물리학

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1. 개요

물리학은 물질과 에너지의 구조, 상호 작용 및 운동을 연구하는 자연 과학의 한 분야이다. 인류는 도구를 사용하면서 물리학적 지식을 활용해왔으며, 고대 그리스에서 자연 철학을 통해 학문적 기반을 다졌다. 16세기 과학 혁명 이후 뉴턴의 고전 역학, 전자기학, 열역학 등의 발전이 있었고, 20세기 초에는 상대성 이론과 양자역학이 등장하며 물리학의 패러다임이 변화했다. 물리학은 고전 역학, 전자기학, 열역학, 상대성 이론, 양자역학 등 다양한 핵심 이론을 바탕으로, 핵물리학, 응집 물질 물리학, 천체물리학 등 여러 세부 분야로 나뉘어 연구된다. 현재도 표준 모형을 넘어서는 이론, 양자 중력 이론, 암흑 물질 및 암흑 에너지 규명 등 많은 미해결 과제가 남아있다. 물리학은 수학, 화학, 생물학 등 다양한 학문과 밀접하게 관련되어 있으며, 과학적 방법과 철학적 탐구를 통해 지식을 발전시켜 나간다.

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물리학
물리학
원자의 구조를 나타내는 그림
주요 개념	물질 힘 에너지 운동 기본 상호작용
주요 분야
역학	고전역학 양자역학 통계역학 열역학 동역학 유체동역학 정역학
전자기학	광학
상대성 이론	특수 상대성 이론 일반 상대성 이론
입자물리학	표준모형
이론물리학	양자장론 초끈이론
참고 문헌
맥스웰	http://books.google.com/?id=noRgWP0_UZ8C&printsec=titlepage&dq=matter+and+motion
파인먼	https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_01.html
카조리	Cajori, F. (1917). A History of Physics. The Macmillan Company. pp. 48–49.
박상익	박상익 (2006). 번역은 반역인가. 푸른역사. p. 22. ISBN 8991510175.
기타
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2. 역사

인류는 도구를 사용하기 시작한 이래로 빗면, 지레, 바퀴와 같은 단순 기계를 활용하여 물리학적 지식을 생활에 응용해 왔다.^[143] 또한, 천체를 관측하고 그 결과를 고인돌 등에 기록으로 남기기도 하였다.^[144] 문자가 발명된 이후, 여러 고대 문명은 물리학적 지식을 기록하고 후대에 전수하였다. 고대 그리스의 자연 철학은 자연 현상에 대한 체계적인 설명을 시도함으로써 물리학을 학문으로 발전시키는 데 중요한 역할을 하였다.

중세 시대에도 물리학적 지식은 기계 개선 등 다양한 분야에서 활용되었다. 특히, 12세기 이슬람 과학자 알하이탐은 경험적 방법을 통해 자연 현상을 관찰하고 기록하여 과학적 방법의 기초를 마련하였다.^[145] 르네상스 시대에 서양 학자들은 고대 그리스 지식을 재발견하고 이슬람 과학의 영향을 받아 실험을 중시하게 되었다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견하고, 이를 수학적 모형으로 표현하여 물리학 발전에 큰 영향을 미쳤다.^[146]

16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 르네 데카르트의 직교 좌표계 도입은 물리학 발전에 큰 의미를 갖는다.^[147] 아이작 뉴턴이 완성한 고전 역학은 자연 현상에 대한 이해를 새롭게 하였고, 물체의 운동에 대한 정교한 모형을 제시하였다. 조제프루이 라그랑주는 라그랑주 역학을 통해 물리학의 모든 자연 현상에 대한 수리 모형 수립을 시도하였다. 소피 제르맹, 레온하르트 오일러 등 수많은 물리학자와 수학자들의 노력으로 18세기와 19세기에 걸쳐 고전 물리학이 다루는 대부분의 자연 현상에 대한 수리 모형이 확립되었다. 또한, 전자기학, 열역학과 같은 새로운 분야들이 등장하였다.

20세기 초, 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론과 양자역학의 등장은 물리학에 새로운 패러다임 변화를 가져왔다. 상대성 이론은 시간과 공간에 대한 고전적 개념을 바꾸었고, 양자역학은 물질의 상태에 대한 근본적인 변화를 가져왔다.

20세기 후반, 물리학은 여러 세부 분야로 나뉘는 한편, 혼돈 이론, 통일장 이론, 초끈이론과 같은 새로운 이론 물리학 가설들이 등장하였다. 현대 물리학에는 여전히 미해결 문제들이 남아 있으며, 많은 물리학자들이 이를 해결하기 위해 노력하고 있다.

2. 1. 고대

천문학은 가장 오래된 자연과학 중 하나이다. 수메르, 고대 이집트, 인더스 문명과 같은 기원전 3000년 이전의 초기 문명들은 태양, 달, 별의 움직임에 대한 예측 지식과 기본적인 인식을 가지고 있었다. 신을 대표한다고 믿어지는 별과 행성은 종종 숭배의 대상이었다. 관측된 별들의 위치에 대한 설명은 종종 비과학적이고 증거가 부족했지만, 이러한 초기 관측은 후대의 천문학의 기초를 마련했다.^[5]

아스거 아보에 따르면, 서양 천문학의 기원은 메소포타미아에서 찾을 수 있으며, 모든 서양의 정확한 과학적 노력은 후기 바빌로니아 천문학에서 유래되었다.^[10] 이집트 천문학자들은 별자리와 천체의 운동에 대한 지식을 보여주는 기념물을 남겼다.^[11]

고대 이집트 천문학은 세네무트 무덤의 천장과 같은 기념물에서 분명하게 나타난다. (이집트 제18왕조).

