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실험물리학

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목차

1. 개요

실험물리학은 물리학의 한 분야로, 자연 현상을 실험을 통해 탐구하고 검증하는 학문이다. 17세기 과학 혁명 시기에 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴 등에 의해 독립적인 분야로 자리 잡았으며, 통제 실험과 자연 실험을 주요 방법으로 사용한다. 실험을 통해 과학 이론을 검증하고 반증하는 데 중요한 역할을 하며, 현대에는 LHC, LIGO, JWST 등 대규모 프로젝트를 통해 입자 물리학, 우주 물리학 등 다양한 분야를 연구한다. 아르키메데스부터 레네 호에 이르기까지 많은 물리학자들이 실험 물리학 발전에 기여했다.

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실험물리학
실험 물리학
분야물리학
하위 분야응집물질물리학
원자, 분자, 광학 물리학
입자물리학
핵물리학
천체물리학
관련 학문 분야공학
과학
역사
시작아이작 뉴턴
발전16세기 ~ 현재

2. 역사

실험 물리학은 과학 혁명 시기 초기 근대 유럽에서 갈릴레오 갈릴레이, 크리스티안 호이겐스, 요하네스 케플러, 블레즈 파스칼, 아이작 뉴턴과 같은 물리학자들에 의해 별개의 분야로 확립되었다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험을 통해 물리학적 이론을 검증하는 현대 과학 방법론의 핵심 아이디어를 제시했다. 아이작 뉴턴은 자연 철학의 수학적 원리(''프린키피아'')를 통해 고전 역학과 만유인력의 법칙을 발표하며 실험 물리학의 정점을 찍었다.[1] 호이겐스는 네덜란드 운하를 따라 움직이는 배의 운동을 사용하여 초기 형태의 운동량 보존을 설명했다.

17세기 후반부터 로버트 보일, 토마스 영 등에 의해 열역학이 발전했다. 1733년 다니엘 베르누이는 고전 역학을 사용하여 통계적 논리를 활용하여 열역학적 결과를 도출함으로써 통계 역학 분야를 시작했다. 1798년 벤자민 톰슨(럼퍼드 백작)은 기계적 일에서 열로의 변환을 시연했고, 1847년 제임스 프레스콧 줄은 열뿐만 아니라 기계적 에너지 형태의 에너지 보존 법칙을 밝혔다. 19세기의 루트비히 볼츠만은 현대적인 형태의 통계 역학을 확립했다.

18세기와 19세기에는 전기와 자기에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 스티븐 그레이, 벤자민 프랭클린과 같은 과학자들의 관찰은 후속 연구의 기초를 다졌고, 전하 및 전류에 대한 기본적인 이해를 확립했다. 1808년경 존 돌턴은 서로 다른 원소의 원자가 서로 다른 무게를 가지고 있다는 것을 발견하고 현대적인 원자론을 제안했다. 한스 크리스티안 외르스테드는 전류 근처에서 나침반 바늘이 휘어지는 것을 보고 처음으로 전기와 자석 사이의 연결을 제안했다. 1830년대 초 마이클 패러데이는 자기장과 전기가 서로 생성될 수 있음을 보였다. 1864년 제임스 클러크 맥스웰은 왕립 학회에 전기와 자기 사이의 관계를 설명하는 일련의 방정식을 발표했다. 맥스웰 방정식은 빛이 전자기파라는 것을 정확하게 예측했다.

19세기까지 과학은 전문 연구자들이 있는 여러 분야로 분화되었으며, 물리학 분야는 논리적으로 우위에 있었지만 더 이상 전체 과학 연구 분야에 대한 단독 소유권을 주장할 수 없게 되었다.

