물리학
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정의
자연 현상은 다양한 모습으로 나타나는데, 그 다양한 모습에 공통적으로 적용되는 법칙, 즉 자연의 보편 법칙을 찾고, 그 법칙을 이용해 자연 현상을 합법칙적 · 논리적으로 설명[* 여기서의 설명은 알려진 현상에 대한 설명뿐만 아니라, 알려지지 않은 현상에 대한 예측(예: 상대성 이론을 통해 중력파의 존재 예측) 및 그 예측을 관찰이나 실험을 통해 확인하는 활동까지 포함한다.]하는 것을 목적으로 하는 학문이 물리학이다.
물리학의 정의에서 핵심 키워드는 보편이다. 이는 특정 범주의 자연 현상만을 대상으로 하는 다른 자연과학과의 차별성이 드러나는 지점인데, 물리학은 가급적 넓은 범위의 자연 현상, 그리고 가능하다면 모든 자연 현상에 공통적으로 적용되는 법칙을 찾으려 한다.[* 이에 대한 보다 상세한 내용은 아래 '다른 자연과학과의 본질적 차이' 문단을 참조 바람.] 그리하여 물리학의 궁극적 목표는 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙(만물의 이론, Theory of everything)을 발견하는 것이다. 아직까지 발견하진 못했지만, 현재도 놀라울 정도의 적은 수의 법칙만으로 거의 모든 알려진 자연 현상들을 성공적으로 설명해내고 있다.[* 이에 대한 보다 상세한 내용은 '물리학의 궁극적 목표' 문단을 참조 바람]
한편 물리학은 자연 현상을 일으키는 실체를 물질(matter)이라고 상정한다. 그리고 물질 간의 상호작용[* 물리학자들은 이것을 힘이라고 부른다.] 때문에 다양한 자연 현상이 나타나는 것이며, 자연 현상은 결국 물질의 운동이라고 보고 있다.[* 즉, 모든 자연 현상은 물질의 운동이라는 관점에서 기술할 수 있다고 본다.] 따라서 자연의 보편 법칙을 찾고자 하는 물리학의 구체적인 모습은 물질의 본성[* 물질의 기본 구성요소, 물질 간 상호작용, 성질 등]과 그 운동에 대한 연구로 나타난다. (다만, 현대 물리학에서는 장(場, field)이라는 개념이 물질을 대체해서 자연 현상의 실체로서 핵심적인 역할을 하기도 한다. 물질의 운동에 대한 이론 체계가 동역학이라면, 장(field)의 운동에 대한 이론 체계는 장이론(field theory), 또는 줄여서 장론(場論)이라고 한다.[* 그런데 사실 상대성이론에 의하면 장과 물질은 본질적으로 차이가 없다. 물질이 있으면 그 주위에 중력장이니, 전자기장이니 하는 장을 만들고, 반대로 그러한 장은 물질의 운동을 결정한다. 물질과 장은 떼려야 뗄 수 있는 것이 아니다. 특히 장도 에너지를 가지고 있으며, 상대성이론에 따르면 장에서 물질이 없어질 수도 있고 생겨날 수도 있다. 물질도 에너지에 불과하다.(E=mc^) 결국 에너지가 질량(물질)이라는 형태로 있는지 다른 형태로 있는지의 차이일 뿐이다.])
width=510 width=510 <과학사학자 홍성욱 교수[* 홍성욱 교수는 학부에선 물리학을 전공하였다]의 강연 중>
여기서 '물질을 연구하는 학문은 화학 아닌가?' 라는 의문을 가질 수도 있다. 물론 화학도 물질을 연구한다. 하지만 화학은 주로 분자 수준의 물질에서 일어나는 현상을 연구하는 데 반해, 물리학은 분자 수준의 물질은 물론이고, 분자보다 작은 물질(원자, 소립자[* 렙톤(전자, 중성미자 등), 하드론(양성자, 중성자), 쿼크, 게이지입자(광자, 중력자, 글루온 등)]) 및 분자보다 큰 물질(응집물질[* 수많은 원자나 분자가 모여서 우리의 감각기관으로 인지할 수 있는 물질을 이루는데, 이것을 응집물질(condensed matter)이라고 한다. 생물체도 응집물질에 속하며 생물체와 같은 무른 물질(soft matter)만을 다루는 분과도 독립하는 추세.]), 그리고 기타 물질(플라스마 등)에서 일어나는 현상에 대해서도 연구한다. 그리고 화학은 특정 지식을 추구하는 현상과학인데 반해, 물리학은 보편 지식을 추구하는 이론과학이라는 차이가 있다.(현상과학 및 이론과학에 대한 상세한 설명은 아래 '다른 자연과학과의 본질적 차이' 문단을 참조 바람) 한편 분자 수준의 물질에서 일어나는 각종 현상(화학적 현상)을 물리학 법칙을 이용하여 설명하는 학문이 있는데, 이를 화학물리학 또는 물리화학이라고 한다. 전자는 물리학 쪽에서 부르는 이름이고, 후자는 화학 쪽에서 부르는 이름이다.
간혹 물리학의 정의를 '자연을 연구(탐구)하는 학문'이라고 알고 있는 사람도 있다. 특히 비전공자들 중에 이렇게 알고 있는 경우가 많으나, 물리학 전공자 중에서도 물리학의 정의에 대해 고민해보지 않은 사람들은 막연히 이렇게 알고 있는 경우가 꽤 있다.[* 이는 대부분의 물리학 교과서(특히 일반물리학 교과서)에 물리학의 정의 및 다른 자연과학과의 관계에 대한 논의가 없거나, 있어도 아주 간략해서 불충분하거나, 혹은 이 부분을 학습자들이 소흘히 하거나, 아예 학습하지 않고 넘어가는 탓이 크다. 하지만 과학철학에서는 물리학의 정의가 물리학과 다른 자연과학과의 관계 및 환원주의 논의와 맞물려 중요한 개념이 된다.] 물론 물리학은 자연을 연구한다. 하지만 생물학, 화학, 지구과학, 천문학도 관심의 구체적인 범주 내지 방향에 차이가 있을 뿐, 자연을 연구하는 것은 마찬가지다. 따라서 '자연을 연구(탐구)하는 학문'이라는 것은 자연과학의 정의이지, 물리학의 정의는 아니다.'
그런데 사실 물리학의 정의는 과학철학자들 및 소수의 물리학자들에게나 관심 대상이지, 다수의 물리학자들에게는 관심 대상이 아니다. 이와 관련하여 케임브리지 대학에서 캐빈디시 연구소를 이끌었던 하룬 아메드 교수의 재밌는 말이 있다. 아메드 교수는 "캐빈디시 연구소의 학자들은 물리학을 두 문장으로 정의한다. '물리학은 물리학자가 연구하는 것이다(Physics is what physicists do)'와 '물리학은 광범위하다(Physics is extensive)'가 그것이다. 이 속에 우리 연구소가 지향하는 목표가 담겨져 있다."고 했다. 그리고 그는 "물리학자가 연구하는 것이 곧 물리학이란 의미는 물리학자라면 어떤 과학분야든 구애받지 않고 연구할 수 있다는 뜻"이라고 설명했다.[[1]] 참고로 '○○학은 ○○학자가 연구하는 것이다'라는 식의 얘기는 다른 분야 학자들한테서도 종종 나온다. 예를 들어 미국의 화학자 길버트 뉴턴 루이스도 '화학은 화학자가 연구하는 것이다.'라는 말을 한 적이 있다.
다른 자연과학과의 본질적 차이
자연과학의 관점에서는 생명을 포함해서 우리가 경험하는 모든 게 다 물질에 의한 현상이다. 따라서 물질을 다루는 물리학은 사실상 모든 자연 현상을 대상으로 한다. 그런데 특정한 범위의 자연 현상에 대해서는 그것만을 전문적으로 다루는 학문이 별도로 존재한다. 생물학, 화학, 지구과학, 천문학이 그것이다. 그러면 물리학과 다른 자연과학이 같은 자연 현상을 탐구할 때 어떠한 차이가 있을까? 예를 들어 물리학이 생명현상을 탐구하는 경우 생물학과 어떻게 다를까?