자연철학은 기원전 650년부터 기원전 480년까지 아르카이크 시대의 그리스에서 싹텄다. 탈레스와 같은 전소크라테스 철학자들은 자연 현상에 대한 비자연주의적 설명을 거부하고 모든 사건에는 자연적인 원인이 있다고 선언했다.^[13] 그들은 이성과 관찰을 통해 검증된 아이디어를 제시했고, 그들의 많은 가설은 실험에서 성공적인 것으로 입증되었다.^[14] 예를 들어 원자론은 류키포스와 그의 제자 데모크리토스에 의해 제안된 지 약 2000년 후에 정확한 것으로 밝혀졌다.^[15]

고대 그리스 고전 시대와 헬레니즘 시대 동안 자연철학은 여러 연구 분야로 발전했다. 플라톤의 제자인 아리스토텔레스(Ἀριστοτέλης|Aristotélēs^el) (기원전 384–322)는 기원전 4세기에 "물리학"에 관한 상당한 논문을 포함하여 많은 주제에 대해 저술했다. 아리스토텔레스 물리학은 약 2천 년 동안 영향력을 행사했다. 그의 접근 방식은 제한적인 관찰과 논리적 연역적 주장을 혼합했지만, 연역된 진술의 실험적 검증에는 의존하지 않았다.

아리스토텔레스는 운동(그리고 중력)과 같은 개념을 네 원소 이론으로 설명했다. 아리스토텔레스는 네 가지 고전 원소(공기, 불, 물, 흙) 각각이 고유한 자연적 위치를 가지고 있다고 믿었다.^[16] 서로 다른 밀도 때문에 각 원소는 대기 중에서 자체 특정 위치로 되돌아갈 것이다.^[17] 따라서 무게 때문에 불은 맨 위에, 그 아래에 공기, 그다음 물, 마지막으로 흙이 위치한다.

16세기 이전 유럽에서 과학은 기독교적 요소를 포함한 아리스토텔레스의 자연철학이 주류였다.^[101] 하지만 고대 그리스에서 실증적인 사고방식이 전혀 없었던 것은 아니며, 기원전 3세기의 아르키메데스는 자연철학에서 무시되었던 수학을 자연과 결합시켜 수학과 물리에 많은 공헌을 했다. 이어 히파르코스와 프톨레마이오스도 기하학과 천문학을 발전시켰다.^[102] 또한, 아리스토텔레스 시대 이전인 기원전 5세기에는 이미 레우키포스와 데모크리토스 등이 기존의 초자연적인 설명을 부정하고 자연 현상에는 원인이 되는 이론이 있다고 하여 원자의 존재 등을 생각하고 있었다.^[102]

2. 2. 중세

이슬람 학문은 그리스로부터 아리스토텔레스 물리학을 계승하였고, 이슬람 황금기 동안 특히 관찰과 ''선험적'' 추론을 강조하면서 발전시켜 초기 형태의 과학적 방법론을 발전시켰다.

이슬람 학문에서 가장 주목할 만한 혁신은 광학과 시각 분야에서 이루어졌는데, 이븐 사흘, 알킨디, 이븐 알하이삼, 알파리시, 아비케나 등 많은 과학자들의 연구에서 비롯되었다. 가장 주목할 만한 업적은 이븐 알하이삼이 저술한 ''광학의 책''(Kitāb al-Manāẓir)으로, 고대 그리스의 시각에 대한 견해에 대한 대안을 제시하였다. 그의 ''빛에 관한 논문''과 ''Kitāb al-Manāẓir''에서 그는 카메라 옵스큐라(그의 천 년 전 버전의 핀홀 카메라) 현상에 대한 연구를 제시하고 눈 자체의 작동 방식을 더 자세히 연구하였다. 그는 이전 학자들의 지식을 사용하여 빛이 눈으로 들어오는 과정을 설명하기 시작하였다. 그는 빛이 초점을 맞춘다고 주장하였지만, 빛이 눈 뒤쪽에 투영되는 방식에 대한 실제적인 설명은 1604년까지 기다려야 했다. 그의 ''빛에 관한 논문''은 현대 사진 기술이 발전하기 수백 년 전에 ''카메라 옵스큐라''를 설명하였다.

7권으로 구성된 ''광학의 책''(''Kitab al-Manathir'')은 시각 지각 이론에서 중세 예술의 투시법의 본질에 이르기까지 동서양 모두에서 600년 이상 여러 학문 분야에 걸쳐 사고에 영향을 미쳤다.^[26] 여기에는 로저 베이컨, 레오나르도 다 빈치, 요하네스 케플러 등 후대 유럽 학자들과 폴리매스들이 포함된다.

''광학의 책''의 번역은 유럽에 큰 영향을 미쳤다. 후대 유럽 학자들은 이 책을 통해 이븐 알하이삼이 제작한 장치를 복제하고 시각 작동 방식을 이해할 수 있었다.

6세기 유럽의 비잔틴 학자 요한 필로포누스는 아리스토텔레스의 물리학 이론에 의문을 제기하고 그 결함을 지적하였다. 그는 운동량 이론을 제시하였다. 아리스토텔레스의 물리학은 필로포누스가 등장하기 전까지는 철저히 검토되지 않았다. 아리스토텔레스가 언어적 논증에 기반한 물리학을 제시한 것과 달리, 필로포누스는 관찰에 의존하였다. 아리스토텔레스의 물리학에 대해 필로포누스는 다음과 같이 적었다.

