물리학의 역사
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1. 개요
물리학의 역사는 고대부터 현대에 이르기까지 자연 현상에 대한 이해를 넓혀온 과정을 담고 있다. 고대 및 중세 시대에는 천문학, 광학, 역학 분야에서 지식이 발전했고, 특히 이븐 알하이삼은 빛에 대한 새로운 이론을 제시했다. 16세기와 17세기에는 과학 혁명을 통해 근대 물리학이 태동하여, 코페르니쿠스의 지동설, 케플러의 행성 운동 법칙, 갈릴레오의 실험 물리학, 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력의 법칙 등이 고전 역학의 기초를 확립했다. 19세기에는 전자기학, 열역학, 통계역학이 발전하며, 맥스웰은 전자기 이론을 완성하고, 볼츠만은 통계역학의 기반을 마련했다. 20세기에는 특수 및 일반 상대성 이론과 양자역학이 등장하여 기존의 물리적 개념을 혁신적으로 변화시켰으며, 소립자 물리학과 표준 모형이 발전했다. 현대 물리학은 응집물질물리학, 우주론 등 다양한 분야로 확장되었으며, 물리학은 사회 기술 발전에 큰 영향을 미치고 있다.
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| 물리학의 역사 | |
|---|---|
| 물리학의 역사 | |
 | |
| 고대 시대 | |
| 기원 | 기원전 4세기 |
| 주요 인물 | 아리스토텔레스 아르키메데스 프톨레마이오스 |
| 중세 시대 | |
| 주요 발전 | 시각 이론 및 연금술 |
| 주요 인물 | 이븐알하이삼 알콰리즈미 |
| 르네상스 시대 | |
| 주요 발전 | 지동설 |
| 주요 인물 | 니콜라우스 코페르니쿠스 |
| 고전 물리학 | |
| 주요 발전 | 운동 법칙, 만유인력의 법칙 |
| 주요 인물 | 아이작 뉴턴 |
| 전자기학 | |
| 주요 발전 | 전자기학, 맥스웰 방정식 |
| 주요 인물 | 마이클 패러데이 제임스 클러크 맥스웰 |
| 열역학 | |
| 주요 발전 | 열역학 |
| 주요 인물 | 니콜라 카르노 루돌프 클라우지우스 조지프 존 톰슨 |
| 현대 물리학 | |
| 주요 발전 | 상대성이론, 양자역학 |
| 주요 인물 | 알베르트 아인슈타인 막스 플랑크 닐스 보어 에르빈 슈뢰딩거 베르너 하이젠베르크 |
| 기타 | |
| 영향 | 기술, 사회 |
2. 고대 및 중세 물리학
클라우디오스 프톨레마이오스는 2세기 로마 이집트에서 경험적 방법을 이용해 빛의 반사, 굴절, 쌍안시를 연구했다. 그는 플라톤적 사고방식을 따라 자신의 이론에 맞지 않는 실험 결과는 무시하거나 합리화했다. 그의 잘못된 빛의 복사 이론은 10세기까지 광학 발전에 걸림돌이 되었다. 이븐 알하이삼은 프톨레마이오스의 이론과 달리 빛이 물체에서 우리 눈으로 들어와 볼 수 있다는 새로운 광학 이론을 제시했다.
물리학의 일부 요소는 천문학, 광학, 역학에서 비롯되었으며, 기하학 연구를 통해 통합되었다. 이러한 학문은 고대사 시대 바빌로니아와 헬레니즘 문명의 아르키메데스, 프톨레마이오스 같은 학자들에게서 시작되었다. 한편, 고대 철학에는 "물리학"이 포함되었다.
서양 철학은 아리스토텔레스의 "4원소" 사상을 바탕으로 발전했다. 이슬람 철학, 중국 철학, 인도 철학 등 세계 각지에서도 독자적인 철학이 나타나 서로 영향을 주었다.
고대 그리스의 성과는 아랍어에서 라틴어로 번역되어 서양에 다시 전해졌고, 유대-이슬람 이론과 결합해 중세 철학에 큰 영향을 미쳤다. 토마스 아퀴나스와 스콜라 철학자들은 고대 그리스 철학과 기독교 신학의 조화를 추구하며 아리스토텔레스를 가장 위대한 사상가로 여겼다. 성경과 모순되지 않는 한, 아리스토텔레스 물리학은 유럽 교회에서 물리 현상을 설명하는 바탕이 되었다.
스콜라 물리학은 아리스토텔레스 물리학에 기초하여 물체를 본성에 따른 움직임으로 설명했다. 천구의 천체는 완전한 등속 원운동을 하는 고유한 성질을 지닌다고 여겨 원운동으로 기술되었다. 요한네스 필로포누스, 장 뷔리당 등 중세 철학자들은 관성, 운동량의 조상 격인 임페투스 이론을 발전시켰다. 달 궤도 아래 물체의 운동은 불완전하여 일관된 운동으로 간주되지 않았고, 17세기 이전에는 인공물로만 이상적인 운동이 가능하다고 여겨 자연 과학 연구의 의미를 찾기 어려웠다. 돌은 흙 원소를 포함하고 지구 중심으로 똑바로 움직이는 경향이 있다는 식으로, 당시 달 아래 물체 운동의 물리적 설명은 "경향" 중심이었다.