다른 자연과학과 대비할 때 물리학의 차별성은 보편지식을 추구한다는 데 있다.[[2]] 이에 대해 물리학자 최무영 교수는 아래와 같이 설명한다.[<최무영의 과학이야기>- 과학적 사고란]
>과학적 사고의 마지막 요소는, 단편적 지식들을 '하나의 합리적인 체계'로 설명하려고 시도한다는 겁니다. 특정지식은 개별 과학적 사실(scientific fact)들을 말하는데 이들을 묶어서 보편지식 체계를 만들어내려고 시도합니다. 보편지식을 간단하게 이론(theory)이라고 하지요. 사과가 땅으로 떨어지는 현상이나 계절이 돌아오고, 밀물과 썰물이 생기는 것은 하나하나가 과학적 사실이고 특정지식입니다. 그런 것들을 얼핏 보면 서로 관계가 없어 보이지만 하나의 보편적 체계로 묶을 수가 있습니다. 그게 뭘까요? 뉴턴의 '중력의 법칙'입니다. (이른바 만유인력이라는 용어보다는 중력이라는 용어가 적절합니다.) > >과학에서는 이렇게 아무 관련이 없어 보이는 여러 지식들을 묶어서 하나의 체계로 만들어내려 노력합니다. 이러한 경향이 물리학에서 가장 두드러지며, 이로써 물리학은 다른 자연과학과 구분 되지요. 물리학은 바로 보편지식 체계를 추구하는 학문이고, 다른 자연과학은 대부분 특정지식을 추구하는 학문입니다. > >생물학이나 천문학, 지구과학 등 특정지식을 추구하는 자연과학은 현상과학이라고 부르는 반면, 보편지식을 추구하는 물리학은 이론과학이지요. 요즘 생겨난 천체물리(astrophysics), 화학물리(chemical physics), 지구물리(geophysics), 생물물리(biophysics; biological physics) 같은 것들은 각 과학 분야의 특정지식들을 보편적 체계로 이해해보려는 시도라 할 수 있습니다.
한편 원자의 행성계 모형을 제안한 영국의 물리학자이자 노벨화학상을 수상한 어니스트 러더퍼드는 아래와 같은 유명한 말을 남겼다.
>자연과학은 물리학이거나 아니면 우표수집이다.(Science is either physics or stamp collecting.)
러더퍼드의 말은 이론과학인 물리학 외에 다른 과학은 자료를 모으는 활동이라는 뜻이다. 즉, 보편지식 체계를 구축하는 이론과학이 아니면 단순히 현상을 기술하는 현상론(phenomenology)이라는 뜻. 이는 다른 자연과학 분야 학자들이 들으면 기분 나쁠 법도 한데, 실제로 생물학자들은 이런 발언에 대해 동의하지 않음을 공개적으로 말하기도 한다.[* 생명 현상은 너무도 복잡해서 물리학 이론으로 설명하는 데 한계가 있을 것이라고 생각하는 것이다.] 예를 들어, 과학철학자이자, 진화생물학자인 장대익 교수는 과학팟캐스트 <과학하고 앉아 있네> 공개 강연에서 다른 자연과학과 물리학에 대한 이러한 시각을 언급하며, 물리학자들의 오만이라고 비판한 적이 있다. 이와 관련하여 물리학과 생물학의 관계에 대해 설명한 [글]이 있다.
한편 '물리학과 다른 자연과학[* 환원론자들은 자연과학뿐만 아니라, 심리학, 경제학 등의 학문까지 포함하여 논의한다.]의 본질적 차이 (및 관계)'는 철학(특히 과학철학)에서의 논제이기도 한데, 특히 논리실증주의자들의 환원주의 논의에서 많이 다루어진다.
물리학의 세부 내용에 대해서는 2018년 국가과학기술분류체계 해설서_최종_수정 버전 참고.
어원
Physics
물리학을 뜻하는 영단어 physics는 자연을 의미하는 그리스어 φύσις(physis, 퓌시스)에 기원을 지니며, 자연계의 사물을 이론적으로 취급하는 학문이 '자연학(physika)'이라고 불린 것에서 유래한다. 퓌시스는 본성, 혹은 자연을 뜻하는데 이를 라틴어로 옮기면 natura, 영어로 옮기면 nature가 된다. 그리고 퓌시스와 비슷한 의미로서 거의 세트로 붙어다니는 단어가 있는데, 바로 οὐσία(ousia, 우시아)이다. 이를 라틴어로 옮기면 substantia 혹은 essentia이고, 다시 영어로 옮기면 substance 혹은 essence, 한국어로 옮기면 본질, 실체다.[* 참고로 substance에는 '물질'이라는 뜻도 있지만, 물리학에서 물질이라는 의미를 말하고자 할 때는 matter라는 단어를 주로 쓴다. 즉 물리학에서는 substance는 실체, matter는 물질이라고 번역하면 된다.] 정리를 하자면, physics라는 단어 속에 이미 본성(nature), 본질 · 실체(substance)에 대한 탐구심이 들어있는 것이다. 다만 물리학은 본성· 본질 · 실체에 대하여 형이상학적으로 논하지는 않는다. 형이상학을 뜻하는 영단어 metaphysics의 어근에서 보듯, physics가 metaphysics적 의미를 다루면 반칙이니까(...)
物理學
물리학이라는 단어는 한자로 物理學이라고 쓰이는데, 이 단어는 말 그대로 만물의 이치를 탐구한다는 뜻을 담고 있다.
서양 과학이 도입되던 청 말기의 중국에서는 물리학을 '격치학'이나 '격물학'으로 불렀다. 성리학에서 '세상의 이치를 꼼꼼하게 따져 알아낸다'는 '격물치지'(格物致知)에서 유래된 것이다.
'물리'(物理)라는 말은 오래 전부터 더 넓은 의미로 쓰던 것이다. 초나라의 갈관은 '갈관자'의 '왕부편'에서 물리를 '모든 것의 진실'이라는 의미로 사용했다. 오나라의 양천이 쓴 '물리론'이라는 책도 있다. 명·청의 학자 방이지는 현대의 인문학과 자연과학을 모두 아우르는 분야를 소개하는 '물리소식'(物理小識)이라는 백과사전을 펴내기도 했다.[[3]]
우리나라에는 이 단어가 일본으로부터 학문을 수입하면서 같이 넘어온 것으로 알려져 있다.
물리학의 궁극적 목표
물리학의 궁극적 목표는 미시 세계에서 거시 세계까지 적용되는 통일된 법칙을 발견하는 것이다. 아인슈타인도 말년에 이 연구에 몰입했었고, 현재도 많은 학자들이 이에 대한 연구를 하고 있지만, 아직 발견되지 않았고, 현재는 어떤 세계를 기술하느냐에 따라 운동법칙이 다른 상황이다.
일상 세계를 기술하려면 뉴턴의 고전역학으로 충분하지만, 원자나 분자 등 작은 세계의 기술에는 양자역학, (빛의 빠르기에 비해 너무 늦지 않은) 빠른 세계나 중력이 매우 중요하게 작용하는 거대 세계[* 예: 은하, 우주처럼 질량이 아주 큰 세계]를 기술하는 경우에는 상대성이론을 써야 한다.
다만, 양자역학이 일상 세계에서 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에도 적용할 수 있다. 양자역학을 일상 세계에 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 도출된다. 또한 상대성 이론도 빠른 세계나 거대 세계에만 적용되는 것이 아니라, 일상 세계에도 적용된다. 상대성 이론을 일상세계에 적용하면 고전역학과 같은 결과를 얻게 된다. 일반적으로 일상 세계에서는 상대론적 수정이 무시할 만큼 작기 때문이다.
그러면 작고 빠른 세계는 어떻게 해야 될까? 예를 들어 양성자가 매우 빠르게 움직이는 경우가 그러하다. 작은 것을 기술하는 양자역학과 빠른 것을 기술하는 특수상대성이론, 두 가지를 합쳐야 한다. 이에 따라 이른바 상대론적 양자역학(relativistic quantum mechanics)이라는 것이 만들어졌다.
그리고 작지만 중력이 중요하게 작용하는 세계(예: 블랙홀)를 기술하려면 양자역학과 일반상대론을 합쳐야 한다. 이러한 이론 체계를 '양자중력이론'이라고 부르는데, 아직까진 만들어내지 못하고 있다. 다만, 초끈 이론이라는 이론이 제시되어 있지만, 실험적 검증은 이루어지지 못하고 있다.
분류
가장 크게 나누면 고전물리학과 현대물리학으로 나눌 수 있다. 고전물리학은 시공간의 절대성을 인정하고, 현대물리학에선 시공간의 절대성을 부정한다.
물리학에서 다루는 것의 기본 틀이 되는 가지들은,
* 양자적이지 않은 물체에 작용하는, 뉴턴의 법칙을 따르는 세계에 대한 것((고전)역학, 유체역학) * 맥스웰의 방정식으로 모든 것이 정리가 되는, 광자가 매개하는 힘에 대한 것((고전) 전자기학, 광학) * 확률론적 입장을 취한 파동방정식으로 입자의 상태를 풀어나가는, '역학 ver. 근현대'(양자역학) * 확률론적 입장으로 매우 많은 상태수나 입자 등이 모인 계를 설명하는 것(다체론. 열역학 및 통계역학. 물론 응집물질물리학도 포함) * 한 개 축을 더한 4-벡터에서 나아가서는 가속도와 만유인력까지 다루는 아인슈타인의 쇼타임(상대성 이론) * 그리고 아무리 설명해도 일반인이 모를 42를 다루는 것(상대론적 양자, 표준모형, 양자중력, 초끈이론과 우주론 등)
정도이다. 이 외, 생명과학과 퓨전한 생물리학이나 사회, 경제현상을 물리적 방법으로 설명하는 복잡계 물리 등이 있다.