> 그러나 이것은 완전히 잘못된 것이며, 우리의 견해는 어떤 종류의 언어적 논증보다 실제 관찰을 통해 더 효과적으로 확증될 수 있습니다. 만약 여러분이 같은 높이에서 무게가 서로 여러 배 차이 나는 두 개의 추를 떨어뜨린다면, 운동에 필요한 시간의 비율이 무게의 비율에 의존하지 않고 시간 차이가 매우 작다는 것을 알게 될 것입니다. 그리고 무게 차이가 크지 않다면, 예를 들어 하나가 다른 하나의 두 배라면, 시간 차이는 없거나 감지할 수 없을 정도로 작을 것입니다. 비록 무게 차이가 하나가 다른 것보다 두 배나 무겁다는 점에서 결코 무시할 수 없을지라도 말입니다. ^[19]

필로포누스의 아리스토텔레스 물리학 비판은 10세기 후 갈릴레오 갈릴레이에게 영감을 주었다.^[20] 과학혁명 시대에 갈릴레오는 아리스토텔레스의 물리학에 결함이 있다는 주장을 펼치면서 자신의 저술에서 필로포누스의 주장을 상당 부분 인용하였다.^[21]

2. 3. 근대 과학

근대에 들어 과학적 방법이 발전하면서 실험을 통해 이론을 검증하는 것이 중요해졌다. 16세기 후반, 갈릴레오 갈릴레이는 역학을 연구하여 자유 낙하와 관성의 법칙을 발견했다.^[104] 1687년 아이작 뉴턴은 『자연철학의 수학적 원리』를 출판하여,^[105] 갈릴레이 등이 발견한 법칙을 일반화하고 포괄적으로 설명했다. 뉴턴의 이론에서 가장 기본적인 법칙은 운동 법칙과 만유인력이며, 천체의 운행 등 관측 결과를 잘 설명할 수 있었다. 뉴턴은 기하학을 이용하여 역학 법칙을 기술했지만, 레온하르트 오일러 등 후대 연구자들은 대수학적으로 기술하기 시작했다. 조제프루이 라그랑주, 윌리엄 로완 해밀턴 등은 고전 역학을 확장하여 새로운 정식화, 원리, 결과를 도출했다.^[106] 중력 법칙은 우주 물리학 분야를 탄생시켰고, 우주 물리학은 물리 이론을 이용하여 천체 현상을 기술한다.

18세기부터 로버트 보일, 토마스 영 등 많은 학자들이 열역학을 발전시켰다. 1733년 다니엘 베르누이는 고전 역학과 통계학을 사용하여 열역학적 결과를 도출했고, 이는 통계 역학의 시작이 되었다. 1798년 벤자민 톰프슨은 역학적 일이 열로 변환됨을 보였다.^[107] 1820년대 사디 카르노는 카르노 사이클을 통한 열역학 연구를 수행했고,^[108] 1840년대 제임스 프레스콧 줄은 역학적 에너지를 포함한 열에너지 보존 법칙을 증명했다.^[109] 1850년 루돌프 클라우지우스는 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 정식화했다.^[110]

2. 4. 현대 물리학

현대 물리학은 20세기 초 막스 플랑크의 양자 이론과 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론으로 시작되었다.^[31] 이 두 이론은 고전 역학의 부정확성 때문에 등장했다. 고전 역학은 빛의 속도가 관찰자의 운동에 따라 달라진다고 예측했지만, 이는 전자기학의 맥스웰 방정식이 예측한 일정한 속도와는 맞지 않았다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 빠르게 움직이는 물체에 대해 고전 역학을 대체하여 빛의 속도가 일정하게 유지될 수 있도록 했다.^[31] 흑체 복사는 고전 물리학에 또 다른 문제를 제기했는데, 플랑크가 물질 진동자의 여기가 그 진동수에 비례하는 불연속적인 단계에서만 가능하다고 제안함으로써 해결되었다. 이는 광전 효과와 전자 궤도의 불연속적인 에너지 준위를 예측하는 양자 역학 이론으로 이어졌다.^[32]

베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거, 폴 디랙이 양자 역학을 개척했다.^[32] 이 초기 연구와 관련 분야의 연구를 통해 표준 모형이 도출되었다.^[33] 2012년 CERN에서 힉스 보손과 일치하는 특성을 가진 입자가 발견된 이후,^[34] 표준 모형이 예측한 모든 기본 입자가 존재하는 것으로 보인다. 그러나 표준 모형 너머의 물리학은 초대칭과 같은 이론으로 활발하게 연구되고 있다.^[35]

고전 물리학의 법칙은 원자 규모보다 크고, 운동 속도가 빛의 속도보다 훨씬 느린 계를 정확하게 설명한다. 이 영역을 벗어나면 관측 결과가 고전 역학의 예측과 일치하지 않는다. 아인슈타인은 특수 상대성 이론으로 절대 시간과 공간의 개념을 시공간으로 대체하고, 빛의 속도에 가까운 계를 정확하게 설명했다. 플랑크, 슈뢰딩거 등은 원자 및 아원자 규모를 설명할 수 있는 양자 역학을 도입했다. 양자장론은 양자 역학과 특수 상대성 이론을 통합했다. 일반 상대성 이론은 질량이 매우 큰 계와 우주의 대규모 구조를 설명하지만, 아직 다른 기본적인 설명과 통합되지 않았으며, 여러 양자 중력 이론 후보가 개발 중이다.