2. 1. 역사적으로 중요한 실험

갈릴레오 갈릴레이는 물리학적 이론 검증을 위해 실험을 광범위하게 수행했는데, 이는 현대 과학 방법론의 핵심 아이디어이다. 그는 역학에서 여러 결과를 공식화하고 성공적으로 테스트했는데, 특히 관성의 법칙은 나중에 뉴턴 운동 법칙의 첫 번째 법칙이 되었다. 갈릴레오의 ''두 개의 새로운 과학''에서 등장인물 심플리치오와 살비아티는 배의 운동(움직이는 좌표계)과 그 배의 화물이 그 운동에 어떻게 무관한지에 대해 논의한다.[1]

아이작 뉴턴 경은 1687년에 ''자연 철학의 수학적 원리''를 출판하면서 실험 물리학은 정점에 달했다. 이 책에서 뉴턴은 뉴턴 운동 법칙과 뉴턴의 만유인력의 법칙을 상세히 설명했다. 두 법칙 모두 실험과 잘 일치했다.[1]

역사적으로 중요한 실험들은 다음과 같다.

실험명내용비고
갈릴레이의 실험자유 낙하 실험, 경사면 실험 등을 통해 운동 법칙을 규명하고 지동설을 뒷받침했다.
캐번디시 실험비틀림 저울을 이용하여 뉴턴 중력 상수를 측정하였다.
뢰머의 광속 측정목성의 위성 관측을 통해 빛의 속도를 최초로 측정하였다.
밀리컨의 기름 방울 실험전하를 띤 기름 방울을 이용해 기본 전하를 측정하였다.
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험알파 입자를 금박지에 산란시켜 원자핵의 존재를 밝혀냈다.
마이컬슨-몰리 실험간섭계를 이용하여 빛의 속도를 측정하고 에테르의 존재를 부정했다.


3. 방법

실험 물리학은 데이터 수집, 데이터 수집 방법, 실험실 실험의 상세한 개념화 및 실현과 관련된 물리학의 한 분야이다. 이는 종종 자연의 물리적 행동을 예측하고 설명하는 데 더 관심이 있는 이론 물리학과 대조된다.[1] 실험 물리학과 이론 물리학은 자연의 서로 다른 측면에 관심을 가지지만, 자연을 이해하려는 동일한 목표를 공유하며 공생 관계를 가진다. 실험 물리학은 우주에 대한 데이터를 제공하고, 이론 물리학은 데이터에 대한 설명을 제공하여 데이터를 더 잘 수집하고 실험을 설정하는 방법에 대한 통찰력을 제공한다.[1]

제임스 클러크 맥스웰은 물리학의 실험적 측면과 이론적 측면 사이의 긴장을 다음과 같이 표현했다. "우리가 훈련의 이론적 부분을 실용적인 부분과 연결하려고 시도할 때 비로소 파라데이가 '정신적 관성'이라고 부른 것...을 경험하게 된다."[1]

실험 물리학은 통제 실험과 자연 실험 두 가지 주요 방법을 사용한다. 통제 실험은 통제된 환경을 제공할 수 있는 실험실에서 자주 사용된다. 자연 실험은 변수를 통제하는 것이 불가능한 천체를 관측하는 천체 물리학 등에서 사용된다.[1]

역사적인 실험 몇 가지는 다음과 같다.

실험내용
갈릴레이의 실험
케번디시의 실험비틀림 저울을 이용하여 뉴턴 중력 상수를 측정하였다.
뢰머의 실험빛의 속도 측정
밀리컨의 실험전하를 띤 기름 방울을 이용해 기본 전하를 측정하였다.
러더퍼드의 실험알파 입자를 금박지에 산란시켜 원자의 구조를 알아냈다.
마이켈슨-몰리의 실험간섭계를 이용하여 빛의 속도를 측정하였다.



