐다.
반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 따라 점차 뉴턴의 운동법칙에 갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀냈으며[12], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해 냈다. 하지만 이것이 한계였다. 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다. (Fowles의 해석역학 참조.)
그리고 아이작 뉴턴이 나타났다. 그는 지상에 흩어져 있는 물리학 지식의 파편들을 모아 세 가지 법칙을 만들었다. 뉴턴은 지금까지의 모든 관찰 결과들이 이 세 가지 법칙을 만족한다는 사실을 깨달았고, 이를 프린키피아 세 권에 담았다. 그의 방법을 이용하면 물체의 초기 조건을 아는 경우 그 후 물체가 어떻게 운동할 것인지를 알아낼 수 있다. 하지만 단점이 하나 있는데, 물체가 왜 그렇게 운동하는지를 모른다는 사실이다. 뉴턴 자신도 이를 인정했으며, 그는 물체가 왜 이렇게 운동하는지에 대해서는 전혀 언급하지 않았고 단지 이렇게 계산하면 결과가 실제와 정확하게 일치한다는 것을 보였다. 이렇게 고전역학이 탄생하였으며 뉴턴 이전에 철학의 한 부분이었던 물리학을 뉴턴 이후에는 수학을 언어로 사용하며 인간이 이를 쉽게 다룰 수 있게 했다. 그러나 이 수학의 언어를 사용하지 않고도 문제는 쉽게 풀 수 있다.
뉴턴이 고전역학을 시작해서 마무리 짓고, 광학을 개발했다. 이는 곧 자연을 탐구하는 모든 학문과 계몽사조에까지 거대한 영향을 미쳤다. 곧 많은 철학 분야에서 뉴턴주의를 지향, 뉴턴의 방법론을 시도해 보기 시작했으며, 심지어는 다른 과학분야들 역시 뉴턴의 계량적 사조에 큰 영향을 받았다. 그 뒤로 열역학이라는, 뚜렷이 고전 역학과 다른 신묘한 분야가 개발되기 시작했고, '칼로릭 이론'이라는 틀린 이론을 통해 시행착오를 겪은 뒤 카르노의 원리 등을 시작으로 열에서도 제대로 된 물리학적 고찰이 이어지기 시작했다. 이는 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 통해 정량적인 열역학 개념을 완성해 나갔다. 고전역학이라는 수학분야, 광학이라는 실험분야와 함께 열역학이라는 또 하나의 물리학 분야가 탄생한 것이다.
열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두 가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 고전역학으로 완전한 수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛, 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라 보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할 게 없다! 지구상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 앨버트 마이컬슨은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발아래에 둔 것인가? 하지만 얼마 안 가 지상 최강의 정모가 열렸고, 물리학은 헬게이트를 맞이하게 된다.
열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두 가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 고전역학으로 완전한 수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛, 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라 보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할 게 없다! 지구상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 앨버트 마이컬슨은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발아래에 둔 것인가? 하지만 얼마 안 가 지상 최강의 정모가 열렸고, 물리학은 헬게이트를 맞이하게 된다.
그리고 19세기 프로이센. 프로이센-프랑스 전쟁은 끝났지만 아직도 과학기술의 주도권은 프랑스에게 있었다. 그러나 알자스 로렌도 먹었겠다, 독일 제국의 황제는 철강산업을 포함한 모든 산업기강을 발전시키려고 했다. 그가 과학자들에게 가장 처음 명한 것은 "저 망할 용광로의 온도를 어떻게 재는가?"에 대한 답. 물리학자들이 내놓은 대답은 쉬웠다. 온도계를 못 넣는다고? 그럼 스펙트럼을 측정하면 되지. 이 대답과 함께 과학자들은 흑체가 내놓는 스펙트럼과 온도의 관계에 대해 연구하기 시작한다.
문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[13], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? "틀리다고 증명될 때까지 잠정적으로 옳다고 믿는다." 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 온 것이었다.
막스 플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.
한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 1/ϵ0μ0 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.
빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[14] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[15]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다.[16] 이때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성 이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두 가지 가정을 통하여 특수상대성 이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성 이론을 발표한다. 자세한 내용은 상대성 이론 참조.
후에, 루이 드 브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[17] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어 있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지 손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과다.
에르빈 슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[18] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 발표되었다.[19] 그 후에 폴 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[20]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.
문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[13], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? "틀리다고 증명될 때까지 잠정적으로 옳다고 믿는다." 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 온 것이었다.
막스 플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.
한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 1/ϵ0μ0 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.
빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[14] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[15]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다.[16] 이때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성 이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두 가지 가정을 통하여 특수상대성 이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성 이론을 발표한다. 자세한 내용은 상대성 이론 참조.
후에, 루이 드 브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[17] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어 있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지 손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과다.
에르빈 슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[18] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 발표되었다.[19] 그 후에 폴 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[20]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.
현대물리학은 소립자와 그 소립자 간의 상호작용을 다루는 표준 모형과 중력을 상대론적으로 기술하는 일반 상대성 이론이 토대를 구성하고 있다. 표준 모형은 상대론적 양자장론으로 기술되는데 미시적인 현상을 다루는 데 효과적이나 중력을 포함하고 있지 않다.[21] 일반상대론은 양자역학적이지 않은 고전적인 이론으로 거시적인 중력현상을 잘 설명하여 작게는 GPS 위성 신호의 중력편이에서부터 크게는 우주론에까지 응용된다.
물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법, 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다.
쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈 이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다. 또한, 천문학에는 물리학이 설명하지 못하는 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이나 암흑에너지의 발견을 비롯하여, 코로나 문제 같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제가 산재해 있다.