1905년, 알베르트 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표했다.^[105] 아인슈타인의 상대성이론에서 시간과 공간은 시공간이라는 하나의 실체로 통합된다.

1915년, 아인슈타인은 일반상대성이론으로 중력을 설명했다. 일반상대론에서 뉴턴의 만유인력 법칙은 저질량, 저에너지 영역에서의 근사 이론이다.

1900년대 초, 막스 플랑크, 아인슈타인, 닐스 보어는 양자론을 발전시켜, 불연속적인 에너지 준위 도입으로 실험 결과를 설명했다. 1925년 베르너 하이젠베르크^[121], 1926년 에르빈 슈뢰딩거와 폴 디랙이 양자역학을 공식화하여^[122] 구 양자론이 해석되었다. 양자역학에서 물리적 측정 결과는 확률적이다.^[123]

제2차 세계 대전 중에는 핵폭탄 개발 연구가 진행되었다. 엔리코 페르미 팀은 1942년에 최초의 인공 연쇄 반응을 달성했고, 1945년 미국 뉴멕시코주 알라모고르도에서 세계 최초의 핵폭탄이 폭발했다.

장의 양자론은 특수상대성이론과 일치하도록 양자역학을 확장하기 위해 공식화되었다. 리처드 파인만, 도모나가 신이치로, 줄리안 슈윙거, 프리먼 다이슨 등의 연구로 1940년대 후반에 현대적 형태에 이르렀다. 그들은 전자기 상호 작용을 기술하는 양자 전기 역학 이론을 공식화했다.

장의 양자론은 기본 상호 작용과 소립자를 연구하는 현대 소립자물리학의 틀을 제공했다. 1954년 양전닝과 로버트 밀스는 게이지 이론을 발전시켰으며, 이는 표준 모형의 틀을 제공했다. 1970년대에 완성된 표준 모형은 오늘날 관측되는 거의 모든 소립자를 잘 설명한다.

3. 핵심 이론

물리학은 폭넓은 주제를 다루지만, 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 이 이론들은 여러 차례 실험을 통해 검증되었으며, 자연 현상을 설명하는 데 있어 매우 정확한 근삿값을 제공한다. 예를 들어, 고전역학은 원자보다 훨씬 크고 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 물체의 운동을 정확하게 설명한다. 이러한 핵심 이론들은 오늘날에도 활발히 연구되고 있으며, 물리학의 세부 분야를 연구하는 데 중요한 도구로 사용된다. 모든 물리학자는 전공 분야에 관계없이 이러한 이론들을 기본적으로 이해하고 있어야 한다.^[36]

핵심 이론에는 다음이 포함된다.

물리학의 핵심 이론
이론	주요 논제	개념
고전역학	뉴턴의 운동법칙, 라그랑주 역학, 해밀턴 역학, 혼돈 이론, 음향학, 유체역학, 연속체 역학	차원, 공간, 시간, 운동, 길이, 속도, 질량, 운동량, 힘, 에너지, 각운동량, 돌림힘, 보존 법칙, 조화 진동자, 파동, 일, 일률
전자기학	정전기학, 전기, 자기, 맥스웰 방정식, 광학	전하, 전류, 전기장, 자기장, 전자기장, 전자기파, 자기홀극
열역학과 통계역학	열기관, 기체분자운동론, 상전이, 임계현상	볼츠만 상수, 엔트로피, 자유에너지, 열, 상태합, 온도
상대성이론	특수상대성이론, 일반상대성이론	등가 원리, 사차원 운동량, 기준좌표계, 시공간, 빛의 속도
양자역학	경로 적분 형식, 슈뢰딩거 방정식, 불확정성 원리, 양자 마당 이론	해밀토니언 연산자, 동일입자, 플랑크 상수, 양자 얽힘, 양자 조화 진동자, 파동함수, 영점 에너지

고전 물리학 법칙은 원자보다 크고 빛의 속도보다 훨씬 느린 계를 설명한다. 이 범위를 벗어나면 고전 물리학의 예측은 관측 결과와 일치하지 않는다. 알베르트 아인슈타인은 특수 상대성이론을 통해 절대 공간과 시간 개념을 시공간 개념으로 대체하여 빛의 속도에 근접한 계를 더 정확하게 설명했다. 막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등은 양자역학을 통해 원자 및 그 이하 크기에 대한 정확한 설명을 제공했다. 양자장론은 양자역학과 특수상대성이론을 통합했고, 일반 상대성이론은 매우 무거운 계나 거대한 천체에 대해 설명할 수 있게 해준다. 여러 양자중력이론 후보들이 있지만, 일반 상대성이론은 아직 다른 이론과 통일되지 않았다.^[36]

3. 1. 고전 역학

고전 역학은 힘의 작용을 받는 물체와 운동하는 물체를 다루며, 정역학(가속도가 없는 물체의 힘 연구), 운동학(원인과 관계없는 운동 연구), 역학(운동과 힘의 영향 연구)으로 나뉜다. 또한 고체역학과 유체역학(연속체 역학)으로 나눌 수 있으며, 유체역학에는 정유체역학, 유체동역학, 기체역학 등이 있다.^[36]