* 역학 * 고전역학 * 해석역학 * 열역학 * 통계역학 * 밀도행렬 * 벡터역학 * 정역학 * 동역학 * 천체역학 * 연속체 역학 * 고체역학 * 유체역학 * 유동학 * 전자기학 * 광학 * 상대성 이론 * 특수상대성이론 * 일반상대성이론 * 핵물리학 * 우주론 * 입자물리학 * 양자역학 * QED : 양자전자기역학 * QCD : 양자색역학 * QFT : 양자장이론 * 플라즈마 물리학 * 천체물리학 * 응집물질물리학 *고체물리학 * 화학물리학 * 실험물리학 * 응용물리학[* 순수 물리학이 자연 현상의 기초 원리를 설명하는 학문이라면 응용물리학은 물리학의 실용적 접근을 연구하는 학문이다. 간단히 말해, 순수과학과 공학의 가교 역할을 하는 것.] * 계산물리학
다른 설명
서울대 최무영 교수(물리학)는 프레시안에 연재한 <최무영의 과학 이야기>[* 이 강의는 최무영 교수가 서울대에서 자연과학을 전공하지 않는 학생들을 대상으로 했던 과학(특히 물리학)에 대한 교양강의 내용을 글로 다시 정리한 것으로, 해당 글들은 이후 '최무영 교수의 물리학 강의'라는 책으로 출간되었다.]에서 물리학의 분류를 아래와 같이 '연구대상에 따른 분류'와 '연구방법에 따른 분류'의 두 가지 기준으로 설명한 바 있다.[<최무영의 과학이야기> 물리학의 범위, 2008.02.26, 프레시안]
*연구대상에 따른 분류: 물질을 이루는 여러 단계를 생각할 수 있는데, 그중에 어느 단계의 구성단위를 다루느냐에 따라 물리학을 아래와 같이 분류할 수 있다. *입자물리학(particle physics): 양성자, 중성자, 전자 따위의 기본입자, 곧 렙톤, 하드론 및 쿼크, 게이지입자 따위를 다루는 분야 *핵물리학(nuclear physics): 원자핵의 구조, 상호작용을 다루는 분야 *원자분자물리학(atomic and molecular physics): 원자나 분자를 다루는 분야 *응집물질물리학(condensed matter physics): 원자나 분자가 엄청나게 많은 수가 모여야 비로소 우리가 감각기관으로 경험하는 물질이 된다. 그런 물질을 응집물질(condensed matter)이라고 부르고, 이를 다루는 분야를 응집물질물리학이라고 한다. *플라스마물리학(plasma physics): 온도를 매우 높이면 원자나 분자에서 전자가 일부 떨어져 나가고 물질은 전기를 띤 이온들로 이루어지게 되는데, 이러한 플라스마(plasma) 상태의 물질을 다루는 분야다. 한편 응집물질 중에서 액체나 기체 등 유체를 다루는 유체물리학(fluid physics)과 함께 분류하기도 한다. *광학(optics): 빛에 대해 연구하는 분야다. 일반적으로 빛과 관련된 물질 현상은 원자나 분자에 의한 빛의 흡수 및 방출을 통해 생겨나므로 광학은 원자분자물리학과 밀접한 관련이 있다. *타 자연과학 분야와 융합돼 있는 분야 *화학물리학: 화학은 주로 분자 수준의 현상을 다룬다. 따라서 화학물리학은 분자물리학과 밀접한 관련이 있다. *생물물리학: 생명체는 기본적으로 많은 수의 단백질 같은 분자들로 이뤄져 있으므로 생물물리학은 당연히 응집물질물리에 속한다고 할 수 있다. *천체물리학: 천체물리학은 우주를 다루는데 그 안에는 기본입자, 원자핵, 원자와 분자, 그리고 별이나 은하 등 응집물질도 있다. 따라서 천체물리학은 입자물리부터 응집물질물리까지 전체의 종합이라고 생각할 수 있다. *지구물리학: 지구물리학은 많은 경우에 분자와 응집물질물리에 가깝다.
*연구 방법(보편적인 이론 체계)에 따른 분류: 물리학의 방법으로서 이론 체계를 일반적으로 역학(mechanics)이라고 하는데, 이는 크게 동역학과 통계역학으로 나눌 수 있다. 그 밖에 장이론을 추가할 수도 있다. *동역학(dynamics): 동역학 중에서 가장 대표적이고 널리 알려진 것이 17세기 뉴턴의 고전역학이다. 그 다음에 20세기에 만들어진 양자역학이 있다. 동역학에서는 시간과 공간을 어떻게 전제하냐가 중요한 문제인데, 전통적으로 뉴턴 시대의 시간과 공간 개념에 따라 고전역학이 만들어졌고, 양자역학도 마찬가지로 시작되었다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론에 의한 시공간 개념에 따라 고전역학과 양자역학을 만들 수도 있다. 이에 따라 상대론적 (고전)역학, 상대론적 양자역학이 만들어져서, 비상대론적 고전역학, 비상대론적 양자역학과 대비된다. *고전역학(classical mechanics) *상대론적 (고전)역학 *비상대론적 고전역학 *양자역학(quantum mechanics) *상대론적 양자역학 *비상대론적 양자역학 *통계역학(statistical mechanics): 동역학으로부터 구축되는데 고전역학에 기초를 둘 수도 있고, 양자역학에 기초를 둘 수도 있으나, 엄밀하게는 양자역학에 기초를 두어야 일관성이 있는 이론 체계를 얻을 수 있다. 통계역학을 써서 다양한 현상을 기술하는 분야를 흔히 통계물리(statistical physics)라고 부른다. *장이론(field theory): 동역학에서는 대상을 입자라고 가정하고서, 힘이 주어졌을 때 입자가 어떻게 운동하는지 다룬다. 이와 달리 대상을 입자 대신에 장(場)으로 상정하고, 이론을 전개할 수도 있는데, 이를 장이론이라고 부른다. 동역학에서 고전역학과 양자역학 구분과 마찬가지로 장이론도 고전장이론, 양자장이론으로 구분한다. 한편 장이론은 통계역학과 비슷한 면이 있어서 관련을 지을 수 있다. *고전장이론 *양자장이론
width=450 ▲ 2016년 12월 31일 기준 한국물리학회 회원의 분과영역 분포
참고로 국내 물리학계는 응집물질 물리학, 반도체 물리학 연구에 많이 종사하고 있다. 이들 분야는 산업적 응용성이 크기 때문에, 정부나 산업계로부터 연구 지원이 많은 편인데, 이는 이들 분야에 연구인력이 많은 이유 중의 하나이기도 하다. 한편 잘 모르는 사람들은 초끈이론이니 루프 양자 중력 이론이니, 우주론 · 암흑에너지 · 암흑물질이니 하는 것들에 비해 이쪽 분야 연구는 별 것 아닐 것 같이 느껴질는지 모르겠지만, 그렇지 않다. 고온 초전도체부터가 아직 완전히 설명되지 않았고, 유체역학에서의 난류 처럼 카오스 이론을 적용해야 하는 복잡계의 문제들도 아직 설명되지 않았기 때문에 이쪽 분야들도 굉장히 어렵다. 물론 양자역학을 많이 다루는 입자물리나 천체물리 같은 분야가 좀 더 물리학의 근본적인 분야이긴 하지만, 다른 분야 들도 아직 미해결 문제가 많고, 입자물리나 천체물리 못지 않게 복잡하기 때문에 응집물질이나 반도체 같은 물리분야를 깎아 내리는 말은 절대로 하지말자.
이론물리학과 실험물리학
물리학 연구는 ①보편 법칙[* 뉴턴의 운동법칙(고전역학), 양자역학, 상대성이론, 통계역학 등]을 세우고, ②그 법칙을 이용하여 이미 관측되어 알려져 있는 자연 현상을 설명(해석)하거나, ③알려지지 않은 새로운 현상을 예측하며, ④그 예측을 실험이나 관찰을 통해 검증하는 활동으로 구성되어 있다.
예전에는 물리학자라면 이 모든 활동을 다 하였다. 하지만 물리학이 발전하면서 실험과 관련된 지식이 고도로 복잡해졌다. 따라서 한 명의 물리학자가 이 모든 것을 다 한다는 것은 현실적으로 불가능해졌다. 따라서 현재는 실험과 관계된 분야를 전문으로 하는 실험물리학자와 이론과 관계된 분야를 전문으로 하는 이론물리학자로 구분된다.
구체적으로 ①, ②, ③은 이론물리학, ④는 실험물리학에 속한다. 다만 ②는 현실에선 실험물리학자들도 많이 한다. 즉 실험물리학자가 실험이나 관찰을 하다가 어떤 현상을 발견했는데, 그 현상에 대한 이론적 설명을 (이론물리학자에게 맡기는게 아니라) 자신이 직접 하는 경우도 많다.
