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이론물리학

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목차

1. 개요

이론물리학은 최소 2,300년 전 고대 그리스 철학에서 시작되어 물질, 에너지, 공간, 시간 및 인과 관계에 대한 개념을 탐구하며 발전해 왔다. 고전 역학, 전자기학, 열역학, 통계 역학, 상대성 이론, 양자 역학 등 다양한 주류 이론을 포함하며, 우주를 이해하기 위한 수학적 모델링과 실험 제안을 통해 발전을 거듭해 왔다. 현재도 제안된 이론과 주변 이론을 통해 물리학의 지평을 넓히려는 노력이 이루어지고 있으며, 사고 실험과 실제 실험을 통해 이론의 타당성을 검증하고 있다.

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이론물리학
물리학 분야
학문 분야물리학
주요 개념불명
파생 분야불명
창시자불명
창시 시기불명
관련 직업불명

2. 역사



이론물리학의 역사는 고대 소크라테스 이전 철학에서 시작되어 플라톤과 아리스토텔레스를 거치며 발전했다. 중세 시대와 르네상스 시대에는 실험 과학의 개념이 점차 중요해졌다.

과학 혁명 시기에는 물질, 에너지, 공간, 시간 등 핵심 개념이 정립되었고, 니콜라우스 코페르니쿠스, 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴 등의 활동으로 큰 진전을 이루었다. 특히 뉴턴은 고전 역학과 만유인력의 법칙을 통해 이전의 연구를 통합하며 20세기 초까지 물리학의 근간을 마련했다.[17] 이 시기 광학과 수학 역시 물리학과 함께 발전했다.

18세기와 19세기에는 조제프루이 라그랑주, 레온하르트 오일러, 윌리엄 로언 해밀턴 등이 고전 역학을 더욱 발전시켰고,[18] 에너지 개념의 통합, 열역학 법칙 및 엔트로피 개념 도입, 전자기 이론 정립 등 중요한 성과가 있었다. 통계 역학도 이 시기에 등장했다.

20세기는 상대성 이론과 양자 역학의 등장으로 현대 물리학의 시대가 열렸다. 이 혁명적인 이론들은 시공간, 중력, 원자와 아원자 입자 세계에 대한 이해를 근본적으로 바꾸었다. 이후 양자장론(QFT), 입자 물리학의 표준 모형 정립, 응집물질물리학, 천문학, 우주론 등 다양한 분야에서 이론 물리학은 눈부신 발전을 거듭했다.

이론 물리학은 역사적으로 실험 결과를 설명하고 새로운 예측을 제시하며 과학 탐구를 이끌어왔으며, 수학과의 긴밀한 상호작용 속에서 발전해왔다.[19] 현대 이론 물리학은 우주의 근본 원리를 이해하기 위해 거시 세계와 미시 세계를 아우르는 통합적인 이론을 추구하며, 수학적 모델을 통해 탐구 영역을 넓혀가고 있다.

2. 1. 고대와 중세

이론물리학의 뿌리는 적어도 2,300년 전 소크라테스 이전 철학 시대로 거슬러 올라갈 수 있으며, 이후 플라톤과 아리스토텔레스의 사상이 천 년 이상 학문 세계에 큰 영향을 미쳤다. 중세 대학이 발전하면서 당시 중요하게 여겨진 지적 학문은 문법, 논리학, 수사학을 아우르는 ''삼학''과 산술, 기하학, 음악, 천문학을 포함하는 ''사학'' 등 7가지 자유 교양 학문이 중심을 이루었다. 중세 시대와 르네상스 시대를 거치면서, 이론과 구별되는 실험을 중시하는 과학적 탐구 방식이 이븐 알하이삼이나 프랜시스 베이컨과 같은 학자들을 통해 점차 모습을 드러내기 시작했다.

2. 2. 과학 혁명과 근대 물리학

과학 혁명이 진행되면서 물질, 에너지, 공간, 시간, 인과 관계 등의 개념은 점차 오늘날 우리가 아는 형태로 자리를 잡기 시작했고, 다른 과학 분야들도 자연 철학이라는 큰 틀에서 분화되었다. 이론물리학의 현대적 시대는 니콜라우스 코페르니쿠스의 천문학적 패러다임 전환으로 시작되었으며, 이는 곧 티코 브라헤의 정밀한 관측 결과를 바탕으로 행성 궤도를 설명한 요하네스 케플러의 업적으로 이어졌다. 이들의 연구는 갈릴레오 갈릴레이의 연구와 더불어 과학 혁명의 중요한 부분을 형성한 것으로 평가된다.