근대 과학적 방법의 발전과 함께 실험을 통한 이론 검증이 중요해졌다. 16세기 후반, 갈릴레오 갈릴레이는 역학 현상을 연구하여 자유 낙하와 관성의 법칙을 발견했다.^[104] 1687년 아이작 뉴턴은 『자연철학의 수학적 원리』를 출판하여,^[105] 운동 법칙과 만유인력으로 천체 운행 등의 관측 결과를 설명했다. 레온하르트 오일러 등은 대수학적 기술을 도입했고, 조제프루이 라그랑주, 윌리엄 로완 해밀턴 등은 고전 역학을 확장하여 새로운 정식화, 원리, 결과를 도출했다.^[106]

주요 논제	개념
뉴턴의 운동법칙, 라그랑주 역학, 해밀턴 역학, 혼돈 이론, 음향학, 유체역학, 연속체 역학	차원, 공간, 시간, 운동, 길이, 속도, 질량, 운동량, 힘, 에너지, 각운동량, 돌림힘, 보존 법칙, 조화 진동자, 파동, 일, 일률

3. 2. 전자기학

마이클 패러데이, 게오르크 옴 등 여러 과학자들이 전기와 자기를 연구했다. 제임스 클러크 맥스웰은 1855년부터 1864년까지 발표한 세 편의 논문에서 맥스웰 방정식을 제시하며, 전기와 자기 현상을 통합적으로 설명하는 전자기학 이론을 완성했다.^[111] 맥스웰 방정식은 빛이 전자기파의 일종임을 예측했고,^[111] 이는 훗날 하인리히 헤르츠가 실험으로 증명했다.^[112]

3. 3. 열역학 및 통계 역학

볼츠만 상수, 엔트로피, 자유에너지, 열, 상태합, 온도 등의 개념을 사용하여 열기관, 기체분자운동론, 상전이, 임계현상 등을 다룬다.^[107]^[108]^[109]^[110]

18세기에 로버트 보일, 토마스 영 등 여러 학자에 의해 열역학이 발전하였다. 1733년 다니엘 베르누이는 고전 역학과 통계론을 결합하여 열역학적 결과를 도출했는데, 이것이 통계 역학의 시작이었다. 1798년 벤자민 톰프슨은 역학적 일이 열로 변환될 수 있음을 보였고, 1840년대에 제임스 프레스콧 줄은 역학적 에너지를 포함한 열에너지 보존 법칙을 증명했다. 1850년에는 루돌프 클라우지우스가 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 정식화했다.

3. 4. 상대성 이론

알베르트 아인슈타인은 절대 공간과 시간 개념을 시공간 개념으로 대체하고, 빛의 속도에 근접한 속도로 움직이는 물체에 대한 정확한 설명을 가능하게 한 특수상대성이론을 제시했다.^[105] 아인슈타인의 상대성이론에서 시간과 공간은 독립적인 실체가 아니라 시공간이라는 하나의 실체로 통합된다. 상대성이론은 뉴턴 역학과는 다른 관성계 간의 변환을 정의하며, 상대속도가 작은 운동에서는 뉴턴 역학과 상대성이론이 근사적으로 일치한다. 이는 뉴턴 역학의 형식에 따라 공식화된 상대론적 역학에서 명확하게 드러난다.

1915년, 아인슈타인은 특수상대성이론을 확장하여 일반상대성이론으로 중력을 설명했다. 특수상대성이론을 통해 역학과 전자기학 이론은 일관되게 설명할 수 있게 되었지만, 중력에 관해서는 뉴턴의 만유인력보다 만족스러운 설명을 제공하지 못했다. 일반상대성이론은 중력의 작용을 포함한 포괄적인 설명을 가능하게 했으며, 뉴턴의 만유인력 법칙은 저질량, 저에너지 영역에서의 근사 이론으로 간주된다.

3. 5. 양자 역학

막스 플랑크, 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어 등은 1900년대 초에 양자론을 발전시켜, 불연속적인 에너지 준위 도입으로 다양한 실험 결과를 설명했다. 1925년 베르너 하이젠베르크 등과^[121] 1926년 에르빈 슈뢰딩거와 폴 디랙이 양자역학을 공식화하여^[122] 구 양자론이 해석되었다. 양자역학에서 물리적 측정 결과는 본질적으로 확률적이다.^[123] 즉, 이론은 그 확률 계산법을 제공하며, 작은 길이 눈금에서 물질의 행동을 잘 묘사한다.

양자역학은 경로 적분 형식, 슈뢰딩거 방정식, 불확정성 원리, 양자 마당 이론 등의 주요 논제를 다룬다. 또한, 해밀토니언 연산자, 동일입자, 플랑크 상수, 양자 얽힘, 양자 조화 진동자, 파동함수, 영점 에너지 등의 개념을 포함한다.

양자역학은 응집물질물리학에 이론적 도구를 제공했다. 펠릭스 블로흐는 1928년에 결정 구조 내 전자의 행동에 대한 양자역학적 기술을 만들어냈다.^[124]

제2차 세계 대전 중에는 핵폭탄 개발 목적으로 핵물리 연구가 진행되었다. 독일의 노력은 실패했지만, 연합국의 맨해튼 계획은 성공했다. 엔리코 페르미 팀은 1942년에 최초의 인공적인 연쇄 반응을 달성했고, 1945년 미국 뉴멕시코주 알라모고르도에서 세계 최초의 핵폭탄이 폭발했다.

장의 양자론은 특수상대성이론과 일치하도록 양자역학을 확장하기 위해 공식화되었다. 1940년대 후반 리처드 파인만, 도모나가 신이치로, 줄리안 슈윙거, 프리먼 다이슨 등의 연구로 현대적 형태에 이르렀다. 그들은 전자기 상호 작용을 기술하는 양자 전기 역학 이론을 공식화했다.