고대 중국과 인도에서도 물리학과 수학의 중요한 전통이 있었다. 인도 철학에서 바이셰시카 학파의 카나다는 기원전 1천년기에 원자론과 비슷한 생각을 제안했고, 디그나가, 다르마키르티는 이를 불교적 원자론으로 발전시켰다. 아리아바타는 『아리아바티야』(499년)에서 지구의 자전을 언급했고, 닐라칸타 소마야지(1444년~1544년)는 티코 브라헤와 비슷한 태양계 모델을 제안했다. 중국 철학자 묵자(기원전 470년경~기원전 390년)는 관성과 비슷한 개념을 생각했다. 선괄(1031년~1095년)은 카메라 옵스큐라를 독립적으로 발명했고, 중국의 자성 연구는 기원전 4세기 ''귀곡자''로 거슬러 올라가며 나침반 발명으로 이어졌다.
2. 1. 고대 그리스의 자연 철학
소크라테스 이전 철학자들과 함께 그리스의 고졸 시대(기원전 650~480년)부터 자연에 대한 합리적인 이해를 향한 움직임이 시작되었다. 다양한 초자연적, 종교적 또는 신화적 설명을 거부하여 자연 현상에 대한 "과학의 아버지"라고 불린 철학자 탈레스(기원전 7세기와 6세기)는 모든 사건이 자연적 원인을 갖는다고 선언했다.[1] 탈레스는 기원전 580년에 물이 기본 원소라는 것을 제안하고, 자석과 문지른 호박 사이의 인력을 실험하고, 최초로 기록된 우주론을 공식화했다. 아낙시만드로스는 초기 진화론을 개발한 인물로, 탈레스의 주장에 이의를 제기하고 물이 아닌 ''아페이론''이라는 물질이 모든 물질의 구성 요소라고 제안했다. 기원전 500년경 헤라클레이토스는 우주를 지배하는 유일한 기본 법칙은 변화의 원리이며 어떤 것도 영원히 같은 상태로 남아 있지 않다고 제안했다.
그리스의 고전 시대(기원전 6, 5, 4세기)와 헬레니즘 시대 동안 자연 철학은 흥미롭고 논쟁적인 연구 분야로 천천히 발전했다. 플라톤의 제자였던 아리스토텔레스(Ἀριστοτέλης|아리스토텔레스el) (기원전 384~322년)는 물리적 현상의 관찰이 궁극적으로 이를 지배하는 자연 법칙의 발견으로 이어질 수 있다는 개념을 장려했다. 아리스토텔레스의 저술은 물리학, 형이상학, 시, 연극, 음악, 논리학, 수사학, 언어학, 정치, 정부, 윤리학, 생물학, 동물학을 다루고 있다. 그는 "물리학"이라는 연구 분야를 언급한 최초의 저서를 썼으며, 기원전 4세기에 아리스토텔레스 물리학으로 알려진 체계를 설립했다. 그는 운동(및 중력)과 같은 아이디어를 네 가지 원소의 이론으로 설명하려고 시도했다. 아리스토텔레스는 모든 물질이 에테르 또는 흙, 물, 공기, 불의 조합으로 이루어져 있다고 믿었다. 결국 아리스토텔레스 물리학은 유럽에서 수세기 동안 엄청난 인기를 얻어 중세 시대의 과학적, 스콜라적 발전에 영향을 미쳤다.
기원전 3세기에 그리스 수학자 시라쿠사의 아르키메데스(Ἀρχιμήδης|아르키메데스el) (기원전 287~212년)는 유체 정역학, 정역학의 기초를 다졌으며 지렛대의 기본 수학을 계산했다. 또한 기원전 250년경 그의 저서 ''부체에 관하여''에서 부력의 법칙, 즉 아르키메데스 원리를 개발했다. 수학에서 아르키메데스는 무한 급수의 합을 사용하여 포물선 호 아래의 면적을 계산하기 위해 소진법을 사용했고, 원주율을 놀랍도록 정확하게 근사했다. 그는 또한 평형 상태와 질량 중심의 원리를 개발했는데, 이는 갈릴레오와 뉴턴과 같은 미래의 학자들에게 영향을 미칠 아이디어였다.