역사
- 이 부분의 본문은 물리학/역사이며 이 문단은 간략한 개요만을 나타냅니다. 물리학의 역사를 서술하시고 싶은 분은 물리학/역사 문서에 서술해주세요.
물리학이라는 학문 분류 탄생의 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다. 현대적 의미의 물리학은 19세기 중엽에 역학, 광학, 음향학, 전기, 자기, 열, 물질의 물리적 성질 등의 여러 오래된 과학을 종합해 형성되었다. 원래 근대 이전의 과학은 세분화되지 않고, 소위 자연학(Φυσικὴ, 퓌시케) 또는 자연철학이라는 이름 하에 자연의 모든 것을 그 연구 대상으로 삼았다. 그런데 르네상스기를 지나고 17세기에 들어서서, 자연학은 급속히 진보하여 화학을 비롯한 천문학, 지질학, 광물학, 동물학, 식물학 등이 독립하였다. 그리하여 자연학에 남아 있는 것은 (고전)역학, 광학, 열학, 음향학 등이었는데, 이것들과 나중에 흥하게 된 전자기학이 함께 묶여서 19세기 중엽에 물리학이라는 이름으로 불리게 되었던 것이다. (그리고 이후 원자에 관한 지식이 증가하면서 양자 역학이 물리학에 추가되었다.) 사실 '물리학자(physicist)'라는 말이 W. 휘웰에 의해서 만들어진 것은 1840년의 일에 지나지 않는다.
자연철학
인간은 옛날부터 자신들이 살고 있는 자연에 대하여 많은 의문을 품어왔다. 만물은 무엇으로 되어 있을까? 자연 현상은 왜 일어나는 것인가? 누군가는 종교에 의존하고, 누군가는 철학에 의존하였으며, 미신에서 벗어나기 시작한 옛 지식인들은 그럴 듯한 설명을 내놓기 시작했다. 유학은 세상을 덕으로, 도가는 세상을 도로 설명하며, 힌두교는 윤회와 여러 신, 이집트 역시 번개, 구름, 강, 태양의 신 등을 내놓아 설명하기 시작했고, 그리스 역시 이를 따르다 결국 인도와 중국처럼 철학자들의 시대가 도래했다.
그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는 데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다.[* 실제로는 만유인력이 구심력으로 작용한다.] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 한동안 묻혔으나[* 일단 아리스토텔레스의 인기부터가 고대 로마 때도 플라톤보다 떨어졌고, 저서의 상당수가 손실되어 지금도 전해내려오지 않는다. 우리가 읽는 건 소수의 강의노트 뿐.] 그리스인들이 보존한 저서들이 십자군 전쟁 이후 서유럽에 다시 전해졌는데, 당시 엄청난 센세이션을 일으켰을 정도로 나름대로 자연에 대한 통찰이 가득했고,[* 당장 큼지막한 예시만 들더라도, 달에 비친 지구의 그림자를 통해 지구가 둥글다는 것을 설명한 사람이 아리스토텔레스다. 절대로 무식한 옛날사람A가 아니다. 심지어 서유럽에서 과학혁명이 터진 것도, 아리스토텔레스에 의해 포텐이 차곡차곡 쌓였기에 가능하다는 설명도 가능하다.] 아리스토텔레스의 해석은 근대과학이 태동하기 전까지 서양 세계에서 지배적인 자연관(우주관)의 위치를 차지하였다.
뭔가 이상한데?
16세기 후반에서 17세기 초, 인간들 중에 관성의 개념을 지닌 자가 나타났다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는' 힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는' 힘인 것을 상상해내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 됐다.
반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 의거하여 점차 뉴턴의 운동법칙에 근접해갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀 냈으며[* 실제로 이는 최대진폭이 작을 때 성립한다.], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해냈다. 하지만 이것이 한계였다. 그의 시대에서 자연에 대한 세계관은 과학적 발견과 상관 없이 전지전능한 조물주의 음악에 발맞추어 행진하는 피조물이었으며[* 당연한 말이지만, 요즘에는 이런 비과학적인 방식으로 사고하는 정통 과학자는 없다. 이런 방식으로 사고하는 과학자들이 있긴한데, 그런 과학자들을 사이비 과학자 라고 부른다. 하지만 이런 학자들은 매우 소수에 불과하다.], 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다. (Fowles의 해석역학 참조.)
역학의 완성
결국 고전역학의 완성자 아이작 뉴턴이 나타났다. 그는 지상에 흩어져 있는 물리학 지식의 파편들을 모아 세 가지 법칙을 만들었다. 뉴턴은 지금까지의 모든 관찰 결과들이 이 세 가지 법칙을 만족한다는 사실을 깨달았고, 이를 프린키피아 세 권에 담았다. 그의 방법을 이용하면 물체의 초기 조건을 아는 경우 그 후 물체가 어떻게 운동할 것인지를 알아낼 수 있다. 하지만 단점이 하나 있는데, 물체가 왜 그렇게 운동하는지를 모른다는 사실이다. 뉴턴 자신도 이를 인정했으며, 그는 물체가 왜 이렇게 운동하는지에 대해서는 전혀 언급하지 않았고 단지 이렇게 계산하면 결과가 실제와 정확하게 일치한다는 것을 보였다. 뉴턴 이전에 철학의 한 부분이었던 물리학을 뉴턴 이후에는 수학의 언어로써 인간이 이를 쉽게 다룰 수 있게 했다.
역학 이외의 물리학 - 물리학의 완성?
뉴턴이 고전역학을 시작해서 마무리짓고, 광학을 개발했다. 이는 곧 자연을 탐구하는 모든 학문과 계몽사조에까지 거대한 영향을 미쳤다. 곧 많은 철학 분야에서 뉴턴주의를 지향, 뉴턴의 방법론을 시도해보기 시작했으며, 심지어는 화학 역시 뉴턴의 계량적 사조에 큰 영향을 받았다. 그 뒤로 열역학이라는, 뚜렷이 고전 역학과 다른 신묘한 분야가 개발되기 시작했고, '칼로릭 이론'이라는 틀린 이론을 통해 시행착오를 겪은 뒤 카르노의 원리 등을 시작으로 열에서도 제대로 된 물리학적 고찰이 이어지기 시작했다. 이는 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙을 통해 정량적인 열역학 개념을 완성해 나갔다. 천체역학, 고전역학이라는 수학분야, 광학이라는 실험분야와 함께 열역학이라는 또 하나의 물리학 분야가 탄생한 것이다.
열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두 가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 천체역학, 유체역학, 고전역학 등 완전수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할 게 없다! 지구 상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 켈빈은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발 아래에 둔 것인가?
상대성 이론과 양자혁명
...그리고 19세기 프로이센. 보불전쟁은 끝났지만 아직도 과학기술의 주도권은 프랑스에게 있었다. 그러나 알자스 로렌도 먹었겠다, 독일 제국의 황제는 철강산업을 포함한 모든 산업기강을 발전시키려고 했다. 그가 과학자들에게 가장 처음 명한 것은 "저 망할 용광로의 온도를 어떻게 재는가?"에 대한 답. 물리학자들이 내놓은 대답은 쉬웠다. 온도계를 못넣는다고? 그럼 스펙트럼을 측정하면 되지. 이 대답과 함께 과학자들은 흑체가 내놓는 스펙트럼과 온도의 관계에 대해 연구하기 시작한다...
문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[* 이 말은 즉 일상적인 온도의 흑체에서 적은 양의 적외선, 좀 더 많은 양의 가시광선, 아주 많은 자외선, 당장 사람을 태워죽일 만큼 많은 X선이 뿜어져 나올 거라는 뜻이다. 물론 실제와 다르다.], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? 틀리다고 증명될 때까지 믿는다. 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 왔다.
막스 플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.
한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 <math>1/\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}</math> 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.
빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[* 강에서 배가 이동하는 것을 생각하면 된다. 배가 물이 흐르는 방향과 같은 방향이면 빠르게 이동할 것이고, 반대라면 천천히 이동하는 것과 같이 에테르의 흐름에 따라 분명히 차이가 날 것이라고 예상할 수 있다.] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[* 마이컬슨 간섭계를 이용해 회절무늬 개수의 차이를 통해 빛의 파장을 계산할 수 있고, 이를 통해 빛이 파동이므로 빛의 속도를 계산 할 수 있다.]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다.[* 정확하게는 마이켈슨 몰리는 에테르가 있다고 믿었지만 예상치인 sin 그래프에 비해서 실험값은 너무 다르게 나와서 이상하다는 결론을 내렸다.] 이 때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두 가지 가정을 통하여 특수상대성이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성이론을 발표한다. 자세한 내용은 상대성 이론 참조.