어니스트 러더퍼드 경의 실험실, 20세기 초

3. 1. 실험의 분류

실험 물리학에서 실험은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 아직 관측되지 않은 새로운 현상을 탐구하는 것이고, 둘째는 이미 관측된 현상의 재현성을 검증하거나 더 자세히 관측하는 것이다.[1]

아직 관측되지 않은 새로운 현상을 탐구하는 예로는 입자 물리학의 에너지 프론티어 탐구나 우주 물리학의 심우주 탐사 등이 있다. 물리학의 대부분 분야에는 아직 탐구되지 않은 영역이 남아있다.[1]

이러한 미탐구 영역의 실험은 이론적 예측을 바탕으로 수행되는 경우가 많다. 실험을 위해서는 측정하려는 물리량과 필요한 정밀도에 대한 구체적인 계획이 필요하며, 막대한 자금이 소요될 수 있기 때문이다. 이론적 예측과 달리 실험에서 현상이 발견되지 않더라도, 이는 실험의 실패가 아니라 원래 이론의 오류 가능성을 시사하며, 그 자체로 물리학적 의의를 가질 수 있다.[1]

이미 관측된 현상에 대한 재현성 검증 및 상세 관측 실험도 중요하다. 실험 결과가 물리학적으로 의미가 있으려면, 동일한 조건에서 누구든 언제 어디서 실험하더라도 같은 결과를 얻어야 한다. 또한, 물리학 실험은 기술적 한계에 도전하는 경우가 많으므로, 첫 번째 실험에서 "무언가"가 있다는 것을 보이는 데 그치고, 세부 정보는 이후 실험을 통해 보완해야 할 수도 있다.[1]

4. 철학적 배경

실험 물리학, 더 나아가 과학 전체에서 실험은 매우 중요한 의미를 지닌다. 과학철학(과학의 의미와 정당성에 대해 논하는 철학의 한 분과)에서도 실험은 자주 논의된다. 칼 포퍼의 반증주의는 실험을 가장 중요한 요소로 본다. 즉, "반증 가능성"(실험으로 부정될 가능성)을 갖지 않는 이론은 과학 이론이라고 할 수 없다는 것이며, 이는 현재도 유사 과학과 과학을 구분하는 기준으로 자주 사용된다.[1]

"흄의 회의론"이라는 유명한 논의도 있다. 예를 들어 "이틀 전, 어제, 오늘 태양이 동쪽에서 뜨는 것을 관측했다"는 사실에서 "내일도 태양은 동쪽에서 뜰 것이다"라고 예측하는 것은 과학자로서 자연스럽다. 그러나 흄은 "이틀 전, 어제, 오늘 태양이 동쪽에서 뜬 것은 알지만, 내일 태양이 어디에서 뜰지는 알 수 없다"고 주장했다.[1]

흄의 회의론은 "귀납의 정당화" 문제로 일반화되어 과학 철학의 중요한 주제 중 하나이다. 더 자세한 내용은 과학철학 문서를 참조하면 된다.[1]

5. 현대의 주요 실험


  • 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)는 금 이온과 같은 중이온 및 양성자를 충돌시키는 실험 장비로, 미국 롱아일랜드 브룩헤븐 국립 연구소에 있다.[2] 핵물질의 새로운 상태를 연구한다.
  • 대형 강입자 충돌기(LHC)는 2008년에 건설되었지만, 여러 문제로 2010년 3월 29일에야 완전히 가동되었다.[2] 제네바 근처 프랑스-스위스 국경에 있는 CERN에 있으며, 세계에서 가장 강력한 충돌기이다. 힉스 입자 발견 등 입자 물리학의 표준 모형을 검증하고 새로운 물리학을 탐구한다.

CMS 검출기의 모습. CERN의 LHC 실험 프로젝트이다.

  • LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소)는 우주 중력파를 감지하고 천문학적 도구로 중력파 관측을 개발하기 위한 대규모 물리학 실험 및 관측소이다. 루이지애나 주 리빙스턴의 LIGO 리빙스턴 관측소와 워싱턴 주 리치랜드 근처의 LIGO 핸포드 관측소, 두 곳에 있다. 블랙홀 충돌 등 우주의 극단적인 현상을 연구한다.
  • 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 2021년에 발사된 허블 우주 망원경의 후속 모델이다. 적외선 영역에서 하늘을 관측하며, 우주의 초기 단계, 은하 형성, 별과 행성 형성, 생명의 기원 등을 연구한다.

6. 실험 기법

다음은 잘 알려진 실험 기법들이다.