현대적인 과학 설명 방식으로의 큰 도약은 뛰어난 이론가이자 훌륭한 실험가였던 갈릴레오 갈릴레이로부터 시작되었다. 이후 르네 데카르트의 해석 기하학과 역학은 당대 최고의 이론가이자 실험가였던 아이작 뉴턴에 의해 미적분과 고전 역학 체계로 통합되었다. 뉴턴은 그의 저서 프린키피아에서 코페르니쿠스, 갈릴레오, 케플러의 연구를 종합하고 자신의 역학 및 중력 이론을 제시했으며, 이는 20세기 초까지 세계를 이해하는 지배적인 틀로 작용했다.[17] 같은 시기, 뉴턴, 데카르트, 그리고 네덜란드의 스넬과 호이겐스 등의 노력으로 광학, 특히 색채 이론과 고대 기하 광학 분야에서도 중요한 발전이 이루어졌다.

18세기와 19세기에는 조제프루이 라그랑주, 레온하르트 오일러, 윌리엄 로언 해밀턴과 같은 학자들이 고전 역학 이론을 상당히 확장했다.[18] 그들은 2천 년 전 피타고라스로부터 시작된 수학과 물리학의 깊은 상호 연관성을 계승하고 발전시켰다.

19세기와 20세기의 중요한 개념적 성과 중 하나는 에너지 개념의 통합이었다. 이는 열, 전기, 자기, 그리고 빛을 포함하는 포괄적인 개념으로 발전했으며, 에너지 보존 법칙과 함께 이해되었다. 열역학 법칙의 정립과 특히 엔트로피라는 독특한 개념의 도입은 물질의 거시적 특성을 설명하는 새로운 길을 열었다. 19세기 후반에는 열역학에서 파생된 통계 역학(이후 통계 물리학 및 양자 통계 역학으로 발전)이 등장했다. 또한 19세기에는 이전까지 별개로 여겨졌던 전기, 자기, 빛 현상을 하나로 통합하는 전자기 이론이 발견되는 중요한 사건도 있었다.

이러한 이론 물리학의 발전은 실험 결과를 설명하고 새로운 실험을 제안하는 원동력이었으며, 기존 수학을 창의적으로 응용하거나 데카르트와 뉴턴(라이프니츠)처럼 새로운 수학을 개발함으로써 가능했다. 예를 들어, 조제프 푸리에의 열 전도에 대한 연구는 푸리에 급수라는 수학의 새로운 분야를 탄생시켰다.[19]

2. 3. 현대 물리학의 발전

현대 물리학의 기둥이자 물리학 역사상 가장 혁명적인 이론으로 상대성 이론과 양자 역학을 꼽을 수 있다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 뉴턴 역학을 포함하며, 일반 상대성 이론은 뉴턴의 중력 이론을 운동학적 관점에서 새롭게 설명했다.

양자 역학은 흑체 복사 문제 해결을 시작으로, 고체의 비열 용량에서 나타나는 이상 현상을 설명하고, 궁극적으로 원자와 분자의 내부 구조를 이해하는 길을 열었다. 이는 1920년대 후반 양자장론(QFT)의 공식화로 이어졌다. 제2차 세계 대전 이후 QFT에 대한 관심이 다시 높아졌으며, 이 시기 초전도 현상과 상전이에 대한 새로운 접근법이 등장하면서 응집물질물리학 분야에서 QFT가 처음으로 응용되었다.

1960년대와 70년대에는 QFT를 바탕으로 입자 물리학의 표준 모형이 정립되었다. 동시에 응집 물질 물리학 분야에서도 초전도 현상의 이론적 기초 마련 및 임계 현상 연구 등 중요한 진전이 있었다.[18] 또한 천문학과 우주론 문제에 상대성 이론을 적용하는 연구와 병행되었다.

이러한 발전은 이론 물리학이 실험을 제안하고 그 결과를 종합하는 원동력이 되었기에 가능했다. 때로는 기존 수학을 창의적으로 활용하거나, 데카르트와 뉴턴(라이프니츠 포함)처럼 새로운 수학을 직접 만들어내기도 했다. 예를 들어, 푸리에의 열 전도 연구는 푸리에 급수라는 새로운 수학 분야를 탄생시켰다.[19]

현대의 이론 물리학은 우주를 우주론적 거대 규모에서부터 기본 입자의 미시 규모에 이르기까지 통합적으로 이해하고 설명하려는 노력을 계속하고 있다. 직접적인 실험이 어려운 경우에도, 이론 물리학은 수학적 모델을 통해 지식의 지평을 넓혀가고 있다.

3. 주류 이론

물리 이론은 크게 '''주류 이론''', '''제안된 이론''', '''주변 이론'''의 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

'''주류 이론'''은 때때로 '''중심 이론'''이라고도 불리며, 사실과 과학적 견해를 바탕으로 한 지식 체계이다. 주류 이론은 반복적인 실험을 통해 검증될 수 있어야 하고, 기존에 확립된 과학 지식과 일관성을 유지해야 하며, 일반적인 과학적 실험 기준을 만족해야 한다. 어떤 경우에는 이론의 세부적인 탐지, 설명, 구성 방식에 대해 논쟁이 있더라도, 광범위한 데이터를 효과적으로 설명한다는 이유만으로 주류 이론으로 받아들여지기도 한다.