한편 이처럼 아직 확립되지 않은 새로운 이론을 연구를 하는 건 전체 물리학자들 중에서는 소수이고, 다수의 물리학자들은 이미 확립된 이론을 이용해 알려진(혹은 관측된) 현상을 논리적으로 설명하고, 새로운 현상을 예측 및 발견하는 연구를 한다. 그런데 이건 지극히 자연스러운 모습이다. 과학철학자이자 물리학 박사인 토마스 쿤이 얘기했듯이, 원래 대부분의 과학자들은 과학자 사회에 어떤 패러다임[22]이 정착된 이후에는 그 패러다임을 이용하여 각종 문제를 푸는 활동[23]에 종사하는 사람들이지, 새로운 패러다임을 찾으려는 사람들이 아니다. 다만 문제풀이 활동 중, 기존 패러다임으로는 도저히 풀리지 않는 현상이 발견됐을 때[24], 비로소 새로운 패러다임을 찾으려는 소수의 사람들[25]이 등장하고, 그 시도가 성공하면 소위 과학혁명(패러다임 시프트)이 이루어지는 것이다. 따라서 물리학자들 대부분이 새로운 이론(새로운 패러다임)을 만드는 연구보다는 기존 이론(현재의 패러다임)을 가지고 각종 현상을 예측 및 설명하는 연구에 종사하는 것은 토마스 쿤의 설명에 의하면 지극히 자연스러운 모습이다.
현대에 와서는 물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅 데이터 프로세싱이나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.
어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학(존재론)적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.
물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법, 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다.
쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈 이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다. 또한, 천문학에는 물리학이 설명하지 못하는 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이나 암흑에너지의 발견을 비롯하여, 코로나 문제 같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제가 산재해 있다.
한편 이처럼 아직 확립되지 않은 새로운 이론을 연구를 하는 건 전체 물리학자들 중에서는 소수이고, 다수의 물리학자들은 이미 확립된 이론을 이용해 알려진(혹은 관측된) 현상을 논리적으로 설명하고, 새로운 현상을 예측 및 발견하는 연구를 한다. 그런데 이건 지극히 자연스러운 모습이다. 과학철학자이자 물리학 박사인 토마스 쿤이 얘기했듯이, 원래 대부분의 과학자들은 과학자 사회에 어떤 패러다임[22]이 정착된 이후에는 그 패러다임을 이용하여 각종 문제를 푸는 활동[23]에 종사하는 사람들이지, 새로운 패러다임을 찾으려는 사람들이 아니다. 다만 문제풀이 활동 중, 기존 패러다임으로는 도저히 풀리지 않는 현상이 발견됐을 때[24], 비로소 새로운 패러다임을 찾으려는 소수의 사람들[25]이 등장하고, 그 시도가 성공하면 소위 과학혁명(패러다임 시프트)이 이루어지는 것이다. 따라서 물리학자들 대부분이 새로운 이론(새로운 패러다임)을 만드는 연구보다는 기존 이론(현재의 패러다임)을 가지고 각종 현상을 예측 및 설명하는 연구에 종사하는 것은 토마스 쿤의 설명에 의하면 지극히 자연스러운 모습이다.
현대에 와서는 물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅 데이터 프로세싱이나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.
어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학(존재론)적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.
따로 문서가 생길 만큼 두 학문과의 관계는 매우 긴밀하며, 물리학은 많은 부분에서 수학을 언어로서 이용하고 있다.
우주를 형성하는, 우주를 지배하는 근본원리라는 것이 있다. 이것을 물리법칙이라고 부른다. 즉 물리법칙이 화가라면, 우주의 각종 자연현상들은 화가가 그려내는 그림들이다. 태양과 달의 운동도 물리법칙에 의해 일어나는 것이고, 화학반응 뒤에도 양자역학 등의 물리법칙이 숨어있다. 태풍, 엘니뇨 등 대기와 해양의 여러 현상, 생물체 내의 각종 현상도 근본을 따져보면 결국 물리법칙에 의해 일어나는 것이다. 지진, 화산 등 지질현상도 마찬가지다.
물리학은 이러한 근본원리(물리법칙)를 찾아내려는 학문인 반면(이론과학), 여타의 자연과학들은 이러한 물리법칙에 의해 형성된 각종 자연현상 그 자체를 연구하는 학문이다(현상과학). 즉 물리학은 화가의 정체를 찾아내려는 학문인 반면, 여타의 자연과학들은 그 화가가 그린 그림 그 자체를 연구하는 학문이다. 구체적으로 보면 천문학은 물리법칙에 의해 형성된 각종 천문 현상을 연구하는 학문이고, 화학은 물리법칙에 의해 일어나는 분자 수준의 자연 현상을 연구하는 것이고, 생물학은 물리법칙에 의해 일어나는 생명 활동을 연구하고, 대기과학은 물리법칙에 의해 형성된 대기 현상이라는 자연을 연구하는 학문이다. 대기과학뿐만 아니라 지질학, 해양학 등 지구과학 전체가 모두 마찬가지다.