장의 양자론은 기본 상호 작용과 소립자를 연구하는 현대 소립자물리학의 틀을 제공했다. 1954년 양전닝과 로버트 밀스는 게이지 이론 분야를 발전시켰고, 이는 표준 모형의 틀을 제공했다. 1970년대에 완성된 표준 모형은 오늘날 관측되는 거의 모든 소립자를 잘 설명한다. 장의 양자론은 통계물리학에도 응용된다. 마쓰바라 다케오는 장의 양자론에서 사용되는 그린 함수를 통계 역학에서 처음으로 사용했고, 이는 알렉세이 아브리코소프 등에 의해 발전되어 고체 내 전자의 자성이나 초전도 연구에 사용되었다.

4. 연구 분야

현대 물리학은 연구 대상과 방법에 따라 다양한 분야로 나뉜다. 연구 분야는 크게 응집 물질 물리학, 원자 분자 광 물리학(AMO), 입자 물리학, 천체 물리학, 지구 물리학, 생물 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과들은 물리 교육학 연구를 지원하기도 한다.

20세기 이래로, 물리학의 개별 연구분야는 점점 더 전문화해지면서, 현재에는 대부분의 물리학자들이 평생동안 한 분야에서만 일을 하고 있다. 알베르트 아인슈타인(1879-1955)이나 레프 란다우(1908-1968)처럼 여러 물리 분야에서 연구했던 사람들은 이제는 극히 드물다.

4. 1. 연구 대상에 따른 분류

입자물리학은 물질의 가장 기본적인 구성 요소인 소립자와 그 상호 작용을 연구한다.^[64] 이 분야는 "고에너지 물리학"이라고도 불리는데, 그 이유는 많은 기본 입자들이 자연적으로 발생하지 않고 다른 입자들과의 고에너지 충돌에서만 생성되기 때문이다.^[68]

핵물리학은 원자핵의 구조와 반응을 연구하는 물리학 분야이다. 핵물리학의 가장 잘 알려진 응용 분야는 원자력 발전과 핵무기 기술이지만, 핵의학과 자기 공명 영상, 재료 공학의 이온 주입, 지질학 및 고고학의 방사성 탄소 연대 측정 등 많은 분야에 응용되었다.

원자, 분자 및 광학 물리학(AMO)은 단일 원자 및 분자 규모에서 물질—물질과 빛—물질 상호 작용을 연구하는 분야이다.

응집 물질 물리학은 고체, 액체 등 응집된 물질의 거시적인 물리적 성질을 연구하는 분야이다.^[75]^[76] 특히, 계의 구성 성분요소들의 수가 극히 많고 요소들간의 상호작용이 강할 때 나타나는 "응집된" 상들에 주로 관심을 갖는 분야이다.^[77]

천체물리학은 별, 은하, 우주 등 천체와 우주의 현상을 연구한다. 천체물리학은 광범위한 주제이기 때문에 천체물리학자들은 일반적으로 역학, 전자기학, 통계 역학, 열역학, 양자 역학, 상대성 이론, 핵 및 입자 물리학, 원자 및 분자 물리학을 포함한 많은 물리학 분야를 적용한다.^[85]

지구 물리학은 지구 내부 구조, 지진, 화산, 대기, 해양 등 지구와 관련된 현상을 연구한다.

생물 물리학은 생명 현상을 물리학적 관점에서 연구한다. 보통 어떤 한생명체를 두고 구조 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다. 혹은 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.

4. 2. 연구 방법(이론 체계)에 따른 분류

이론 물리학은 수학적 모델을 사용하여 자연 현상을 설명하고 예측한다. 이론 물리학은 역사적으로 철학에서 영감을 얻었으며, 전자기학은 이런 방식으로 통합되었다. 알려진 우주 너머, 이론물리학 분야는 평행 우주, 다중 우주, 고차원과 같은 가상적인 문제들을 다룬다. 이론가들은 기존 이론의 특정 문제를 해결하기 위해 이러한 아이디어를 사용하고, 그런 다음 이러한 아이디어의 결과를 탐구하고 검증 가능한 예측을 하기 위해 노력한다.

실험 물리학은 실험과 관찰을 통해 이론을 검증하고 새로운 현상을 발견한다.^[58] 실험 물리학은 공학 및 기술에 의해 확장되고 확장된다. 기초 연구에 참여하는 실험 물리학자들은 입자 가속기 및 레이저와 같은 장비를 사용하여 실험을 설계하고 수행하는 반면, 응용 연구에 참여하는 사람들은 종종 산업체에서 일하며 자기 공명 영상(MRI) 및 트랜지스터와 같은 기술을 개발한다. 파인만은 실험가들이 이론가들에 의해 잘 탐구되지 않은 영역을 찾을 수 있다고 지적했다.^[60]

계산 물리학은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 복잡한 물리 현상을 연구한다.

5. 철학 및 다른 분야와의 관계

물리학은 아원자 입자부터 우주 전체까지 매우 넓은 범위를 다루며, 자연 현상의 메커니즘을 밝히고 예측하는 것을 목표로 한다. 물리학자들은 과학적 방법론을 사용하여 자연을 서술하고, 원인과 결과를 이론으로 일반화한다.

이 포물선 모양의 용암류는 물리학에서 수학의 응용, 이 경우 갈릴레오의 낙체의 법칙을 보여준다.

수학과 물리학의 구분은 명확하지만, 특히 수리물리학에서는 항상 명확하지는 않다.