2. 2. 이슬람 세계의 과학적 기여
7세기부터 15세기까지 이슬람 세계에서 과학적 진보가 이루어졌다. 인도, 아시리아, 사산 왕조 (페르시아) 및 그리스의 많은 고전 작품, 특히 아리스토텔레스의 작품들이 아랍어로 번역되었다.[10] 이븐 알하이삼(965–1040)은 현대 광학의 창시자로 여겨지는 아랍[11] 또는 페르시아[12] 과학자로, 중요한 기여를 했다. 프톨레마이오스와 아리스토텔레스는 빛이 눈에서 나와 물체를 비추거나 "형상"이 물체 자체에서 나온다고 이론화했지만, 알하이삼(라틴 이름 "알하젠"으로 알려짐)은 빛이 물체의 서로 다른 지점에서 눈으로 광선으로 이동한다고 제안했다. 이븐 알하이삼과 페르시아 과학자인 알 비루니(973–1050)의 작품은 결국 서유럽으로 전해져 로저 베이컨과 비텔로와 같은 학자들에게 연구되었다.[13]이븐 알하이삼은 광학 연구에서 통제된 실험을 사용했지만, 그것이 프톨레마이오스와 어느 정도 차이가 있었는지는 논쟁의 여지가 있다.[14][15] 비루니와 알하자니와 같은 아랍의 역학자들은 정교한 "무게 과학"을 개발하여 비중과 부피를 측정했다.[16]
이븐 시나(980–1037)는 부하라 (현재 우즈베키스탄) 출신의 박식가로, 물리학, 광학, 철학 및 의학에 중요한 기여를 했다. 그는 치유의 책(1020)에서 운동 이론을 발표했는데, 이 책에서 그는 던지는 사람이 투사체에 충격을 가한다고 주장했다. 그는 그것을 지속적인 것으로 보았고, 이를 소멸시키기 위해서는 공기 저항과 같은 외부 힘이 필요하다고 보았다.[17][18][19] 이븐 시나는 '힘'과 '경향'(mayl)을 구분하고, 물체가 자연스러운 운동에 반대될 때 mayl을 얻는다고 주장했다. 그는 운동의 지속은 물체로 전달된 경향에 기인하며, 물체는 mayl이 소모될 때까지 운동할 것이라고 결론지었다. 이 운동 개념은 뉴턴의 운동 제1법칙, 즉 관성에 부합하며, 이는 운동하는 물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 계속 운동한다는 것을 의미한다.[17] 아리스토텔레스의 견해와는 다른 이 아이디어는 나중에 존 부리단에 의해 "충격"으로 묘사되었으며, 그는 이븐 시나의 ''치유의 책''의 영향을 받았을 가능성이 높다.[20]
히바트 알라 아부 알바라카트 알바그다디는 이븐 시나의 투사체 운동 이론을 채택하고 수정했다. 아부 알바라카트는 그의 ''키타브 알무타바르''에서 움직이는 사람이 움직이는 물체에 폭력적인 경향(''mayl qasri'')을 가하며, 이 경향은 움직이는 물체가 움직이는 사람으로부터 멀어짐에 따라 감소한다고 말했다.[21] 그는 또한 연속적인 속도 증가와 함께 연속적인 힘 증가가 축적됨으로써 낙하하는 물체의 가속도를 설명하는 이론을 제시했다.[22] 슐로모 파인스에 따르면, 알바그다디의 운동 이론은 "아리스토텔레스의 근본적인 역학 법칙 [즉, 일정한 힘은 균일한 운동을 생성한다는 것]을 가장 먼저 부정했으며, [따라서] [힘이 지속적으로 작용하면 가속도가 발생한다는] 고전 역학의 근본 법칙을 막연하게 예견한 것"이다.[23] 장 부리단과 작센의 알버트는 나중에 아부 알바라카트를 언급하며 낙하하는 물체의 가속도는 증가하는 충격의 결과라고 설명했다.[21]
이븐 바자는 모든 힘에 대해 항상 반작용이 있다고 제안했다. 이븐 바자는 프톨레마이오스를 비판했고, 아리스토텔레스가 이론화한 속도 이론을 대체하기 위해 새로운 이론을 만들었다. 토마스 아퀴나스와 존 던스 스코투스는 아베엠파체 역학을 지지했다.[24] 갈릴레오는 아베엠파체의 공식인 "주어진 물체의 속도는 그 물체의 동력과 운동 매체의 저항의 차이"를 채택했다.[24]
나시르 알딘 알투시(1201–1274)는 바그다드에서 사망한 페르시아 천문학자이자 수학자로 투시 커플을 소개했다. 코페르니쿠스는 나중에 알딘 알투시와 그의 학생들의 연구를 크게 활용했지만, 이에 대한 언급은 없었다.[25]
3. 근대 물리학의 태동
1850년부터 1870년까지, 에너지에 대한 수리물리학이 확립되면서 이전 시대 물리학의 적용 범위가 크게 넓어졌고, 물질 세계의 움직임에 대한 전통적인 질문에 도전할 수 있게 되었다. 피에르시몽 라플라스의 천체역학 연구는 결정론적 역학관을 강화했지만, 에너지, 특히 열 흐름에 대한 연구는 우주의 결정론적 관점에 의문을 제기했다.
윌리엄 톰슨을 비롯한 과학자들은 서로 다른 형태의 에너지 변환과 전체 에너지 보존에 관련된 새로운 수리물리학(열역학 제1법칙)을 확립했다.[114] 이 연구는 헤르만 폰 헬름홀츠의 에너지 보존 연구와 연결되었다. 톰슨은 조제프 푸리에의 열 흐름 연구에서 수학적 아이디어를 얻었지만, 시간에 따른 에너지 소실(열역학 제2법칙)이 물리학의 기본 원리라고 믿었다.