이상적으로는 맞는 말이고 근대물리학 까지는 맞는 말이었지만 현실의 물리학 연구자의 숫자는 이론적인 물리학을 하는 사람은 소수고 대부분 이론의 적절한 적용을 연구분야로 삼고 있다. 따라서 천문학과 물리학의 경계는 매우 모호하다. 특히 전통적인 관측천문학 분야가 아닌 우주론, 블랙홀, 플라스마핵물리 분야의 경우 물리학과나 천문학과 어느 쪽에 소속되어 연구를 해도 이상하지 않다. 대표적으로 중력파 관측 실험 중 하나인 LIGO와 관련된 이론적, 수치해석적 연구의 경우 일반상대론을 사용하는 것이지만 천문학과에 소속되어 연구하는 사람도 많고, 천문학자들의 연구가 블랙홀 연구에 직접적으로 영향을 준다. 이런 경우는 이미 천문학이 물리학과 별개의 학문이라고 보기 어려울 정도이다. 즉, 천체물리학 분야는 응집물질물리학, 입자물리학, 생물물리학 등 다양한 물리학 응용분과의 하나이지만 그 중에서도 분야가 방대해서 다른 학과로 떨어져나간 것으로도 볼 수 있다.
이처럼 물리학은 모든 자연과학의 근본이라고 할 수 있다.[26] 따라서 어떤 자연과학을 연구하더라도 정도의 차이는 있지만, 물리학 지식을 필요로 하는데, 그 중에서도 특히 천문학은 물리학 지식을 굉장히 많이 필요로 하는 학문이다. 일례로 서울대학교의 경우에는 학부 과정에선 아예 물리학과 천문학을 모두 다루는 물리천문학부를 운영하되 2학년 과정부턴 본격적으로 전공과목들이 나눠졌었다.(이제는 따로 선발한다) 분리 이후에도 물리학 전공과 천문학 전공이 공통적으로 듣는 전공 과목들이 상당수 있다. 예를 든다면 고전역학, 양자역학, 전자기학, 상대성 이론 등의 물리학과목과 미분방정식, 선형대수학 등의 수학과목이 있다.
한편 물리학과 천문학은 상호협력하면서 발전해왔다. 천문학자들이 관측을 하다가, 어떤 천문 현상을 발견했는데, 그 현상이 일어나는 이유에 대한 설명을 시도하다가, 새로운 물리학 이론이 등장하기도 한다. 예를 들어 티코 브라헤, 케플러 등이 관측하여 정리한 '태양계 내 행성의 운동'이라는 현상을 논리적으로 설명하려는 과정에서 그 유명한 아이작 뉴턴의 운동법칙이 탄생했다.[27]심지어 어떤 천문 현상이 기존 물리학 이론으로는 도저히 설명이 안될 경우, 기존 물리학 이론의 폐기 및 새로운 물리학 이론의 등장을 불러일으키기도 한다 (패러다임 쉬프트). 반대로 새로운 물리학 이론이 먼저 제기되고, 그에 대한 관측적 증거가 후에 천문학자에 의해 발견되는 경우도 많다. 예를 들어 물리학자 아인슈타인이 일반 상대성 이론 논문을 내놓을 당시 해당 이론은 어디까지나 가설이었을 뿐, 실험적/관측적 증거는 없었다. 그러다 후에 영국의 천문학자인 에딩턴이 일반 상대성 이론이 예측하는 현상에 대한 관측에 성공하였다. 에딩턴은 일식 현상 관측을 통하여 '빛이 중력에 의해 휘어진다'는 아인슈타인의 이론이 옳다는 것을 확인하였던 것이다.
이렇게 물리학과 많은 관련이 있다보니 노벨 물리학상은 천문학분야(더 정확히는 우주과학)의 업적도 모두 아울러서 판단하여 시상한다. NASA 등의 굵직한 우주 탐사 미션이 성과를 내면 해당 프로그램의 천문학이나 지구과학(을 기반으로 연구하는 행성과학)을 전공한 수석 과학자들은 논문 제1저자이자 연구단 총책임자로서 노벨 물리학상 후보로 떠오르게 마련이며, 심지어 물리학과는 직접적으로 상관이 없어보이는 외계 행성 발견이 노벨상의 주제가 되기도 했다.
이럼에도 불구하고 천문학은 흔히 물리학보다 지구과학과 엮이게 된다. 물론 지구과학과 천문학이 서로 연관없는 학문은 아니지만, 물리학과의 관계와 비교해서도 지구과학과 더 엮이게 되는 교육과정을 비롯한 대중의 천문학에 대한 인식은 아이러니한 면이 있다.
물리학은 이러한 근본원리(물리법칙)를 찾아내려는 학문인 반면(이론과학), 여타의 자연과학들은 이러한 물리법칙에 의해 형성된 각종 자연현상 그 자체를 연구하는 학문이다(현상과학). 즉 물리학은 화가의 정체를 찾아내려는 학문인 반면, 여타의 자연과학들은 그 화가가 그린 그림 그 자체를 연구하는 학문이다. 구체적으로 보면 천문학은 물리법칙에 의해 형성된 각종 천문 현상을 연구하는 학문이고, 화학은 물리법칙에 의해 일어나는 분자 수준의 자연 현상을 연구하는 것이고, 생물학은 물리법칙에 의해 일어나는 생명 활동을 연구하고, 대기과학은 물리법칙에 의해 형성된 대기 현상이라는 자연을 연구하는 학문이다. 대기과학뿐만 아니라 지질학, 해양학 등 지구과학 전체가 모두 마찬가지다.