다음은 주류 이론으로 분류되는 대표적인 이론들이다.

3. 1. 상대성 이론

(내용 없음)

3. 2. 양자 역학

물리 이론의 한 예시로 양자역학을 들 수 있다. 양자역학은 작용과 에너지가 연속적으로 변하지 않는다는 아이디어를 기반으로 한다.[7][8] 이는 보이지 않는 분자의 위치와 운동에 관한 불확실성의 척도인 엔트로피와 함께 물리 이론의 중요한 개념 중 하나이다.

4. 제안된 이론

물리학의 '''제안된 이론'''은 일반적으로 과학적 접근 방식, 모델의 유효성을 결정하는 수단, 그리고 이론에 도달하기 위해 사용되는 새로운 유형의 추론을 포함하는 물리학 연구와 관련된 비교적 새로운 이론을 가리킨다. 그러나 일부 제안된 이론에는 수십 년 동안 존재해 왔지만 발견과 테스트 방법을 벗어난 이론이 포함되기도 한다. 제안된 이론은 확립되는 과정(그리고 때로는 더 넓은 수용을 얻는)에 있는 주변 이론을 포함할 수 있다. 제안된 이론은 일반적으로 아직 실험적으로 테스트되지 않은 상태이다.

양자역학의 해석과 같이, 물리적 실험에 대해 원칙적으로 다른 예측을 제공하는지 여부에 대해 논쟁의 여지가 있는 이론들은 제안된 이론으로 간주될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

제안된 이론의 예시는 다음과 같다.

5. 주변 이론

'''주변 이론'''은 확립되어 가는 과정에 있는 과학적 노력의 새로운 분야와 일부 제안된 이론을 포함한다. 여기에는 추측 과학이 포함될 수 있으며, 알려진 증거에 따라 제시된 물리학 분야 및 물리 이론과 해당 이론에 따른 관련 예측 모음을 포함한다.

일부 주변 이론은 시간이 지나 널리 받아들여지는 물리학의 일부가 되기도 하지만, 결국 입증되지 못하는 이론도 있다. 주변 이론 중 일부는 원시 과학의 형태를 띠기도 하고, 다른 일부는 사이비 과학의 형태를 띠기도 한다. 원래 이론이 반증될 경우, 때때로 이론의 재구성이 이루어지기도 한다.

주변 이론의 예시는 다음과 같다.

6. 사고 실험과 실제 실험

사고 실험(Gedankenexperimentde)은 특정 상황과 가정을 설정하고 "만약 ~라면, 어떤 결과가 나올까?"라고 질문하며 머릿속으로 진행하는 실험을 말한다. 이는 일상적인 상황에서 쉽게 경험하기 어려운 현상을 탐구하기 위해 주로 사용된다. 이러한 사고 실험의 유명한 예로는 슈뢰딩거의 고양이, EPR 역설, 시간 팽창의 예시 등이 있다.

사고 실험은 대개 그 결론과 가정이 올바른지 확인하기 위한 실제 실험으로 이어진다. 예를 들어, EPR 사고실험은 벨 부등식의 정립으로 이어졌고, 이는 다양한 수준의 엄격함으로 테스트되었다. 이러한 검증 과정을 통해 양자역학과 확률론의 현재 공식이 유력한 작업 가설로서 받아들여지게 되었다.

참조

[1] 문서
[2] 논문 On the role of the Michelson-Morley experiment: Einstein in Chicago
[3] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1921 http://nobelprize.or[...] The [[Nobel Foundation]] 2008-10-09
[4] 웹사이트 Theorems and Theories http://www.esoterick[...] 2014-08-19
[5] 블로그 Theories, Theorems, Lemmas, and Corollaries. http://www.goodmath.[...] Good Math, Bad Math blog 2007-03-13
[6] 문서
[7] 서적 Vibration of Continuous Systems [[John Wiley & Sons]]
[8] 서적 The Pythagorean Theorem: A 4,000-year History https://archive.org/[...] [[Princeton University Press]]
[9] 문서
[10] 문서
[11] 문서
[12] 문서
[13] 웹사이트 Bohr's Correspondence Principle http://plato.stanfor[...] The [[Stanford Encyclopedia of Philosophy]] 2014
[14] 간행물 Enc. Britannica 1994
[15] 간행물 Enc. Britannica 1994
[16] 웹사이트 Simplicity in the Philosophy of Science http://www.iep.utm.e[...] [[Internet Encyclopedia of Philosophy]] 2014-08-19
[17] 문서
[18] 서적 The Road to Reality https://archive.org/[...] Jonathan Cape
[19] 서적 The Road to Reality Jonathan Cape


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