후에, 드브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[* 드브로이는 당시 귀족이었는데, 그 당시 귀족들은 돈은 많고 할 일이 없어 수학과 물리를 취미생활로 즐겼다. 많은 과학자들이 드브로이의 입자의 파동설이 현대 물리에 없어서는 안 될 중요한 것이라고 생각하지만, 엄청난 발견이 아닌 언젠가는 발견되었을 만한 것이라는 부분에 동의한다.] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어 있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지 손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과다.
슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[* 슈뢰딩거 방정식의 파동함수를 이용하면 파동함수를 푸리에변환을 통해 공간함수와 파동함수 차원으로 바꿀 수 있기 때문에 해석이 용이해진다.] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 하이젠베르크의 불확정성의 원리가 발표되었다.[* 이를 보고 아인슈타인은 '신은 주사위놀음을 하지 않는다.'라는 유명한 말을 남겼다. 슈뢰딩거 역시 이 의견에 반대했는데, 결과적으로는 현대물리를 설명하는 데 굉장히 중요한 이론이 되었다.] 그 후에 폴 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[* 사실 우리가 알고있는 슈뢰딩거의 해석법이 나올 당시 하이젠베르그도 독자적으로 행렬을 통하여 파동함수를 기술하는 방법을 이용하여 한창 논쟁이 됐었다. 하지만 결과적으로 두 가지 해석법은 방법만 다를 뿐 같은 내용이라는 게 밝혀지면서 논란이 종결됐다. 양자역학 입문 시에는 비교적 익숙한 수학적 테크닉으로 슈뢰딩거 방정식을 이용하지만, 스핀 등의 물리량은 슈뢰딩거의 방법으로 표현하는 데 어려움이 있어 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법도 반드시 필요하다.]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.
현대 물리학
현대 물리학은 소립자와 그 소립자 간의 상호작용을 다루는 표준 모형과 중력을 상대론적으로 기술하는 일반상대성이론이 토대를 구성하고 있다. 표준 모형은 상대론적 양자장론으로 기술되는데 미시적인 현상을 다루는 데 효과적이나 중력을 포함하고 있지 않다.[* 중력을 고전적 혹은 준고전적으로 포함하는 것은 가능하다. 호킹 복사가 그 결과의 대표적인 예.] 일반상대론은 양자역학적이지 않은 고전적인 이론으로 거시적인 중력현상을 잘 설명하여 작게는 GPS위성 신호의 중력편이에서부터 크게는 우주론에까지 응용된다.
물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다.
쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다. 또한, 천문학에는 물리학이 설명하지 못하는 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이나 암흑에너지의 발견을 비롯하여, 코로나 문제 같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제가 산재해 있다.
한편 이처럼 아직 확립되지 않은 새로운 이론을 연구를 하는 건 전체 물리학자들 중에서는 소수이고, 다수의 물리학자들은 이미 확립된 이론을 이용해 알려진(혹은 관측된) 현상을 논리적으로 설명하고, 새로운 현상을 예측 및 발견하는 연구를 한다. 그런데 이건 지극히 자연스러운 모습이다. 과학철학자이자 물리학 박사인 토마스 쿤이 얘기했듯이, 원래 대부분의 과학자들은 과학자 사회에 어떤 패러다임[* 정확한 설명은 아니지만, 대략적으로 이해하고자 한다면 '근본 틀' 또는 '근본 이론'이라고 생각하면 된다.]이 정착된 이후에는 그 패러다임을 이용하여 각종 문제를 푸는 활동[* 즉, 패러다임을 이용해 알려진 현상을 설명하고, 새로운 현상을 예측하는 활동을 말한다. 토마스 쿤은 이를 퍼즐풀이(puzzle-solving)이라고 했다.]에 종사하는 사람들이지, 새로운 패러다임을 찾으려는 사람들이 아니다. 다만 문제풀이 활동 중, 기존 패러다임으로는 도저히 풀리지 않는 현상이 발견됐을 때[* 예컨대 고전역학(이것도 패러다임이다)으로는 수성의 근일점 이동 현상을 도저히 설명할 수 없었다.], 비로소 새로운 패러다임을 찾으려는 소수의 사람들[* 예컨대 상대성이론이라는 새로운 패러다임을 제시한 아인슈타인]이 등장하고, 그 시도가 성공하면 소위 과학혁명(패러다임 쉬프트)이 이루어지는 것이다. 따라서 물리학자들 대부분이 새로운 이론(새로운 패러다임)을 만드는 연구보다는 기존 이론(현재의 패러다임)을 가지고 각종 현상을 예측 및 설명하는 연구에 종사하는 것은 토마스 쿤의 설명에 의하면 지극히 자연스러운 모습이다.
현대에 와서는 물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅데이터나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.
어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.
물리학의 언어
>우주는 '미분'으로 쓰여있고, 거기서부터 우리가 필요로하는 위치를 추출해 내는 과정을 '적분'이라 부릅니다. - 경희대 물리학과 김상욱 교수[* 얼마전까지는 부산대 물리교육과에 재직하셨지만 최근 경희대 물리학과로 근무지가 바뀌셨다] -
물리학의 언어는 수학이라고 할 수 있다. 수학 그 자체는 과학이 아니라, 공리와 몇 가지 정의로부터 연연적으로 도출되는 정리로 구성되어 있는 논리의 집합이다. 그런데 이러한 수학은 자연을 기술하는데 많은 도움을 주고, 일상 언어로 기술하는 것에 비해 매우 효율적이다. 특히 물리학의 언어는 수학이다라고 할 정도로, 수학을 많이 쓰는데, 물리학에서 사용되는 수학에 익숙하지 않은 채, 물리 관련 서적을 본다면 도대체 이게 무슨 식이며 무엇을 설명하는지 이해할 수 없겠지만, 어느 정도 물리에서 사용하는 언어에 익숙해진 이후에는 일상 언어로 물리학에서 다루는 개념들을 설명하는 것이야말로 정말 어려운 일이라는 걸 깨달으면서, 데이비드 그리피스 같은 물리 교과서 편찬자들에 대한 존경심이 샘솟는다. 오래전부터 학문에 사용되는 용어들을 자국어로 옮기는 데 소홀했던 한국어 사용자라면 더더욱. 이쪽 계통 사람들은 고유어(돌림힘, 쓸림힘, 내비침 등)이나 한자어(마찰력, 복사 등) 용어보다 영어/독일어(friction, radiation, etc.)가 더 익숙한 점을 떠올리면서 자조한다. 혹은 의식조차 못 하고 있거나.
물리학의 효용·이용
[youtube(x6fCDF9Lfgk)] 물리학의 발전은 우리의 일상과도 연관이 깊다. 뢴트겐의 X선은 의학에서, 칼슨의 광전도현상은 제록스와 같은 복사기를 탄생시켰다. 뢴트겐은 최초의 X선 사진을 찍었고, 제임스 클러크 맥스웰은 최초의 컬러 사진을 찍는 등, 물리학은 기술과도 접점이 많다. 전자기학에서 전자공학이 탄생하였고, 뉴턴역학에서 기계공학이 탄생하였다. 과학과 기술이 발전하면 양자전기공학과 같은 유용한 공학들이 태어날 것이다.
교육과정
자세한 내용은 물리학과 참고.
보통 고등학교 2학년 때부터 이과생이 전문적으로 배우기 시작하는데 수학과의 연관성이 상당하다. 수포자들은 당연히 피를 본다. 물포자 문제가 있는데 물포자와 비슷한 말로 물안개(물리 안해 개새끼야)를 외치는 학생들도 많이 나오고, 일부 선생들에겐 '제물포', 즉 제(쟤) 때문에 물리 포기란 별명이 많이 붙는다고. 하지만 고등학교 과정에서 물리1은 거의 수학이 거의 안 나오고[* 나오는 곳을 얘기하자면 1단원 고전역학부분과 4단원 돌림힘,유체역학 정도 된다. 미적분을 이해하고 있다면 뉴턴 역학에서 시간, 거리, 속력, 속도, 가속도의 관계를 이해하는 데 도움이 되기는 하지만, 어디까지나 이해하는 데 도움이 되는 정도일 뿐이다. 물리1 수준에서는 그냥 공식 암기하고 간단한 그래프만 그릴 줄 알면 역학은 술술 풀린다. 게다가 미적분 안 쓰고 배우는 건 물리1 수준에서는 딱히 꼼수도 아니고 '표준적인 교과과정'에 해당한다. 따라서 수학 못하는 고등학생도 물리1을 고득점 하는 것도 얼마든지 가능하다. 물리학과 갈 게 아니라면 고등학교 수준에서 너무 겁먹지는 말자.] 솔직히 물리2에서도 아주 약간 등장하는 것은 사실. 사실 고등학교 물리는 잘만 가르치면 수학을 배우지 않고도 직관을 사용해 공부할 수 있고, 그러라고 만든 과목이기도 하지만.