루트비히 볼츠만과 제임스 클러크 맥스웰이 발전시킨 통계역학에서는 에너지와 열을 입자 운동의 속도로 보았다. 입자의 통계적 상태와 에너지 상태는 서로 연결되어 있으며, 에너지 소실은 입자가 무질서한 상태로 향하는 경향으로 설명된다. 열역학 제2법칙의 통계적 해석과 절대적 해석 사이의 논쟁은 수십 년 동안 이어졌고, 20세기 초에 원자의 행동이 확실히 이해될 때까지 완전히 해결되지 않았다.[115]
새로운 에너지 물리학은 장 개념 도입과 1873년 맥스웰의 ''Treatise on Electricity and Magnetism''을 통해 전자기 현상 분석 방식을 바꾸었으며, 카를 프리드리히 가우스와 빌헬름 베버 등의 이론적 연구에 기초가 되었다. 1888년 하인리히 헤르츠의 전자기파 발견과 라디오 발명은 이론 물리학의 큰 성과였다.
3. 1. 과학 혁명과 고전 역학의 발전
16세기와 17세기 유럽에서는 과학 혁명이라 불리는 큰 변화가 일어나면서 근대 물리학이 발전하기 시작했다. 니콜라우스 코페르니쿠스는 지구가 우주의 중심이 아니라 태양 주위를 돈다는 지동설을 주장하여 천문학에 큰 변화를 가져왔다. 요하네스 케플러는 행성들이 태양 주위를 어떻게 움직이는지를 설명하는 행성 운동 법칙을 발견하여 천문학 발전에 기여했다.[26]갈릴레오 갈릴레이는 자신이 직접 만든 망원경을 사용하여 목성의 위성을 관측하는 등 우주를 연구하고, 실험을 통해 자연 현상을 설명하는 방법을 제시하여 '근대 과학의 아버지'라고 불린다.[27] 그는 1610년에 《별의 메신저와의 대화》를 출판하여 자신의 발견을 알렸다.
17세기 중반에는 피에르 드 페르마가 빛이 어떻게 움직이는지를 설명하는 페르마의 원리를 제시했다. 17세기 말에서 18세기 초에는 아이작 뉴턴이 우주의 모든 물체가 어떻게 움직이는지를 설명하는 세 가지 운동 법칙을 제시했다. 이 법칙들은 그의 책 《자연철학의 수학적 원리》(프린키피아)에 실려 있다.
1662년 로버트 보일은 기체의 부피와 압력이 서로 반대로 변한다는 보일의 법칙을 발견했고, 1787년 샤를은 기체의 부피와 온도가 서로 비례한다는 샤를의 법칙을 발견했다. 이 법칙은 나중에 조제프 루이 게이뤼삭에 의해 다시 발견되어 샤를과 게이뤼삭의 법칙이라고도 불린다. 이후 클라페이론이 이 법칙들을 합쳐 이상 기체 상태방정식을 만들었고, 판데르발스는 실제 기체의 움직임을 설명하는 반데발스의 상태방정식을 만들었다.
클라우지우스는 에너지 보존 법칙에 기초하여 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 만들고, 엔탈피와 엔트로피라는 중요한 개념을 제시했다. 이후 네른스트가 열역학 제3법칙을 발견하여 오늘날의 열역학 법칙이 완성되었다.
볼츠만은 슈테판-볼츠만 법칙을 통해 뜨거운 물체가 내는 빛의 세기가 온도의 네 제곱에 비례한다는 것을 밝혔고, 원자와 분자의 존재를 주장했다. 그는 엔트로피를 확률로 설명하고, 맥스웰-볼츠만 분포를 이용해 기체 분자의 운동을 설명하면서 통계역학의 기초를 마련했다.
또한, 열에너지가 전혀 없는 상태를 기준으로 하는 절대 온도가 만들어졌고, 그 단위는 윌리엄 톰슨의 작위 이름인 '켈빈'을 따서 붙여졌다.
18세기에는 레온하르트 오일러, 조제프루이 라그랑주 등 많은 수학자들이 뉴턴과 라이프니츠가 만든 수학적 방법을 발전시켜 운동 문제를 해결하는 데 사용했다. 이 연구는 처음에는 천체의 움직임을 중심으로 발전했지만, 다니엘 베르누이의 유체역학 연구 등에도 응용되었다.
같은 시기에 왕립 학회와 프랑스 과학 아카데미를 중심으로 실험을 통해 자연 현상을 연구하는 전통도 이어졌다. 아이작 뉴턴은 1704년 자신의 책 《광학》(Opticks)에서 프리즘을 이용해 빛을 여러 색깔로 나누는 실험을 소개하며 실험 분야에서도 중요한 역할을 했다.