이상적으로는 맞는 말이고 근대물리학 까지는 맞는 말이었지만 현실의 물리학 연구자의 숫자는 이론적인 물리학을 하는 사람은 소수고 대부분 이론의 적절한 적용을 연구분야로 삼고 있다. 따라서 천문학과 물리학의 경계는 매우 모호하다. 특히 전통적인 관측천문학 분야가 아닌 우주론, 블랙홀, 플라스마핵물리 분야의 경우 물리학과나 천문학과 어느 쪽에 소속되어 연구를 해도 이상하지 않다. 대표적으로 중력파 관측 실험 중 하나인 LIGO와 관련된 이론적, 수치해석적 연구의 경우 일반상대론을 사용하는 것이지만 천문학과에 소속되어 연구하는 사람도 많고, 천문학자들의 연구가 블랙홀 연구에 직접적으로 영향을 준다. 이런 경우는 이미 천문학이 물리학과 별개의 학문이라고 보기 어려울 정도이다. 즉, 천체물리학 분야는 응집물질물리학, 입자물리학, 생물물리학 등 다양한 물리학 응용분과의 하나이지만 그 중에서도 분야가 방대해서 다른 학과로 떨어져나간 것으로도 볼 수 있다.
이처럼 물리학은 모든 자연과학의 근본이라고 할 수 있다.[26] 따라서 어떤 자연과학을 연구하더라도 정도의 차이는 있지만, 물리학 지식을 필요로 하는데, 그 중에서도 특히 천문학은 물리학 지식을 굉장히 많이 필요로 하는 학문이다. 일례로 서울대학교의 경우에는 학부 과정에선 아예 물리학과 천문학을 모두 다루는 물리천문학부를 운영하되 2학년 과정부턴 본격적으로 전공과목들이 나눠졌었다.(이제는 따로 선발한다) 분리 이후에도 물리학 전공과 천문학 전공이 공통적으로 듣는 전공 과목들이 상당수 있다. 예를 든다면 고전역학, 양자역학, 전자기학, 상대성 이론 등의 물리학과목과 미분방정식, 선형대수학 등의 수학과목이 있다.
한편 물리학과 천문학은 상호협력하면서 발전해왔다. 천문학자들이 관측을 하다가, 어떤 천문 현상을 발견했는데, 그 현상이 일어나는 이유에 대한 설명을 시도하다가, 새로운 물리학 이론이 등장하기도 한다. 예를 들어 티코 브라헤, 케플러 등이 관측하여 정리한 '태양계 내 행성의 운동'이라는 현상을 논리적으로 설명하려는 과정에서 그 유명한 아이작 뉴턴의 운동법칙이 탄생했다.[27]심지어 어떤 천문 현상이 기존 물리학 이론으로는 도저히 설명이 안될 경우, 기존 물리학 이론의 폐기 및 새로운 물리학 이론의 등장을 불러일으키기도 한다 (패러다임 쉬프트). 반대로 새로운 물리학 이론이 먼저 제기되고, 그에 대한 관측적 증거가 후에 천문학자에 의해 발견되는 경우도 많다. 예를 들어 물리학자 아인슈타인이 일반 상대성 이론 논문을 내놓을 당시 해당 이론은 어디까지나 가설이었을 뿐, 실험적/관측적 증거는 없었다. 그러다 후에 영국의 천문학자인 에딩턴이 일반 상대성 이론이 예측하는 현상에 대한 관측에 성공하였다. 에딩턴은 일식 현상 관측을 통하여 '빛이 중력에 의해 휘어진다'는 아인슈타인의 이론이 옳다는 것을 확인하였던 것이다.
이렇게 물리학과 많은 관련이 있다보니 노벨 물리학상은 천문학분야(더 정확히는 우주과학)의 업적도 모두 아울러서 판단하여 시상한다. NASA 등의 굵직한 우주 탐사 미션이 성과를 내면 해당 프로그램의 천문학이나 지구과학(을 기반으로 연구하는 행성과학)을 전공한 수석 과학자들은 논문 제1저자이자 연구단 총책임자로서 노벨 물리학상 후보로 떠오르게 마련이며, 심지어 물리학과는 직접적으로 상관이 없어보이는 외계 행성 발견이 노벨상의 주제가 되기도 했다.
이럼에도 불구하고 천문학은 흔히 물리학보다 지구과학과 엮이게 된다. 물론 지구과학과 천문학이 서로 연관없는 학문은 아니지만, 물리학과의 관계와 비교해서도 지구과학과 더 엮이게 되는 교육과정을 비롯한 대중의 천문학에 대한 인식은 아이러니한 면이 있다.
보통 고등학교 2학년 때부터 이공계생이 전문적으로 배우기 시작하는데 수학과의 연관성이 상당하다. 그래서 수포자들은 당연히 피를 본다.[28] 물포자 문제가 있는데 물포자와 비슷한 말로 물안개(물리 안해 개새끼야)를 외치는 학생들도 많이 나오고, 일부 선생들에겐 '제물포', 즉 제(쟤) 때문에 물리 포기란 별명이 많이 붙는다고. 고등학교, 대학교에서 물리학-수학 관계가 어떤지는 해당 문서 참조바람. 이 두 과목은 연관성이 매우 깊지만 바라보는 관점은 약간 다른데, 수학은 특정 개념을 기반으로 문제들을 논리적으로 해결하는데 초점이 맞추어져 있고, 물리는 보통 수학을 이용해 만물의 자연현상과 이치를 탐구하는데 초점이 맞추어져 있다.
공과대학에 입학한 학생들도 물리학을 공부하게 된다. 기계공학, 토목공학, 전기공학 등 공학의 모든 영역들도 물리학을 가장 기반으로 깔고 있기 때문이다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 요새 뜨고 있다는 나노공학[29] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 즉 웬만한 공과대학에 들어간 것 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다. 따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받으며, 심지어 사회과학으로 분류되어 있는 경제학 계열에서도 환영한다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만.