그렇다고 수학을 포기한 채로 물리학과에 들어오면 말 그대로 과장없이 좆된다. 물리학에서 수학이 안 쓰이는 분야는 없다. 애초에 물리는 자연현상의 수학적 표현이다. 심지어 미적분 역시 뉴턴이 물리 현상을 수식으로 기술하기 위해 만들었다는 설이 있다고 하며, 모든 물리학의 시작인 고전물리학의 기본이 된 프린키피아는 아예 뉴턴이 전에 고안해논 미적분의 기본과 유클리드 기하학을 베이스로 써논 책이다.[* 다행인 점은 미적분학, 선형대수학 정도를 확실히 안다면 큰 어려움은 없다. 복소변수함수론도 알면 매우 좋다. 많이 알수록 좋다. 수학과를 아예 복수전공하면 좋을 것이다. 만일 정말로 물리를 제대로 하고 싶다면.... 공부하자!^^] 다만 이는 학사과정의 이야기로, 아인슈타인의 상대성원리에는 동 시대 수학자들의 연구 대상이었던 리만 기하학이 쓰였음을 감안하자.
기계공학, 전자공학, 재료공학, 항공우주 및 조선공학 등 공학의 많은 영역들도 물리학을 기반으로 깔고 있다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 실제로 물리화학이라는 과목도 있을 정도. 요새 뜨고 있다는 나노공학[* 미세한 세계를 다루는 이 "나노공학"이라는 분야는 사실 새롭게 나타난 하나의 독립된 분야가 아닌, 분야를 초월한 일종의 학문적 트렌드라 봐도 무방하다. 그 근거로 나노 관련 연구실을 물리, 화학, 재료, 기계, 전자 등의 수많은 학과에서 볼 수 있다는 점을 들 수 있다.] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 심지어 컴퓨터공학이라도 물리학과 관련이 있다.[* 물론 소프트웨어만 주구장창 파겠다면 전자공학 등 보다는 물리학과 연관성이 약할 수는 있지만, 하드웨어에 대한 제대로 된 이해가 없다면 삼류 프로그래머로 머물 뿐이다. 게다가 당장 네트워크에 대한 공부부터가, 신호 등에 대한 물리학적 이해가 없다면 힘들다.] 즉 웬만한 공과대학에 들어간 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다. 따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받는다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만.
국내에서 주관하는 물리학 관련 시험엔 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.
중고등학교 과정
* 융합형 과학 혹은 과학의 물리 파트 * 물리Ⅰ * 물리Ⅱ * 심화 물리, 고급 물리, 물리 실험(과학고 전용 교육과정이지만 과학중점고에서도 배우기도 한다.)[* 참고로 고급물리 머리말을 펴보면 '과학고등학교와 대학일반물리과정 중간...'이라고 다루는 범위 및 난이도를 적어놓았는데... 막상 보면 일반물리보다 더 어렵다. 일반물리 문제를 눈으로 풀 정도라도 고급물리 문제는 손으로도 못 푼다. 하지만 과고에 입학하고 책만 받지 펴보는 일은 없기 때문에 큰 주목을 못 받는다. 물리 실험은 그래도 보고서를 써야 하기 때문에 자주 보게 되지만...] * AP 물리학(대학 물리학을 미리 배우는 과정이다.)
대학 학부과정
1학년
* 일반물리
2학년
* 고전역학 * 전자기학[* 학교에 따라 3학년 과정으로 편성하는 경우도 있으며, 2~3학년에 걸쳐서 편성하기도 한다. (예: 2학년 2학기~3학년 1학기)] * 현대 물리학 : 고전역학과 양자역학 사이의 쇼크를 줄이기 위해 양자역학, 상대성 이론 등에서 기초적인 부분을 설명해 놓은 과목. 열 및 통계물리, 고체물리, 핵 및 입자물리 등도 약간 가미되어 있다. 학부 수준에서 감당하기 어려운 첨단의 주제들도 들어있지만 다행히 수준이 높지 않아 2학년 수준에서 이해 가능하다.[* 수준 문제로 재료공학과, 전자공학과 2학년 전공에서 현대물리학이 개설된 경우도 있다.] * 수리물리학 : 물리학에서 주로 사용하는 수학적 도구에 관한 내용을 배운다. 선형대수학, 미분방정식, 텐서기하학, 복소함수론 등을 다룬다.
3학년
* 양자 역학 * 열역학 및 통계역학
그 외 학교에 따라서는 유체역학을 전공심화과정으로 배운다. 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열통계물리학을 모두 배웠다면 4학년 과정과 대학원 과정을 이해할 기반이 다져졌다고 보면 된다.
4학년
* 광학 * 상대성 이론 * 우주론 * 응집물질물리학 및 고체물리학 * 플라즈마물리학 * 핵물리학 및 입자물리학 * 생물물리학 * 전산물리학
그리고 대부분의 물리학과에는 4학기에 걸친 실험물리 과목이 포함되어 있다.
관련 어록
>"Oppenheimer, they tell me you are writing poetry. I do not see how a man can work on the frontiers of physics and write poetry at the same time. They are in opposition. In science you want to say something that nobody knew before, in words which everyone can understand. >오펜하이머, 당신이 시를 쓴다고 들었습니다. 어떻게 물리학의 최전방에서 연구하며 시를 쓸 수 있는지 모르겠습니다. 둘은 정반대입니다. 과학에서는 전에는 아무도 이해하지 못했던 것들을 모두가 알아들을 수 있는 말로 전달합니다. >- 폴 디랙(Paul Dirac)
>All science is either physics or stamp collecting. >물리학 외의 과학은 우표수집에 불과하다.[* 정작 자신은 노벨 화학상을 받았다.] >- 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)
물리학자들
width=700 1927년 5차 물리학 솔베이 회의. 이 사진 안의 30명 중에서만 노벨상 수상자가 '__17명__[* 노벨물리학상이 15개, 노벨화학상이 3개이다. 수상자는 17명인데 노벨상 개수가 18개인 것은 두말할 것도 없이 퀴리 부인 때문.]'이다. 게다가 이 사진 안에 찍히지 않은 사람들도 많다. 그래서 이 사진은 간혹 [최강의 정모.jpg](이름, 설명 첨부)라는 이름으로 돌기도 한다.
* 솔베이 회의 사진의 물리학자들. * 뒷라인 * A. Piccard/오귀스트 피카르 - 심해권, 성층권 기구. * E. Henriot/에밀 앙리오 - 칼륨과 루비듐의 자연 방사성 규명. * P. Ehrenfest/파울 에렌페스트 - 양자물리학의 Ehrenfest's Theorem[* 임의의 연산자의 기대치가 시간에 따라서 어떻게 변하는지에 대한 공식.] * Ed. Herzen/에두아르 헤르젠 - 표면장력 연구. * Th. De Donder/테오필 드 동데르 - 비가역적 열역학의 선구자. * E. Schrödinger/에르빈 슈뢰딩거 - 슈뢰딩거 방정식[* 양자역학을 대수적으로 접근할 수 있는 도구를 제공.], 슈뢰딩거의 고양이. 1933년 노벨 물리학상 수상자. * E.Verschaffelt/줄스-에밀 버샤펠트 - 포화증기의 등온선 및 비중에 관한 연구, 양자물리학 연구 * W. Pauli/볼프강 파울리 - 파울리의 배타원리.[* 전자가 하나의 에너지 준위에 두 개까지만 배열될 수 있음. 후에 입자물리학 발전과 함께 페르미온의 배열에 관한 규칙으로 확장된다.] 1945년 노벨 물리학상 수상자. * W. Heisenberg/베르너 하이젠베르크 - 하이젠베르크의 불확정성 원리. 1932년 노벨 물리학상 수상자. * R.H.Fowler/랠프 하워드 파울러 - 다윈-파울러 방법. * L.Brillouin/레옹 브릴루앵 - 고체물리학의 브릴루앙 영역[* 고체물리학에서는 슈뢰딩거 방정식과 비슷한 위상을 지니고 있다고 해도 과언이 아니다. 