19세기 초에는 존 돌턴이 화학의 원자론적 해석을 제안했고, 토마스 영이 빛의 파동설을 주장했으며, 마이클 패러데이가 패러데이의 전자기 유도 법칙을 확립했다.
3. 2. 아이작 뉴턴과 고전 역학의 완성
아이작 뉴턴은 케임브리지 대학교의 수학자겸 물리학자로서, 17세기 말에서 18세기 초에 걸쳐 데카르트 학파의 운동철학을 비판했다. 뉴턴은 전 우주의 운동을 설명하는 단순한 세 가지 뉴턴의 운동법칙을 제시했으며, 이는 ''자연철학의 수학적 원리''(프린키피아)에 출판되었다.
4. 19세기 물리학의 발전
19세기에는 열역학과 통계역학 분야에서 큰 발전이 있었다. 1662년 영국의 보일은 부피와 압력이 반비례한다는 보일의 법칙을 발견했고, 1787년 샤를은 부피와 온도가 비례한다는 샤를의 법칙을 발견했다. 게이뤼삭이 샤를의 법칙을 재발견하면서 샤를과 게이뤼삭의 법칙으로 불리기도 한다. 클라페이론은 이 식들을 조합하여 이상 기체 상태방정식을 만들었고, 판데르발스는 반데발스의 상태방정식을 통해 실제 유체의 행동을 근사적으로 나타냈다.
클라우지우스는 에너지 보존 법칙에 기반하여 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 정립하고, 열역학과 통계역학의 핵심 개념인 엔탈피와 엔트로피를 도입했다. 이후 네른스트가 열역학 제3법칙을 발견하면서 열역학 법칙이 완성되었다.
볼츠만은 슈테판-볼츠만 법칙을 통해 흑체 복사 에너지가 절대 온도의 네 제곱에 비례함을 보였다. 그는 원자와 분자의 존재를 주장하고, 엔트로피를 확률적으로 설명했으며, 맥스웰-볼츠만 분포를 통해 기체분자운동론을 설명하여 통계역학의 기반을 다졌다.
열에너지가 없는 최저 온도를 기준으로 하는 절대 온도 개념이 도입되었고, 그 단위는 톰슨의 작위 이름을 따 '켈빈'으로 명명되었다.
4. 1. 전자기학의 발전
1800년, 알레산드로 볼타는 볼타 전지를 발명하여 전류 연구 방식을 개선했다.[43] 1년 뒤, 토머스 영은 빛의 파동성을 증명했는데, 이는 오귀스탱 장 프레넬의 연구를 통해 강력한 실험적 지지를 받았으며, 간섭의 원리를 밝혀냈다.[43]
1820년, 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선이 주변에 자기력을 발생시킨다는 것을 발견했고, 외르스테드의 발견이 프랑스에 도달한 지 일주일 만에 앙드레마리 앙페르는 두 개의 평행한 전류가 서로에게 힘을 가한다는 것을 발견했다.[44]
1821년, 마이클 패러데이는 전기로 구동되는 모터를 만들었고,[45] 게오르크 옴은 1826년 전기 회로에서 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 나타내는 전기 저항의 법칙을 발표했다.[45]
1831년, 패러데이(그리고 독립적으로 조지프 헨리)는 자기장을 통해 전기적 전위 또는 전류를 생성하는 역효과, 즉 전자기 유도를 발견했다.[45] 이 두 가지 발견은 각각 전기 모터와 발전기의 기초가 되었다.
4. 2. 열역학과 통계역학의 발전
19세기에는 율리우스 로베르트 폰 마이어와 제임스 프레스콧 줄이 열과 역학적 에너지 사이의 관계를 정량적으로 확립하고, 1840년대에 열의 일당량을 측정했다.[45] 1849년, 줄은 열이 에너지의 한 형태임을 보여주는 실험 결과를 발표했고, 이는 1850년대에 받아들여졌다.[45] 열과 에너지의 관계는 증기 기관 개발에 중요했으며, 1824년 니콜라 레오나르 사디 카르노는 이상적인 엔진의 효율성에 대한 연구를 발표했다.[45] 카르노의 연구는 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙)의 공식화의 기초를 제공했으며, 1850년경 윌리엄 톰슨과 루돌프 클라우지우스에 의해 언급되었다.[45] 1848년에 켈빈 경은 절대 영도의 개념을 확장하여 제1법칙을 공식화했다.[45]켈빈과 클라우지우스는 또한 열역학 제2법칙을 언급했는데, 이는 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 열이 자발적으로 흐르지 않는다는 사실을 토대로 공식화되었다.[45] 켈빈은 이 법칙의 일반적인 의미를 이해했다.[45] 기체는 운동하는 분자로 구성되어 있다는 아이디어는 1738년 다니엘 베르누이에 의해 논의되었지만, 1857년 클라우지우스에 의해 부활했다.[45] 1852년, 줄과 톰슨은 급격히 팽창하는 기체가 냉각된다는 줄-톰슨 효과를 입증했다.[45] 헤르만 폰 헬름홀츠는 1854년에 우주의 열적 죽음에 대한 아이디어를 제시했다.[45]
루트비히 볼츠만(1844–1906)과 조지아 윌라드 기브스(1839–1903)는 통계 역학이라는 혁명적인 접근 방식을 통해, 시스템의 미시적 상태의 통계를 연구하고 이를 통해 물리 시스템의 상태를 결정했다.[73] 클라우지우스는 에너지 소산을 분자 배열이 무질서한 상태로 이동하는 통계적 경향으로 재해석하고, 엔트로피라는 용어를 사용했다.[73] 열역학 제2법칙의 통계적 해석과 절대적 해석의 대립은 20세기 초까지 지속되었다.[73][74]
5. 20세기 현대 물리학
아인슈타인은 광전효과를 설명하기 위해 막스 플랑크의 가설을 이용하였으며, 이 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 루이 드 브로이는 입자를 파동으로 설명하는 물질파 개념을 제시하여 역시 노벨 물리학상을 받았다.