현대 이론물리는 복잡하면서도 난해한 이론들에 대한 이해가 기반인만큼, 상당히 학업 난이도가 높아서 어느정도 똑똑한 학생들이 선택하는데도 불구하고 중간에 포기하는 학생들이 생각보다 많이 생긴다. 하지만 전세계 대부분의 대학에서 매우 복잡한 이론물리 과목들은 보통 필수과목이 아닌 선택과목으로 정해 놓고 있다. 필수과목은 주로 고전역학, 전자기학, 양자역학, 및 통계역학과 고급물리실험 정도이다.
국내에서 주관하는 물리학 관련 시험엔 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.
공과대학에 입학한 학생들도 물리학을 공부하게 된다. 기계공학, 토목공학, 전기공학 등 공학의 모든 영역들도 물리학을 가장 기반으로 깔고 있기 때문이다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 요새 뜨고 있다는 나노공학[29] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 즉 웬만한 공과대학에 들어간 것 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다. 따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받으며, 심지어 사회과학으로 분류되어 있는 경제학 계열에서도 환영한다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만.
현대 이론물리는 복잡하면서도 난해한 이론들에 대한 이해가 기반인만큼, 상당히 학업 난이도가 높아서 어느정도 똑똑한 학생들이 선택하는데도 불구하고 중간에 포기하는 학생들이 생각보다 많이 생긴다. 하지만 전세계 대부분의 대학에서 매우 복잡한 이론물리 과목들은 보통 필수과목이 아닌 선택과목으로 정해 놓고 있다. 필수과목은 주로 고전역학, 전자기학, 양자역학, 및 통계역학과 고급물리실험 정도이다.
국내에서 주관하는 물리학 관련 시험엔 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.
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자연계 논술: 물리
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검정고시: 과학(필수과목)
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편입학(연세대, 고려대, 중앙대): 물리
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5급기술의 대부분 과목
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7급 공개경쟁채용시험 : 물리학개론(일반기계직, 전기직, 일반토목직, 건축직, 통신기술직, 전송기술직)
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7급 기상직 공개경쟁채용시험 : 물리학개론(기상직)
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소방간부후보생 선발 시험: 1차 자연계열 자연과학개론, 물리학개론
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초등교원임용경쟁시험 교육과정 중 과학
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중등교원임용경쟁시험 물리
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변리사시험: 1차 자연과학개론에서 10문제가 출제된다.
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물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)의 운동(Motion)이라고 상정한다. 그리고 운동 중인 물질들이 서로 충돌(상호작용, 힘) 하면서 다양한 자연 현상이 나타나는 것이라고 보고 있다. 물리학은 이러한 물질의 운동을 자연 현상 전체로 보편화/일반화시키는 학문이다. 이는 특정 범주의 자연 현상만을 대상으로 하는 다른 자연과학과의 차별성이 드러나는 지점인데, 물리학은 가급적 넓은 범위의 자연 현상, 그리고 가능하다면 모든 자연 현상에 공통적으로 적용되는 법칙을 찾으려 한다. 그리고 이러한 보편 법칙을 역학(Mechanics)이라 부른다.
그래서 물리학(정확히는 이론물리학)의 궁극적 목표를 정리하자면, 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙을 발견하는 것이라고 볼 수 있다. 이를 통일장 이론 또는 모든 것의 이론(Theory of Everything)이라고 한다. 아인슈타인도 말년에 이 연구에 몰입했었고, 현재도 많은 학자들이 이에 대한 연구를 하고 있지만, 아직 발견되지 않았고, 현재는 어떤 세계를 기술하느냐에 따라 운동법칙이 다른 상황이다.
일상 세계를 기술하려면 뉴턴의 고전역학으로 충분하지만, 원자나 분자 등 작은 세계의 기술에는 양자역학, (빛의 빠르기에 비해 너무 늦지 않은) 빠른 세계나 중력이 매우 중요하게 작용하는 거대 세계[35]를 기술하는 경우에는 상대성 이론을 써야 한다.
다만, 양자역학이 일상 세계에서 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에도 적용할 수 있다. 양자역학을 일상 세계에 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 도출된다. 또한 상대성 이론도 빠른 세계나 거대 세계에만 적용되는 것이 아니라, 일상 세계에도 적용된다. 상대성 이론을 일상세계에 적용하면 고전역학과 같은 결과를 얻게 된다. 일반적으로 일상 세계에서는 상대론적 수정이 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러면 작고 빠른 세계는 어떻게 해야 될까? 예를 들어 양성자가 매우 빠르게 움직이는 경우가 그러하다. 작은 것을 기술하는 양자역학과 빠른 것을 기술하는 특수상대성 이론, 두 가지를 합쳐야 한다. 이에 따라 이른바 상대론적 양자역학(relativistic quantum mechanics)이라는 것이 만들어졌다.
그래서 물리학(정확히는 이론물리학)의 궁극적 목표를 정리하자면, 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙을 발견하는 것이라고 볼 수 있다. 이를 통일장 이론 또는 모든 것의 이론(Theory of Everything)이라고 한다. 아인슈타인도 말년에 이 연구에 몰입했었고, 현재도 많은 학자들이 이에 대한 연구를 하고 있지만, 아직 발견되지 않았고, 현재는 어떤 세계를 기술하느냐에 따라 운동법칙이 다른 상황이다.
일상 세계를 기술하려면 뉴턴의 고전역학으로 충분하지만, 원자나 분자 등 작은 세계의 기술에는 양자역학, (빛의 빠르기에 비해 너무 늦지 않은) 빠른 세계나 중력이 매우 중요하게 작용하는 거대 세계[35]를 기술하는 경우에는 상대성 이론을 써야 한다.