이거 하나로 인해서 전 세계의 고체물리학과와 계산화학과의 연구실에서 계산해야 할 데이터가 몇분의 1에서 몇 십분의 1 수준으로 줄었다. 당장 이게 널리 쓰이고 있는 물건이 있는데, 바로 LED다.], 자성을 표현하는 브릴루앙 함수. * 중앙 * P. Debye/피터 디바이 - 전기 쌍극자의 단위인 디바이, 포논을 통한 고체의 열용량 계산. 1936년 노벨 화학상 수상자. * M. Knudsen/마르틴 크누센 - 물질 증착에 사용되는 Knudsen Cell의 발명. * W.H.Bragg/윌리엄 헨리 브래그. - X선 회절 분석법의 개발. 브래그 법칙, 1915년 노벨 물리학상 수상자. * H.A.Kramers/헨드릭 안토니 크라머르스 - 크라머르스-크로니히의 방법. * P. A. M. Dirac/폴 에이드리언 모리스 디랙 - 디랙의 방정식, 반물질 예측 (디랙의 바다). 1933년 노벨 물리학상 수상자. * A. H. Compton/아서 홀리 콤프턴 - 콤프턴 효과[* X선을 전자에 입사시켜 X선과 전자를 검출한 실험. 빛의 입자성을 뒷받침하는 대표적 실험이다.], 콤프턴 계수, 중성자의 발견자, MIT총장 1927년 노벨 물리학상 수상자 * L. De Broglie/루이 드 브로이 - 물질파의 개념을 최초로 주장해 노벨상을 수상했는데 이거 박사학위 논문이다...[* 다만 그 당시엔 가설에 불과했던 것을 아인슈타인 등 몇몇 사람의 지원 덕에 노벨상을 받았다고 보는 시각이 있다.][* 다만 물질파 가설이 보어 원자모형에서 가정한 안정된 전자궤도를 예측하는 데 핵심적인 역할을 했고 이후 수소 스펙트럼 분석을 통해 예측이 맞았음이 검증된 걸 고려하면 충분히 노벨상을 수상할 만하다.] 1929년 노벨 물리학상 수상자 * M. Born/보른 - 파동함수의 확률론적 해석을 최초로 주장한 사람. 양자역학 논쟁으로 아인슈타인을 이긴 당대 최고의 "키보드워리어" 1954년 노벨 물리학상 수상자 * N. Bohr/닐스 보어 - 보어의 원자모형, 하프늄(Hf)에 대한 예견, 물방울 원자핵모형. 원로 + 본좌 + 보스급 라인. 1922년 노벨 물리학상 수상자 * 앞 라인 * I. Langmuir/어빙 랭뮤어 - 표면화학 특히 랭뮤어 탐침등으로 플라즈마물리에 공헌. 1932년 노벨 화학상 수상자 * M. Planck/막스 플랑크 - 플랑크 상수, 양자 역학의 시대를 열었으나[* 그가 물리학을 선택한 시기는 뉴턴역학을 기초로 한 고전역학이 완성단계에 접어들어 한 과학자는 이제 흑체복사랑 에테르(빛의 매질)만 해결하면 물리학은 끝이라고 할 정도였다. 그러나 흑체복사의 이론전개에서 모든 파장영역(=무한한 빛)이 나오는 걸 플랑크가 불연속적인 에너지 단위인 양자를 도입해서 해결했다.] 정작 본인은 양자역학을 거부했다. 1918년 노벨 물리학상 수상자 * M. Curie/마리 퀴리 - 이 사진의 홍일점이자 유일한 여성 노벨상 2관왕, 서로 다른 과학 분야 노벨상을 수상(화학상, 물리학상)한 유일한 인물. 피에르 퀴리와 함께한 연구로 방사능 관련 학문이 아예 새로 만들어졌다. 이과에서 천대받던 여성으로서 당당히 연구성과로서 인정받았다. 마리 퀴리의 시절보다 최소 50년 뒤인 리처드 파인만의 시절에도 여성의 정신 구조는 과학을 할 수 없다라는 분위기였다는 걸 생각하면... 1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상 수상자 * H. A. Lorentz/헨드릭 안톤 로런츠 특수상대론의 로렌츠 변환, 로렌츠 법칙 1902년 노벨 물리학상 수상자 * A. Einstein/알베르트 아인슈타인 그의 3대 업적인 브라운 운동, 광전효과, 상대성 이론[* 여러 과학자들이 빛의 매질로 생각했던가 나머지 하나인 에테르를 파고들다가, 광속불변을 기본으로 한 상대성 이론으로 200년 동안 유지되어 온 절대 시공간 개념과 갈릴레이의 상대성 개념을 뒤집었으며, 광전효과 이론을 통해 빛의 에너지가 실제로도 양자화되어 있다는 것을 밝혀냈다. (맥스웰이나 플랑크 등에 의해 문제가 제기되고는 있었지만 정면으로 뒤집을 생각을 한 것은 아인슈타인이 처음)]은 아예 물리학 하위 과목을 하나씩[* 브라운 운동 - 통계역학, 광전효과 - 양자역학, 상대성 이론 - 상대성 이론] 창조해낸 위력을 갖고 있었다. 다만 광전효과로 야기된 양자역학에 대해선 플랑크와 마찬가지로 부정적이였다.[* 이와 관련된 아인슈타인의 발언이 "신은 주사위를 굴리지 않는다"] 노벨상은 바로 그 광전 효과로 한 개 받고 말았다. 1921년 노벨 물리학상 수상자 * P.Langevin/폴 랑주뱅 - 고전역학의 랑주뱅 역학Langevin dynamics, 고체물리의 랭주뱅 함수 * Ch.E.Guye/샤를외젠 - 전자의 질량&속도를 실험을 통하여 증명 * C. T. R. Wilson/찰스 토머스 리스 윌슨 - 윌슨의 안개상자, 이걸로 인해 우리는 방사능을 맨눈으로 볼 수 있게 됐다. 1927년 노벨 물리학상 수상자 * O. W. Richardson/오언 윌런스 리처드슨 - 열이온의 리처드슨의 법칙. 1928년 노벨 물리학상 수상자
* 사진 외의 실존했던(하는) 물리학자들 (가나다 순) * 가브리엘 리프만 * 갈릴레오 갈릴레이 - 아리스토텔레스의 힘 이론과, 정확히 말하면 중세 시대에 물체의 운동의 요인으로 널리 받아들여지고 있던 임페투 가설을 부정하고, 갈릴레이의 상대성을 제창함으로써 요하네스 케플러와 함께 뉴턴역학이 나올 토양을 제공했다. * 루트비히 볼츠만 - 오스트리아 출신 물리학자로 통계역학에 발전에 큰 공헌을 했다. * 레프 란다우 - 소련의 물리학자 양자적 수준에서 자기장, 저온환경에서의 자유전자를 연구해 양자역학, 고체물리학, 초전도현상 발견 등에 공헌했다. * 리제 마이트너 * 리처드 파인만 - 파인만 다이어그램의 창시 등, 양자역학계의 신으로 일컬어진다. 그 외에도 물리학의 교육자로서도 천재적인 재능을 발휘했다. 실제로 파인만 본인은 "Lectures on Physics"[* "파인만의 물리학 강의" 라고도 불린다.]라는 물리학 교재를 저술한 것을 평생의 업적 중 제일로 여겼다. * 마이클 패러데이 - 전자기 유도의 발견으로 전자기학의 아버지라고 불리고 있다. * 머리 겔만 * 브라이언 그린 - 초끈이론 연구가. 본문에 수식이 나오지 않고 초끈이론에 대해 개괄적으로, 그리고 학문에 비하면 쉽게 설명하는 엘러건트 유니버스와 '우주의 구조'가 유명하다. 그 자신의 업적은 압축된 시공[* 초끈이론에 필요한 11차원 중 4차원 시공간을 제외한 나머지 차원이 작은 범위에 압축돼있다는 이론]을 수학적으로 다루는 방법이다. * 스티븐 와인버그 * 스티븐 호킹 모두들 알다시피 블랙홀에 있어서 권위자, 아니 그 이상이다. 이 양반이 만들어낸 방정식들을 보면 블랙홀의 사건의 지평면의 면적은 그 블랙홀의 엔트로피에 비례하다는 것뿐 아니라 블랙홀이 양전자나 감마선, X선을 방출해낸다는 사실이 나오는데, 이로써 블랙홀이 모든 걸 집어삼킨다는 말이 틀렸음이 증명되었다. 또한 블랙홀이 호킹복사를 통해 입자와 에너지를 방출하며 증발하는데 이는 블랙홀의 수명이 있음을 증명하는 것이다. * 아리스토텔레스- 철학자로 알려져 있지만, 당대에는 철학이 모든 학문을 포괄했으며, 그가 세운 물리학 체계가 갈릴레이 등에 의해 부정되기까지 중세를 지배했다는 걸 생각해보면... 참고로 형이상학(Metaphysics)은 물리학(physics) 뒤(meta)에 꽂혀 있는 책에 나온 내용이라서 붙은 이름이다. * 아이작 뉴턴 - 이쪽은 아예 근대 물리학을 창시했다. 