19세기 말, 빌헬름 콘라트 뢴트겐은 X선을 발견(1895년)했고, 앙리 베크렐은 특정 물질이 방사선을 방출한다는 것을 발견(1896년)했다. 1897년, J. J. 톰슨은 전자를 발견했고, 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 "방사성 붕괴"라는 용어를 만들고 라듐과 폴로늄을 분리했다. 어니스트 러더퍼드는 방사능의 두 가지 유형을 식별, 명명하고, 1911년에는 원자가 음전하를 띤 전자로 둘러싸인 밀도가 높고 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있음을 실험적으로 증명했다.
알베르트 아인슈타인과 에드워드 몰리의 마이컬슨-몰리 실험은 루미너퍼러스 에테르에 대한 정지된 특정 기준틀이 없음을 보여주었다. 1930년대에는 리제 마이트너와 오토 프리쉬가 핵분열을 발견하여 원자력 활용의 길을 열었다.
5. 1. 상대성 이론
1905년, 알베르트 아인슈타인은 관찰자와 관찰 대상 사이의 운동이 시간과 공간의 측정에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 상대성 이론을 발표하여 과학에 혁명을 일으켰다.[52] 아인슈타인은 진공에서의 광속이 모든 관찰자에게 일정하며 속도의 절대적인 상한선임을 인식했다. 빛의 속도에 가깝게 이동하는 물체의 경우, 상대성 이론은 해당 물체와 관련된 시계가 더 느리게 작동하고, 지상 관찰자의 측정에 따라 물체의 길이가 짧아진다는 것을 보여준다. 아인슈타인은 또한 질량과 에너지의 등가성을 나타내는 방정식을 유도했다.[52]아인슈타인은 빛의 속도가 모든 관성 좌표계에서 일정하며 전자기 법칙은 기준틀에 관계없이 유효해야 한다고 주장했다. 이러한 주장은 에테르가 물리 이론에 "불필요"하게 만들었으며, 시간과 길이의 관측이 측정 대상에 대한 관찰자의 움직임에 따라 달라진다고 보았다. (이것이 "특수 상대성 이론"이라고 불리게 되었다).[52] 특수 상대성 이론은 물리적 관측과 공간 및 시간의 개념 간의 관계를 공식화한 것이다. 이 이론은 전자기학과 뉴턴 역학 사이의 모순에서 비롯되었으며 두 분야 모두에 큰 영향을 미쳤다.[52]
특수 상대성 이론은 역학에도 지속적인 영향을 미쳤다. 처음에는 "질량과 에너지의 통일"로 인정받았지만, 상대론적 역학은 정지 질량과 시스템의 에너지 및 운동량 사이에 확고한 ''구분''을 설정했다는 것이 명백해졌다. 정지 질량은 입자 또는 입자 시스템의 불변(관찰자 독립) 속성이며, 에너지와 운동량은 모든 상황에서 별도로 보존되지만 다른 관찰자에 대해 불변하지 않다. 입자 물리학에서 용어 ''질량''은 의미론적 변화를 겪었고, 20세기 후반 이후에는 거의 전적으로 정지 (또는 ''불변'') 질량을 나타낸다. [52]
1916년, 아인슈타인은 이를 더욱 일반화하여, 비균일 가속을 포함한 모든 운동 상태를 다룰 수 있었으며, 이것이 일반 상대성 이론이 되었다. 이 이론에서 아인슈타인은 시공간의 곡률이라는 새로운 개념을 제시했는데, 이는 공간의 모든 지점에서 중력 효과를 설명했다. 실제로 시공간의 곡률은 뉴턴의 만유인력 법칙을 완전히 대체했다. 아인슈타인에 따르면, 일반적인 의미의 중력은 공간의 기하학에 의해 야기되는 일종의 착각이다. 질량의 존재는 질량 근처에서 시공간의 곡률을 유발하며, 이 곡률은 모든 자유롭게 움직이는 물체가 따라야 하는 시공간 경로를 결정한다. 이 이론에서 빛이 중력의 영향을 받는다는 것도 예측되었으며, 이 모든 것이 실험적으로 확인되었다. 상대성 이론의 이러한 측면은 태양 주위에서 빛이 굴절되는 현상, 블랙홀의 예측, 그리고 우주 마이크로파 배경 복사의 특성을 설명했다.[52]