다만, 양자역학이 일상 세계에서 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에도 적용할 수 있다. 양자역학을 일상 세계에 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 도출된다. 또한 상대성 이론도 빠른 세계나 거대 세계에만 적용되는 것이 아니라, 일상 세계에도 적용된다. 상대성 이론을 일상세계에 적용하면 고전역학과 같은 결과를 얻게 된다. 일반적으로 일상 세계에서는 상대론적 수정이 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러면 작고 빠른 세계는 어떻게 해야 될까? 예를 들어 양성자가 매우 빠르게 움직이는 경우가 그러하다. 작은 것을 기술하는 양자역학과 빠른 것을 기술하는 특수상대성 이론, 두 가지를 합쳐야 한다. 이에 따라 이른바 상대론적 양자역학(relativistic quantum mechanics)이라는 것이 만들어졌다.
간혹 물리학의 정의를 '자연을 연구(탐구)하는 학문'이라고 알고 있는 사람도 있다. 비전공자뿐만 아니라 물리학 전공자 중에서도 막연히 이렇게 알고 있는 경우가 많다. 대부분의 물리학 교과서(특히 일반물리학 교과서)에 물리학의 정의와 분류를 소홀히 다루기 때문에 벌어진 일이다. 자연을 연구(탐구)하는 학문'이라는 것은 자연과학의 정의이지, 물리학의 정의는 아니다.
물리학에 따르면, 모든 자연현상은 물질에 의한 현상이다. 그래서 물리학은 모든 자연 현상을 연구한다고도 볼 수 있다. 그런데 특정한 범위의 자연 현상에 대해서는 그것만을 전문적으로 다루는 학문이 별도로 존재한다. 생물학, 화학, 지구과학, 천문학이 그것이다. 그러면 물리학과 다른 자연과학이 같은 자연 현상을 탐구할 때 어떠한 차이가 있을까? 예를 들어 물리학이 생명현상을 탐구하는 경우 생물학과 어떻게 다를까?
다른 자연과학과 대비할 때 물리학의 차별성은 보편지식을 추구한다는 데 있다.# 이에 대해 물리학자 최무영 교수는 아래와 같이 설명한다.<최무영의 과학이야기>- 과학적 사고란
물리학에 따르면, 모든 자연현상은 물질에 의한 현상이다. 그래서 물리학은 모든 자연 현상을 연구한다고도 볼 수 있다. 그런데 특정한 범위의 자연 현상에 대해서는 그것만을 전문적으로 다루는 학문이 별도로 존재한다. 생물학, 화학, 지구과학, 천문학이 그것이다. 그러면 물리학과 다른 자연과학이 같은 자연 현상을 탐구할 때 어떠한 차이가 있을까? 예를 들어 물리학이 생명현상을 탐구하는 경우 생물학과 어떻게 다를까?
다른 자연과학과 대비할 때 물리학의 차별성은 보편지식을 추구한다는 데 있다.# 이에 대해 물리학자 최무영 교수는 아래와 같이 설명한다.<최무영의 과학이야기>- 과학적 사고란
과학적 사고의 마지막 요소는, 단편적 지식들을 '하나의 합리적인 체계'로 설명하려고 시도한다는 겁니다. 특정지식은 개별 과학적 사실(scientific fact)들을 말하는데 이들을 묶어서 보편지식 체계를 만들어내려고 시도합니다. 보편지식을 간단하게 이론(theory)이라고 하지요. 사과가 땅으로 떨어지는 현상이나 계절이 돌아오고, 밀물과 썰물이 생기는 것은 하나하나가 과학적 사실이고 특정지식입니다. 그런 것들을 얼핏 보면 서로 관계가 없어 보이지만 하나의 보편적 체계로 묶을 수가 있습니다. 그게 뭘까요? 뉴턴의 '중력의 법칙'입니다. (이른바 만유인력이라는 용어보다는 중력이라는 용어가 적절합니다.)
과학에서는 이렇게 아무 관련이 없어 보이는 여러 지식들을 묶어서 하나의 체계로 만들어내려 노력합니다. 이러한 경향이 물리학에서 가장 두드러지며, 이로써 물리학은 다른 자연과학과 구분 되지요. 물리학은 바로 보편지식 체계를 추구하는 학문이고, 다른 자연과학은 대부분 특정지식을 추구하는 학문입니다.
생물학이나 천문학, 지구과학 등 특정지식을 추구하는 자연과학은 현상과학이라고 부르는 반면, 보편지식을 추구하는 물리학은 이론과학이지요. 요즘 생겨난 천체물리(astrophysics), 화학물리(chemical physics), 지구물리(geophysics), 생물물리(biophysics; biological physics) 같은 것은 각 과학 분야의 특정지식들을 보편적 체계로 이해해보려는 시도라 할 수 있습니다.
All science is either physics or stamp collecting.
자연과학은 물리학이거나 아니면 우표수집이다.
어니스트 러더퍼드
러더퍼드의 말은 이론과학인 물리학 외에 다른 과학은 자료를 모으는 활동이라는 뜻이다.[36] 즉, 보편지식 체계를 구축하는 이론과학이 아니면 단순히 현상을 기술하는 현상론(phenomenology)이라는 뜻.
Oppenheimer, they tell me you are writing poetry. I do not see how a man can work on the frontiers of physics and write poetry at the same time. They are in opposition. In science you want to say something that nobody knew before, in words which everyone can understand.
줄리어스 로버트 오펜하이머, 당신이 시를 쓴다고 들었습니다. 어떻게 물리학의 최전방에서 연구하며 시를 쓸 수 있는지 모르겠습니다. 둘은 정반대입니다. 과학에서는 전에는 아무도 이해하지 못했던 것들을 모두가 알아들을 수 있는 말로 전달합니다.