전자기학과 양자역학을 제외한 거시 세계의 역학에서는 뉴턴의 제2법칙인 F=ma로 표현되지 않는 공식이 있는지를 한번 찾아보자.[* 에너지는 두 물체가 상호작용하는 데 걸린 시간을 모를 때 그 두 물체가 상호작용한 양을 구하기 위해서 상정된 개념으로, 결론적으로 운동량 또는 힘으로 계산될 수 있다. 그리고 토크는 회전운동을 힘으로만 표현하기에는 표현에 어려움이 있어 힘과 거리의 외적으로 정의된 개념이며, 라디안과 함께 도입하면 회전 운동을 쉽게 설명할 수 있다. ][* 일반물리에서도 강조하는 게 아인슈타인 이후 현대 물리학으로 뉴턴의 운동법칙 설명하는 것이다.] 또 뉴턴 법칙과 더불어 뉴턴의 큰 업적은 미적분학을 탄생시켜 물리량들 사이의 관계를 수식적으로 나타내어 고전역학의 잠재력을 한층 끌어올린 것이다.[* 다만 미적분학은 비슷한 시기에 라이프니츠가 거의 동시에 발표해 뉴턴만의 업적은 아니다. 각자 독립적으로 연구했지만 현대 미적분학에의 기여분은 동등하다고 본다.] * 앙겔라 메르켈 - 그 유명한 독일 총리 맞는다. 지금은 정치인이지만 물리학 박사 학위를 가진 물리학자 출신이다. * 어니스트 러더퍼드 - 원자핵, 나아가선 원자구조의 발견자. 당시까진 전기적이나 역학적으로 바닥상태인, 양전하와 음전하가 균일하게 섞여서 원자를 이룬다고 생각했었다. 그의 구조는 당시의 역학으론 돌면서(가속운동) 전자는 에너지를 잃고(빛을 내놓고) '추락'한다는 문제점이 있었지만, 양자역학이 이를 해결한다. 노벨화학상을 받았다.[* 상기되어 있듯이 그는 '물리학 이외의 과학은 모두 우표수집'이라고 한 적이 있다.] * 어니스트 로런스 * 에드워드 위튼 - 초끈이론 연구가이자 M이론 제안자. 현대 초끈이론 최고의 권위자 중 하나이다. 물리학자로서는 최초로 필즈상을 탔다 게다가 학부를 물리학과를 나온 것도 아니고 역사학/언어학을 공부했으며 정치판(민주당(미국)에서 선거운동을 했다)에 몸을 담다가 갑자기 물리학과 대학원을 가서 3년 만에 박사학위를 탄 먼치킨. * 엔리코 페르미 - 실험과 이론 모두 탁월한 물리학자로 그의 제자들도 노벨 물리학상을 탔다. * 에른스트 마흐 * 요하네스 케플러 - 스승인 티코 브라헤가 남긴 천체 관측 자료를 면밀히 분석하여 행성 궤도가 원이 아니라 타원이라는 사실을 밝혀내 [* 당시엔 아리스토텔레스의 행성 궤도는 가장 완전한 도형인 원이라는 이론을 믿고 있었다.] 결국 천계의 운동도 완전무결한 운동이 아니라는 사상을 불러오게 되어 뉴턴역학의 밑거름이 된다 케플러의 3대 법칙 역시 갈릴레이의 이론과 함께 뉴턴역학의 밑거름이 된다. * 유카와 히데키 - 일본 최초의 노벨상 수상자 * 이휘소 - 재미 한국인[* 최종국적은 미국이다.] 물리학자. 요절하지 않았다면 한국인 최초의 노벨물리학상 수상자였을 것이란 의견이 있다. * 제임스 클러크 맥스웰 - 고전 전자기학을 집대성한 사람.[* 전자기학의 대부분의 내용을 이 사람이 만든 4개(혹은 매질에 따른 변화까지 8개)의 방정식인 맥스웰 방정식으로 요약할 수 있다.] 전자기학계의 뉴턴이라고 불러도 손색이 없을 만큼 전자기학을 탄탄하게 집대성했을 뿐더러 그전까지 잘 굴러가고 있던 뉴턴역학에 흠집을 냈다. 전자기파의 진행을 대수적으로 분석하는 과정에서 진공에서 빛의 속도를 결정하는 변수가 상수임이 예견되었고 이는 상대성 이론의 핵심 가정인 '광속 불변의 법칙'으로 이어졌다. 또한 루트비히 볼츠만과 함께 열 관련 문제들에 원자론을 도입하고 이를 위해 통계를 물리학에 도입하는 데 공헌했다. 이 사람 덕분에 상대성 이론과 양자역학, 현대의 열 및 통계물리의 씨앗이 뿌려진 건데, 같이 연구했던 볼츠만은 자살했고 맥스웰은 암으로 요절했다. 사람들이 맥스웰 방정식을 이해를 못 해서 '도깨비 방정식'이라고 불렀다는 이야기는 관련 과목을 들은 사람들이면 다들 알고 있을 것이다. * 조지 가모프 - 빅뱅 이론 과학 저술가로도 알려져 있으며 유전자를 구성하는 DNA의 염기가 세 개씩 묶여서 한 단위로 취급될 것을 생물학자들에 앞서 예측한 바 있다. 아미노산이 스무개 남짓인데, 염기가 총 네 종류이므로 두 단위(4^2=16)로는 커버가 안 되고, 네 단위(4^4=256)로는 너무 많기 때문이라고 한다. * 줄리어스 로버트 오펜하이머 * 카를 프리드리히 가우스 - 수학자로써 워낙 유명하지만 가우스 법칙을 발견하고 왜행성 세레스의 궤도를 예측했으며, 베버와 함께 물리학 연구를 한 물리학자이기도 하다. * 쿠르트 괴델 - 논리학자이자 수학자로 알려져 있으나 학부생활을 물리학으로 했고, 알베르트 아인슈타인과 친밀하게 지내며 물리학에 대한 의견을 나누기도 했다. 괴델의 물리학적 업적으로는 괴델 우주(회전하는 우주) 모형이 있다. * 킵 손 * 필립 워런 앤더슨 * 험프리 데이비 - 전기분해를 본격적으로 사용한 최초의 인물이며, 이를 통해 알칼리 금속류를 최초발견했으며 화학결합이 전기적인 것 같다는 가설을 제시, 얼음을 문질러도 열이 발생하므로 열은 물질(열소)이 아니라 운동(=에너지)이라고 주장했으며 탄광용 안전등을 개발했으나… 데이비 최고의 업적은 제본소 알바였던 마이클 패러데이를 발굴해낸 것일지도. * 헨드릭 캐시미어 - 캐시미어 효과의 발견자. * ---존 오비 미켈--- *~~김재박~~ * 참고 문서: 노벨물리학상/수상자
가상의 물리학자들
이상하게도 물리를 전공했다는 설정을 지닌 캐릭터 중엔 전투종족이나 매드 사이언티스트나 뭔가 나사 하나빠진 천재 등으로 그려지는 경우가 많다. 물리학자 캐릭터들은 과학자지만 특이하게 흰 가운을 입은 모습이 거의 나오지 않고 평상복이나 정장, 강화복 등을 입는다는 게 특징이라면 특징. 이건 현실에서도 마찬가지인데, 반도체 쪽으로 가지 않는 한 옷에 뭔가 튀거나 하는 일이 없고, 반도체쪽은 어설프게 차단하는 가운이 아니라 몸 전체를 감싸는 방진복을 입기 때문에 별로 인연이 없는 까닭이다. 실제로도 물리학과 학부 과정에서는 실험복은 1학년 때 배우는 일반화학 실험 시간에나 입는 아이템으로 취급해 버린다.
* 가면라이더 시리즈 * 가면라이더 포제 - 하야미 코우헤이[* 현재 아마노가와 학원 고등학교의 교장이지만, 물리학 박사 학위를 가지고 있으니 여기에 포함. 그리고 이쪽은 전투종족수준이 아닌 괴인이다.] * 가면라이더 위자드 - 후에키 소우[* 키자키 마사노리가 조사한 내용에 따르자면 직업은 물리학자이니 여기에 해당.] * 가면라이더 빌드 - 키류 센토, 카츠라기 타쿠미[* 사실 동일인물. ] * 하프라이프 시리즈 * 고든 프리맨(정확히는 '이론'물리학자. 자세한 내용은 문서 참조) * 일라이 밴스 * 아이작 클라이너 * 어니 매그너슨 * 월리스 브린 * 마블 코믹스 * 오토 옥타비우스 * 브루스 배너 * 리드 리처즈 * 율리시스 클로 * 빅터 폰 둠 외 기타 여러 과학자들 * DC 코믹스 * 레이 파머 * 라이언 최 * 존 오스터먼 * 에오바드 쏜 * 루테스 남매(양자역학과 평행세계 전문) - 바이오쇼크 인피니트 * 그라비티맨[* 록맨 & 포르테의 데이터베이스에서 좋아하는 것이 물리학으로 나온다.] - 록맨 시리즈 * 마이클 알트만('지구' 물리학자) - 데드 스페이스 시리즈 * 맥가이버 * 빅뱅 이론에 등장하는 상당수의 주연과 조연 * 레너드 호프스태터 * 쉘든 리 쿠퍼 * 라제쉬 쿠스라팔리 * 에빌리오스 시리즈 - 세트 트와이라이트 * 오카자키 유메미 - 동방 프로젝트 * 유카와 마나부 - 탐정 갈릴레오 * 팀(Braid) * 필립 모티머 교수(핵물리학 전공) - 블레이크와 모티머 * 하인리히 슈나이더 - 엘 카자드
여담
* 우스갯소리로 어떤 분야에서 거의 항상 들어맞는 것을 물리학이라고 한다. 대표적인 예로 DTD, 사스날이 있다.