1910년대에 아인슈타인은 가속하는 기준 틀의 경우("일반 상대성 이론") 상대성 이론을 확장하면서, 가속의 관성력과 중력 사이의 등가성을 가정하여 공간이 굽어 있고 크기가 유한하다는 결론을 도출했으며, 중력 렌즈 현상 및 중력장 내에서 시간의 왜곡과 같은 현상을 예측했다.[52]
5. 2. 양자역학
막스 플랑크는 양자 가설을 제시하여 양자역학의 기초를 마련했다.[76] 닐스 보어는 원자 모형을 제안하고, 수소 원자의 스펙트럼을 설명했다.[76] 베르너 하이젠베르크는 불확정성 원리를 제시하고, 행렬 역학을 발전시켰다.[76] 에르빈 슈뢰딩거는 파동 방정식을 제시하고, 파동 역학을 발전시켰다.[76] 폴 디랙은 상대론적 양자역학을 발전시켰으며, 양전자 존재를 예측했다.[76]
양자역학은 원자와 원자 이하 시스템에 대한 이론이다. 20세기 초 약 30년은 이 이론의 개념 정립과 발전 시기를 나타낸다. 양자 이론의 기본 아이디어는 1900년 막스 플랑크(1858–1947)에 의해 도입되었으며, 그는 에너지의 양자화된 본성을 발견한 공로로 1918년 노벨 물리학상을 수상했다.
1905년, 알베르트 아인슈타인은 양자 이론을 사용하여 광전효과를 설명했고, 1913년 덴마크 물리학자 닐스 보어는 동일한 상수를 사용하여 러더퍼드의 원자의 안정성과 수소 기체에서 방출되는 빛의 주파수를 설명했다. 원자의 양자화된 이론은 1920년대에 본격적인 양자역학으로 발전했다. 1925년 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 파스쿠알 요르단에 의해 행렬 역학 형식으로 정립된 "고전적" 역학이 아닌 "양자" 역학의 새로운 원리는 이산적인 "상태" 간의 확률적 관계에 기반을 두고 인과성의 가능성을 부인했다. 양자역학은 하이젠베르크, 볼프강 파울리, 폴 디랙, 에르빈 슈뢰딩거에 의해 광범위하게 개발되었으며, 슈뢰딩거는 1926년에 파동에 기반한 동등한 이론을 확립했다.
스핀-통계 정리는 양자역학에서 모든 입자가 보손 (통계적으로 보즈-아인슈타인) 또는 페르미온 (통계적으로 페르미-디랙)일 수 있다고 확립했다. 나중에는 모든 기본 입자 보손이 전자기력을 전달하는 광자와 같은 힘을 전달하는 것으로 밝혀졌다. 페르미온은 "전자 및 핵자"와 같은 입자이며 물질의 일반적인 구성 요소이다. 페르미-디랙 통계는 나중에 천체물리학(축퇴 물질 참조)에서 반도체 설계에 이르기까지 수많은 다른 용도를 발견했다.
5. 3. 소립자 물리학과 표준 모형
20세기 중반 이후, 입자 가속기를 이용한 실험을 통해 다양한 소립자들이 발견되었다. 유카와 히데키는 원자핵의 양전하가 전자와 양성자 사이의 질량을 가진 입자인 파이온에 의해 매개되는 강력하지만 단거리 힘 덕분에 함께 유지된다고 제안했다.[78] 이 파이온은 1947년에 발견되었으며, 이후 우주선과 입자 가속기를 통해 수많은 입자들이 발견되었다.[78]머리 겔만과 유발 네에만은 새로운 입자들을 특정 속성에 따라 분류하는 "팔중도"를 제시하여 입자들에 질서를 부여했다. 이후 쿼크 모형이 발전하였고, 1970년대에 양자 색역학이 확립되면서 기본 입자와 교환 입자 세트가 확정되었다. 이를 통해 게이지 불변성의 수학을 기반으로 하는 "표준 모형"이 확립되어 중력을 제외한 모든 힘을 성공적으로 설명하게 되었다.[76]
양-밀스 이론[81]을 기반으로 하는 표준 모형은 전자기력 이론과 양자 색역학을 SU(3)×SU(2)×U(1)의 게이지 군으로 표시되는 구조로 묶는다. 표준 모형에서 전자기력과 약력의 통일은 압두스 살람, 스티븐 와인버그, 그리고 그 후 셸던 글래쇼에 의해 이루어졌다. 이후, 전자기-약력 이론은 실험적으로 확인되었고(중성류 관찰에 의해),[82][83] 1979년 노벨 물리학상을 받았다.