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타코마 다리는 공진현상으로 인해 무너졌다?해당 문서 참고. 공진과는 전혀 상관없는 이유로 무너졌다.
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속도는 벡터량이므로 방향의 개념을 포함하지 않고 속도라는 말을 사용하면 틀린 것이다?
일상 언어인 속도와 속력은 차이점이 없다. 속도의 국립국어원 표준국어대사전의 정의는 '1. 물체가 나아가거나 일이 진행되는 빠르기.' '2.물리물체의 단위 시간 내에서의 위치 변화. 크기와 방향이 있으며, 크기는 단위 시간에 지나간 거리와 같고, 방향은 경로의 접선과 일치한다.' 이다. 1번 뜻에 방향의 개념은 전혀 포함되어 있지 않다. 물리학 용어 속도는 그 아래, 물리학에서의 정의로 따로 나와있다. 그러니까 괜히 "인생은 속도가 아닌 방향이다" 라는 말에 "속도엔 방향이 포함되어 있다" 라고 반박하지 말자.
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엘리베이터가 올라갈 때는 체중계의 눈금이 증가하고, 내려갈 때는 떨어진다?
관성력은 속도가 아닌 가속도에 관계한다. 위로 가속될 때[39] 눈금이 증가하고, 반대의 경우에 떨어진다. 등속으로 올라가는 도중에는 거의 변화가 없다.[40] 교과서에서도 서술이 부정확했던, 대표적 착각. 위에서 말하듯 관성력은 가속도와 관계 있으므로, 정확히는 엘리베이터가 올라가기 '시작할 때'나 내려오다 '멈췄을 때' 눈금이 잠시 증가했다 돌아오고, 내려가기 '시작할 때'나 올라가다 '멈췄을 때' 눈금이 잠시 떨어졌다 돌아온다. 출발하기 전이나 완전히 정지한 후, 등속도로 운동(올라가던 내려가던 상관 없이)하는 중에는 거의 바뀌지 않는다.
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레이저 무기를 발사하면 모두가 그 눈부신 직선형의 빛의 궤적을 목격할 수 있다? 또는, 긴 직선형의 불빛이 탄환처럼 이쪽에서 저쪽으로 빠르게 날아가는 모습을 목격할 수 있다?
사실은 아무것도 보이지 않는다. 실제로 개발 중인 레이저 무기의 시연 영상을 보더라도 아무런 빛이 없어서 발사를 언제 하는 건가 싶은데 어느 순간 목표물에 불이 붙어있는 허무한 모습을 볼 수 있다. 레이저는 빛이고, 우리가 빛을 본다는 것은 그 빛이 우리 눈으로 들어왔다는 것인데, 레이저가 중간에 산란되지 않는 한 제3자가 그 지나가는 빛의 '빛'을 볼 수는 없다. 만일 빛이 보였다면 그것은 곧 당신이 그 레이저 무기의 표적이 되었다는 뜻이고 그걸 다시 말하자면...[41] 아무튼 이런 이유로 많은 창작물들이 "레이저처럼 보이지만 사실은 레이저는 아니고 약간 다른 에너지 무기다" 같은 식의 설정들을 덧붙이고 있다.
마찬가지로 스타워즈에서도 설정에 밝지 않은 사람들은 각종 개인화기들이 발사한 붉은 불빛이 날아가는 걸 보며 레이저라고 착각하기도 하는데, 실제로 레이저는 빛이기 때문에 1초만에 지구를 7.5바퀴 돌 수 있는 속도로 날아간다. 어지간한 현대 총기의 탄환 수준의 속도로 날아가는 시점에서 이미 빛은 절대로 아니다. 그리고 애초에 스타워즈의 그 무기는 블라스터이지 레이저가 아니다.
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양자역학은 세상에 답이 정해진 문제가 없으며 인간의 의지가 결론을 변화시킬 수 있다는 것을 암시한다?
과학자들이 제일 싫어하는 과학의 인문학적 오용에 해당하는 대표적인 사례이다. 양자역학에선 어디까지나 특정한 물리적 상황을 예측함에 있어 하나의 고정된 해가 없을 뿐 주어진 조건에 알맞는 해에 해당하는 확률 분포를 구할 수 있다. 쉽게 말해 당신이 옆에 보이는 벽에 머리를 세게 들이박는다고 쳤을 때, 고전역학은 "무조건 당신의 머리에 혹이 생긴다"고 답을 내려 준다면, 양자역학은 "당신의 머리에 혹이 생길 확률이 99.999...9%이고 뚫고 투과할 확률이 0.000...1%"라고 역시 답을 내려 준다. 그리고 저런 거시적인 레벨이라면 양자역학의 해는 오차 범위 내에서 고전역학의 해를 따라가게 되며, 설사 그렇지 않다 하더라도 그건 당신의 '의지'와는 무관하다. 자세한 내용은 양자역학 문서 참조.
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우주에는 중력이 없다?
말이 안되는 소리다. 중력의 영향력이 더 강하고 훨씬 약하고의 차이일 뿐 어느 곳에서든 중력은 존재한다. 무거운 천체 위에 있을수록 더 중력이 강하게 작용한다. 사실 어떤 물체든 만유인력, 중력은 존재한다. 다만 인간이 아무리 물체를 크게 만들어봐야 무게가 소행성에 비해서도 매우 적기 때문에 사람이 직접 느낄 수 있는 정도의 수준만 아닐 뿐이다.
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높은 전압은 위험하다?
