물리학

물리학은 물질과 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다. 가장 기초적인 과학의 한 분야가 물리학이라고 말할 수 있다. 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떤 식으로 운동하는가를 논리적으로 이해하고, 모든 물체의 운동 원리를 규명하는 것이다.

아주 오래 전, 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철학의 일부였지만, 17세기 과학 혁명 이후 엄격한 과학적 방법을 사용하여 경험적 지식만을 다루게 되면서 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문으로 자리 잡았다. 

갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 수리 모형을 통해 설명하고자 하였다. 아이작 뉴턴은 고전 역학을 수립하였다. 현대 물리학에서도 수리 모형은 예측과 가설 검증의 주요한 수단으로 사용되고 있다. 

 

현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉜다. 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험물리학으로 구분되기도 하고, 다루는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자물리학이 그것이다. 물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학이라고 불린다. 물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.

과학적 방법은 현상을 연구하고, 새로운 지식을 구축하거나, 이전의 지식들을 모아 통합할 때 사용되는 기법이다. 과학적 방법은 귀납적이며 경험적인 진리를 추구한다. 따라서 과학적 방법으로 얻어진 지식은 철학, 종교, 수학 등 다른 영역에서 다루는 진리와 뚜렷이 구별된다.

 

 

인류가 도구를 사용한 이래 물리학적 지식은 생활의 여러 방면에 이용되어왔다. 중세 시기에는 기계를 개선하고 다양한 방면에 물리학적 지식을 사용하였다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견하였고, 이를 수학적 모형으로 서술하여 이후 물리학 발전에 큰 영향을 주었다. 16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 많은 사람들이 물리학의 발전에 공헌하였는데, 대표적인 인물이 이이작 뉴턴이다. 아이작 뉴턴이 완성시킨 고전 역학은 자연에 대한 이해를 새롭게 하였고, 눈으로 볼 수 있는 크기의 모든 물체의 운동에 대해 잘 들어맞는 모형을 제시하였다. 20세기 초, 물리학은 새로운 패러다임의 변화를 겪게 되었다. 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하여 고전 물리학에서 불변량으로 다루어져왔던 시간과 공간 또는 장소는 더이상 불변량으로 다루어지지 않고 고전역학의 절대시간과 절대공간의 개념은 폐기되었다.

 

물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 고전역학, 열역학, 전자기학, 양자역학, 상대성이론이 그것이다.

 

고전역학

고전역학은 물체에 작용하는 힘과 운동의 관계를 설명하는 물리학이다. 뉴턴의 운동법칙을 만든 뉴턴의 이름을 따서 '뉴턴역학'이라고 부르기도 한다. 고전역학은 상생활에서 일어나는 현상들을 매우 정확하게 설명하고 예측할 수 있다. 고전역학은 다른 이론들에 비해 비교적 수학적으로 간단하여 쉽게 사용할 수 있고, 대략적으로 옳은 결과를 주는 범위가 넓다.

 

열역학

열역학은 에너지, 열, 일, 엔트로피와 과정의 자발서을 다루는 물리학의 분야다. 통계 역학과 긴밀한 관계를 가지며, 그로부터 수많은 열역학 관계식을 유도할 수 있다. 열역학 법칙은 매우 일반적인 법칙으로, 관찰하는 대상이나 물질 사이의 상호작용에 상관없이 항상 성립하는 법칙이다. 관찰하고자 하는 계와 이를 둘러싼 환경 사이에 에너지와 물질 교환이 평형을 이룬다는 사실만 확인되면 항상 적용할 수 있다.

 

전자기학

전자기학은 전기와 자기현상을 깊이 연구하는 학문이다. 기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있어서 같은 것은 밀쳐내고 다른 것과는 끌어당긴다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가였던 벤저민 프랭클린은 두 전하를 한 쪽은 양 전하, 다른 쪽은 음 전하라고 이름 붙였다. 전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 국제단위계에서는 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만 일반적으로는 가우스(G)가 더 많이 쓰인다.

 

양자역학

양자역학은 분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 물질세계의 현상을 연구하는 물리학의 분야이다. 현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주는 등 과학기술, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가된다.

 

상대성이론

상대성이론은 여러 수학자들에 의해 완성된 이론으로, 시간과 공간에 대한 물리 이론이다. 상대성이론은 특수 상대성이론과 일반 상대성이론으로 나뉜다.