7. 주요 실험 물리학자

이름출생-사망주요 업적
아르키메데스기원전 287년경 ~ 기원전 212년경
알하젠965–1039
알 비루니973–1043
알하자니1115–1130년경
갈릴레오 갈릴레이1564–1642관성의 법칙 발견, 뉴턴 운동 법칙의 기초 마련
에반젤리스타 토리첼리1608–1647
로버트 보일1627–1691
크리스티안 호이겐스1629–1695운동량 보존의 초기 형태 설명
로버트 훅1635–1703
아이작 뉴턴1643–1727뉴턴 운동 법칙, 뉴턴의 만유인력의 법칙
올레 뢰머1644–1710빛의 속도 측정
스티븐 그레이1666–1736
다니엘 베르누이1700-1782통계 역학 분야 시작
벤자민 프랭클린1706–1790
라우라 바시1711–1778
헨리 캐번디시1731–1810비틀림 저울을 이용하여 뉴턴 중력 상수를 측정
조지프 프리스틀리1733–1804
윌리엄 허셜1738–1822
알레산드로 볼타1745–1827
피에르시몽 라플라스1749–1827
벤자민 톰슨1753–1814기계적 일에서 열로의 변환 시연
존 돌턴1766–1844현대적인 원자론 제안
토마스 영1773–1829
카를 프리드리히 가우스1777–1855
한스 크리스티안 외르스테드1777–1851전기와 자석 사이의 연결을 처음으로 제안
험프리 데이비1778–1829
오귀스탱 장 프레넬1788–1827
마이클 패러데이1791–1867자기장과 전기가 서로 생성될 수 있음을 증명
제임스 프레스콧 줄1818–1889에너지 보존 법칙
윌리엄 톰슨 (켈빈 남작)1824–1907
제임스 클러크 맥스웰1831–1879맥스웰 방정식 발표, 빛이 전자기파임을 예측
에른스트 마흐1838–1916
존 윌리엄 스트럿 (제3대 레일리 남작)1842–1919
빌헬름 뢴트겐1845–1923
카를 페르디난트 브라운1850–1918
앙리 베크렐1852–1908
앨버트 에이브러햄 마이컬슨1852–1931마이컬슨-몰리의 실험 - 간섭계를 이용하여 빛의 속도를 측정[1]
헤이케 카메를링 오네스1853–1926
J. J. 톰슨1856–1940
하인리히 헤르츠1857–1894
자가디시 찬드라 보스1858–1937
피에르 퀴리1859–1906
윌리엄 헨리 브래그1862–1942
마리 퀴리1867–1934
로버트 앤드루스 밀리컨1868–1953기름방울 실험으로 기본 전하 측정[2]
어니스트 러더퍼드1871–1937알파 입자를 금박지에 산란시켜 원자의 구조를 알아냄[3]
리제 마이트너1878–1968
막스 폰 라우에1879–1960
클린턴 데이비슨1881–1958
한스 가이거1882–1945
C. V. 라만1888–1970
윌리엄 로렌스 브래그1890–1971
제임스 채드윅1891–1974
아서 콤프턴1892–1962
표트르 카피차1894–1984
찰스 드럼몬드 엘리스1895–1980
존 콕크로프트1897–1967
패트릭 블랙켓 (블랙켓 남작)1897–1974
나카야 우키치로1900–1962
엔리코 페르미1901–1954
어니스트 로렌스1901–1958
월터 하우저 브래튼1902–1987
파벨 체렌코프1904–1990
아브라함 알리하노프1904–1970
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펠릭스 블로흐1905–1983
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안드레 가임1958–
레네 호1959–


8. 관련 연표

참조

[1] 강연 Introductory Lecture on Experimental Physics The Scientific Papers of James Clerk Maxwell 1890
[2] 웹사이트 Yes, we did it! http://cdsweb.cern.c[...] CERN 2010-04-16
[3] 웹사이트 The Construction of Mississippi State Axion Search http://meetings.aps.[...]


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