물리학은 과학철학과 "과학적 방법"에 의존하여 물리적 세계에 대한 지식을 발전시킨다.^[41] 과학적 방법은 ''선험적이고 경험적인'' 추론뿐만 아니라 주어진 이론의 타당성을 측정하기 위한 베이즈 추론의 사용을 포함한다.^[42] 물리학 철학은 공간과 시간의 본성, 결정론, 경험론, 자연주의, 실재론과 같은 형이상학적 관점을 다룬다.^[43] 라플라스는 인과 결정론을 옹호했고,^[44] 에르빈 슈뢰딩거는 양자 역학에 대해 저술했다.^[45]^[46] 로저 펜로즈는 플라톤주의자로 불리기도 한다.^[47]

수학은 자연의 질서를 묘사하는 간결하고 정확한 언어를 제공하며, 피타고라스,^[50] 플라톤,^[51] 갈릴레오,^[52] 뉴턴 등이 이를 옹호했다. 물리학은 실험 결과를 체계화하고 공식화하기 위해 수학을 사용하며,^[53] 컴퓨팅과 같은 수학 기반 기술은 전산 물리학을 활발한 연구 분야로 만들었다.

존재론은 물리학의 전제 조건이지만, 수학에는 전제 조건이 아니다. 물리학은 실제 세계에 대한 묘사에 관심을 갖는 반면, 수학은 추상적인 패턴에 관심을 갖는다. 수리물리학은 물리학에서 수학의 응용으로, 그 방법은 수학적이지만 주제는 물리적이다.^[54]

물리학자들은 과학적 방법을 사용하여 물리 이론의 타당성을 검증한다. 실험과 관찰을 통해 이론의 타당성을 검증하는 체계적인 접근 방식을 사용한다.^[56] 과학 법칙은 이론의 기본 원리를 표현하는 간결한 언어적 또는 수학적 진술이다.^[57]

물리학은 다른 과학 분야와도 밀접하게 관련되어 있는데, 그 관계는 아래 표와 같다.

학문 분야	관련 분야
수학	수리물리학
수치해석	컴퓨터 과학 - 계산물리학
화학	물리화학 - 양자화학 - 분석화학
생물학	생물물리학 - 분자생물학
공학	응용물리학
지구과학	지구물리학 (지구전자기학 - 지진학 - 해양물리학 - 기상학)
의학	의학물리학 - 방사선물리학 - 보건물리학
철학	자연철학 - 물리학의 철학
심리학	정신물리학
교육학	교과로서의 물리학
경제학	경제물리학
기타	양자컴퓨터・양자암호

5. 1. 과학 철학

물리학은 과학적 방법론에 기반하며, 과학철학은 과학의 전제 조건, 방법, 기초 등을 탐구한다. 과학 철학은 물리학을 포함한 자연 과학이 객관적인 실재, 관찰 가능성, 논리적 설명 가능성, 반증 가능성 등의 전제 위에 놓여 있다고 본다.^[131]

과학철학의 역할에 대한 견해는 학자마다 다르지만, 대략 네 가지 유형으로 나눌 수 있다.

밝혀진 과학 이론을 바탕으로 합리적인 세계관을 형성한다.
과학자들이 과학 연구에서 전제하는 가정들을 반성적으로 고찰한다.
과학에서 사용되는 개념(예: 시간, 공간)을 명료하게 구축한다.
과학적 탐구와 그 밖의 탐구가 어떻게 다른지, 과학의 절차는 어떠해야 하는지, 올바른 과학적 지식은 어떤 전제를 만족하여야 하는지 등을 탐구하는 제2준위의 표준설정학이다.^[132]

이 외에도 프랑스의 과학철학자 도미니크 르쿠르는 20세기 이후의 과학철학을 논리실증주의에 입각하여 과학 자체의 논리를 검증하는 분석적 과학철학, 과학의 역사에 대하여 비판적으로 고찰하는 역사적 과학철학, 과학과 과학이 아닌 것을 구분하는 비판적 과학철학으로 과학철학의 분야를 정리한 바 있다.

과학철학은 과학 자체를 보다 합리적으로 발전시킬 뿐만 아니라, 대중이 갖는 과학의 이미지에 대하여 반성하고 보다 균형 있는 과학의 대중화에도 기여한다.^[133]

5. 2. 물리학 철학

물리학은 다른 과학 분야와 마찬가지로 과학철학과 "과학적 방법"에 의존하여 물리적 세계에 대한 지식을 발전시킨다.^[41] 과학적 방법은 ''선험적이고 경험적인'' 추론뿐만 아니라 주어진 이론의 타당성을 측정하기 위한 베이즈 추론의 사용을 포함한다.^[42]

물리학 철학은 공간과 시간의 본성, 결정론, 그리고 경험론, 자연주의, 실재론과 같은 형이상학적 관점과 같은 문제들을 포함한다.^[43]

많은 물리학자들이 자신들의 연구의 철학적 의미에 대해 저술했는데, 예를 들어 라플라스는 인과 결정론을 옹호했고,^[44] 에르빈 슈뢰딩거는 양자 역학에 대해 저술했다.^[45]^[46] 수리물리학자인 로저 펜로즈는 스티븐 호킹에 의해 플라톤주의자로 불렸는데,^[47] 펜로즈는 자신의 저서 ''현실로 가는 길''에서 이 견해를 논의한다.^[48] 호킹은 자신을 "부끄러움 없는 환원주의자"라고 언급하며 펜로즈의 견해에 이의를 제기했다.^[49]

5. 3. 수학과의 관계

수학은 물리학에서 자연 현상을 기술하고 예측하는 데 필수적인 도구이다. 물리학의 여러 분야는 수학과 밀접하게 연관되어 있다. 역학 분야는 해석역학, 고전역학, 양자역학, 상대론적 양자역학, 장론 등으로 발전해 왔다. 열역학은 통계역학, 양자통계역학과 관련이 있으며, 연속체역학은 유체역학과 연결된다. 전자기학은 광학, 특수상대성이론, 일반상대성이론과 같은 분야의 발전에 중요한 역할을 하였다.