표준 모형은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용을 통합하는 이론으로, 쿼크, 렙톤, 게이지 보손 등의 기본 입자들을 설명한다. 우젠슝은 우 실험을 통해 약한 상호작용에서 패리티가 깨짐을 발견했다.[79][80]
힉스 보손은 표준 모형에서 입자의 질량을 설명하는 중요한 입자로, 2012년 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기에서 발견되었다. 조 인칸델라는 이 발견이 "지난 30년 또는 40년 동안 우리 분야에서 새로운 현상에 대한 가장 큰 관찰 중 하나"라고 언급했다.
피터 힉스를 포함한 여섯 명의 물리학자들이 1964년 힉스장("우주적 당밀")의 개념을 고안했다. 힉스 유사 장은 우주 이론과 끈 이론에서 중요한 역할을 하며, 특정 조건에서 반중력 힘을 가하는 에너지로 가득 찰 수 있다. 이는 우주 초기의 급격한 팽창인 인플레이션의 근원, 그리고 현재 우주의 팽창을 가속화하는 것으로 보이는 암흑 에너지의 비밀일 가능성으로 제안되었다.
6. 현대 물리학의 주요 분야
물리학 분야의 연구는 천문학, 광학, 역학 등에서 시작되었으며, 기하학을 통해 통합되었다. 바빌로니아와 헬레니즘 시대에 아르키메데스, 프톨레마이오스(클라우디오스 프톨레마이오스) 등이 이러한 학문을 창시하여 "물리학"은 고대 철학에 통합되었다. 서양 철학은 아리스토텔레스의 4원소 사상을 바탕으로 발전했고, 이슬람 철학, 중국 철학, 인도 철학 등도 독자적으로 발전하여 서로 영향을 미쳤다.
18세기 동안 뉴턴이 창시한 역학은 여러 과학자들에 의해 발전되었고, 미적분학을 배운 수학자들이 초기 공식을 정교하게 다듬었다. 운동 문제에 대한 수학적 분석은 유체역학 또는 혼합 수학으로 알려졌으며, 후에 고전 역학으로 불리게 되었다.
현대 물리학은 고전 물리학의 한계를 극복하고 새로운 현상을 설명하기 위해 등장했다. 현대 물리학의 주요 분야는 다음과 같다.
- 응집물질물리학: 반도체, 초전도체 등 응집된 물질의 성질을 연구한다.
- 우주론: 빅뱅 이론과 우주 마이크로파 배경 등을 연구한다.
이 외에도 핵물리학, 입자물리학, 천체물리학 등이 현대 물리학의 주요 분야로 연구되고 있다.
6. 1. 응집물질물리학
응집물질물리학은 고체, 액체 등 응집된 물질의 물리적 성질을 연구하는 분야이다. 반도체, 초전도체, 자성체 등 다양한 물질의 성질을 연구하고, 이를 응용한 새로운 소자 개발에 기여한다. 한국은 반도체, 디스플레이 등 응집물질물리학 기반 산업에서 세계적인 경쟁력을 갖추고 있다.6. 2. 우주론
우주론은 우주의 기원, 진화, 구조, 그리고 미래를 연구하는 분야이다. 1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론 발표는 우주론 연구의 중요한 전환점이 되었지만, "일반 상대성 이론의 황금기"로 불리는 시기까지는 과학의 주류로 인정받지 못했다.1920년대 허블과 슬라이퍼는 우주의 팽창을 발견하고 은하 성운에서 나오는 도플러 스펙트럼의 적색 편이를 측정했다. 이를 바탕으로 "대토론"이 벌어졌다. 르메트르와 가모프는 일반 상대성 이론을 사용하여 빅뱅 이론을 정립했다. 한편, 호일, 골드, 나를리커, 본디는 정상 우주론이라는 대안적인 이론을 제시했다.
1960년대에 펜지어스와 윌슨이 우주 마이크로파 배경 복사를 발견하면서 빅뱅 이론이 정상 우주론보다 더 설득력 있는 이론으로 받아들여졌다. 이후 스무트 등은 우주 배경 탐사선(COBE)과 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐사선(WMAP) 위성의 데이터를 통해 우주 마이크로파 배경 복사 관측을 더욱 정밀하게 만들었다. 1980년대에는 구스가 인플레이션 이론을 제안하기도 했다.
최근 우주론의 주요 연구 과제는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 밝히는 것이다.
7. 물리학과 사회
물리학은 운동, 에너지, 물질의 근본적인 본질을 탐구하며, 음향학, 지구물리학, 천체물리학, 공기역학, 플라스마 물리학, 저온 물리학, 고체 물리학, 유체역학, 전자기학, 역학 등 다양한 연구 분야를 포함한다. 20세기에는 전기 공학, 항공우주 공학, 재료 과학과 같은 분야와도 밀접하게 관련되었으며, 물리학자들은 학문적인 환경뿐만 아니라 정부 및 산업 연구소에서도 활동하기 시작했다. 제2차 세계 대전 이후 물리학자들의 수가 급격히 증가했고, 그 중심은 미국이 되었으며, 최근 수십 년 동안 물리학은 이전 역사 어느 때보다 더 국제적인 학문이 되었다.[106][107][108][109][110][111][112][113][114][115][116][117][118][119][120][121][122][123][124][125][126][127]
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