일반적으로 고전압이라는 말이 흔하게 쓰이기 때문에 일반인들이 많이 오해하고있는 통념이다. 실제로 사람을 죽이는 것은 전류지, 전압이 아니다.
일상적으로 같은 뜻인 '전위' 대신 '전압'이라는 단어를 더 많이 쓰다 보니 '전압 = 전기적 압력'으로 오해할 수 있는데, 전압은 정확히 전위 = '전기적 위치'를 의미한다.
전압(정확히는 전압차)은 중력으로 비유하자면 폭포의 높낮이와 같은데, 아무리 높은 폭포에서 떨어졌어도, 물 한방울이 몸에 떨어졌다는 이유로 사람이 크게 다치지 않는 반면, 엄청난 양의 물을 폭포에서 흘려보내면 사람이 떠내려가 크게 다치거나 죽을 수 있는 것과 같은 이치다. 여기서 '물 한 방울'을 '전하'로, 전체적인 물의 흐름을 전류로 바꾸면 좋은 비유가 성립한다.
아무리 높은 폭포라도 가뭄이 들어 물이 흐르지 않으면 전혀 위험하지 않은 것과 마찬가지로, 아무리 전압차가 커도 인체에 흐르는 전하가 없으면 전혀 위협이 되지 않는다.
'전압' 자체가 위험한 것은 아님을 극단적으로 보여주는 예시는 다음과 같다. 일상적으로 경험할 수 있는 정전기의 경우 전압차가 수천 볼트에 달하지만, 실제로 이동하는 전하량(전류)이 많지 않아 잠깐 따끔하고 마는 반면, 이보다 전압이 5배 정도 낮은 220V 콘센트에 감전되면 엄청난 양의 전류가 몸을 관통하므로 사망할 수 있다.
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반입자는 질량이 마이너스다?
입자와 반입자는 질량은 같다. 다만 입자를 구성하는 쿼크가 반쿼크로 구성되어있다. 예를 들면 가장 흔한 입자중에 하나인 양성자는 up쿼크 2개, down쿼크 1개로 이루어져 있어서 2/3, 2/3, -1/3을 모두 더해서 +1전하를 가지지만, 반양성자는 반 up쿼크 2개, 반 down쿼크 1개로 이루어져 있어서 -2/3, -2/3, 1/3을 모두 더해서 -1전하를 가진다. 중성자는 up쿼크 1개, down쿼크 2개로 이루어져 있어서 2/3, -1/3, -1/3을 모두 더해서 0 전하를 가지지만, 반중성자는 반 up쿼크 1개, 반 down쿼크 2개로 이루어져 있어서 -2/3, 1/3, 1/3을 모두 더해서 역시나 0 전하가 된다. -1 전하를 가지는 전자는 경입자라 쿼크로 구성되어 있지 않으며 반입자는 +1 전하를 가지는 양전자다. -
레이저로 강철을 잘라낼 수 있다?
당연히 가능하다. 실제로도 kW 출력급 고출력 레이저는 세라믹이나 금속를 절삭하는 용도로 산업에서 이용된다. 다만 레이저 광선이 아무리 햇빛과는 비교가 안되게 강해도 금속을 자를 정도가 되는 출력을 얻는것은 까다롭고 어려운 기술이다. 높은 평균 출력을 내기위한 공진기 부분을 포함한 기계 자체의 크기도 많이 커지고, 또 레이저 광선을 0.5mm가 안되는 좁은 직경으로, 사용하는 레이저 파장에 맞는 렌즈나 거울을 이용해 집속시켜야 된다. 단지 가공이 정밀하다는 큰 장점이 있을뿐 가격도 워낙 비싸서 톱과 연마기를 이용한 보수적인 가공법보다 다른 면에서는 더 나은점이 없다.
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속력 = 속도이다?
물리학적으로도 비슷한 개념이긴 하나, 엄밀히 따지자면 다른 개념이다. 우선 속력의 정의는 '단위 시간 동안 이동한 거리'이다. 반면 속도는 '단위 시간 동안 위치의 변화'이다. 이동 거리는 스칼라이고 변위는 벡터이므로 속력과 속도는 각각 다른 물리량으로 분류된다.
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네이버 지식iN에 kokospice가 물리학 분야에서 유사과학에 기초한 답변을 단다. 수학을 배제한 자신의 세계관에서 살고 있으니 일단 조심하고 보자.
레너드 호프스태터: 어떤 농부가 자기 닭이 알을 안 낳아서 물리학자를 불렀대. 그런데 물리학자가 말하기를: "해결책이 있지만, 오직 진공상태의 구형 닭에게만 효과가 있을 테요."
"A farmer has some chickens who don't lay any eggs. The farmer calls a physicist to help. The physicist does some calculation and says "I have a solution but it only works for spherical chickens in a vacuum!"
- 빅뱅 이론
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물리학에서 계산 노가다를 줄이기 위해 각종 가정을 붙이는 일이 많다 보니 관련 농담이 있다. 보통 가축으로 흔히 볼 수 있는 닭이나 소가 이 농담의 주인공이다. 농담의 요는 현실에서는 동물들이 복잡한 모양을 지니고 그 재질도 다양하고 계속 움직이고 성장/노화하는 등 변수가 매우 많지만 이론 속 물리학의 세계에서는 그런 복잡한 것은 다 치우고 가장 간단한 도형인 구로 가정한 이후 이론을 만든다는 것. 여기서 더 나아가 이상기체 속이나 진공 상태에서만 적용된다던가, 아니면 강체나 흑체 소라던가, 부피가 0인 소에만 적용된다던가 하는 농담이 있다.
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