5. 4. 다른 과학 분야와의 관계

물리학은 화학, 생물학, 지구 과학 등 다른 자연 과학 분야의 기초가 된다.^[55] 예를 들어, 화학 반응은 원자와 분자 간의 전자기적 상호 작용으로 설명되며, 생명 현상은 물리학 법칙에 따라 일어난다. 물리학적 관점에서 생물학을 연구하는 생물물리학은 생명체의 구조를 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다. 또한, 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.

다음은 물리학과 관련된 다른 과학 분야이다.

생물물리학 - 신경 물리학, 건강 물리학(Health physics)
정신물리학 (Psychophysics)
화학
생물학
지구과학 - 지구물리학(지구전자기학, 지진학, 해양물리학, 기상학)
수학 - 수리물리학
경제학 - 경제물리학

6. 현대 물리학의 과제

현대 물리학은 많은 발전을 이루었지만, 여전히 해결되지 않은 문제들이 남아 있다.

표준 모형 너머의 물리학: 입자물리학에서 표준 모형을 넘어서는 실험적인 징후가 나타나고 있다. 가장 중요한 발견은 중성미자의 질량이 0이 아니라는 것이다. 이는 오랫동안 논란이 되어 온 태양 중성미자 문제를 해결한 것으로 평가되며, 질량을 가진 중성미자에 대한 활발한 이론적, 실험적 연구가 진행 중이다. 입자 가속기의 충돌 에너지가 TeV 영역까지 올라가면서 힉스 보존이 입증되었고, 초대칭 입자들과 암흑 물질의 발견이 기대된다. 또한, 암흑 에너지에 대한 연구도 진행 중이다.^[92]
양자 중력: 이론 물리학에서는 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하는 양자 중력 이론을 찾기 위한 노력이 반세기 이상 지속되고 있지만, 아직 뚜렷한 성과는 없다. 현재 가장 주목받는 분야는 M이론을 포함한 초끈 이론과 루프 양자 중력이다.
복잡계: 고에너지 물리, 양자 물리학, 천체물리학의 많은 발전에도 불구하고, 복잡계,^[93] 혼돈,^[94] 난류^[95]와 같이 일상생활에서 접하는 현상들에 대한 이해는 여전히 부족하다. 모래톱 생성, 물의 흐름, 물방울 모양, 표면장력, 카타스트로피 이론 등은 역학을 적용하여 해결할 수 있을 것처럼 보이지만, 아직 많은 미해결 문제가 남아 있다. 1970년대 이후 복잡계 문제는 수리물리학과 컴퓨터의 발전에 힘입어 더 큰 주목을 받고 있으며, 유체역학에서의 난류나 생물학의 패턴 형성과 같이 다른 학문과의 상호 연계 측면에서도 중요하다.

7. 한국 물리학의 현황과 과제 (한국 관점 추가)

한국 물리학은 해방 이후 짧은 역사에도 불구하고, 정부의 적극적인 지원과 과학자들의 헌신적인 노력으로 빠르게 성장했다. 대한민국은 기초과학연구원(IBS), 고등과학원(KIAS) 등 세계적인 수준의 연구 기관을 보유하고 있으며, 국제 협력 연구에도 활발하게 참여하고 있다. 특히, 한국은 핵융합 연구, 가속기 기반 연구, 우주 관측 등 대규모 과학 프로젝트에 적극적으로 투자하고 있다.

그러나 한국 물리학은 여전히 극복해야 할 과제를 안고 있다. 기초 과학 연구에 대한 투자를 더욱 확대하고, 젊은 과학자들을 위한 안정적인 연구 환경을 조성해야 한다. 또한, 물리학 연구 성과를 산업과 사회에 적극적으로 활용하여, 국가 경쟁력 강화와 국민 삶의 질 향상에 기여해야 한다. 특히, 기후 변화, 에너지 문제 등 인류 공동의 문제 해결에 한국 물리학계가 적극적으로 참여해야 한다.

8. 물리학의 분류

물리학은 연구 대상이나 연구 방법에 따라 여러 분야로 나눌 수 있다. 연구 대상의 크기에 따라 세분화되기도 하고, 어떤 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 가지고 자연 현상을 설명하느냐에 따라서도 분류할 수 있다.

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_[134] 서적
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_[136] 서적 Oeuvres Complétes de Christiaan Huygens
_[137] 서적 The New Quotable Einstein Princeton University Press and Hebrew University of Jerusalem
_[138] 웹사이트 Carl Gustav Hempel (1905—1997) http://www.iep.utm.e[...]
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_[140] 서적
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_[143] 서적 화석인간의 꿈 연세대학교출판부
_[144] 논문 청원 아득이 고인돌 유적에서 발굴된 별자리판 연구
_[145] 서적 Robert Grosseteste and the Origins of Experimental Science, 1100–1700 Clarendon Press, Oxford University
_[146] 서적 Galileo: Decisive Innovator Cambridge University Press
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