물리학이란

 2천 년 이상의 기간 동안 화학, 생물학, 천문학, 지구과학과 같이 자연 철학의 일부였지만 17세기 이후 경험적인 지식만을 연구하며 자연 철학에서 나뉘어 떨어지면서 독자적인 학문이 된 물리학은 물질과 공간에서의 운동과 에너지, 힘에 대하여 탐구하는 학문이다. 우주나 자연이 어떠한 원리로 운동을 하는지 이해하기 위한 기초적인 과학의 한 분야이다. 물체에 작용하는 운동과 힘의 관계를 설명한 물리학인 고전역학의 성립으로 대부분의 물체에서 보이는 운동을 설명하고 예상하고 추측하는 게 가능해지게 되었다. 이를 통해 우주에 있는 모든 것의 상태가 물리학에서 충분하게 상태나 요소가 갖추어지면 예측이 가능하게 된다고 보는 결정론적 세계관이 받아들여지기도 했다. 그러나 20세기에 들어서 후반에 발전하게 된 양자역학이 다루는 미시세계만 아니라 거시세계에서 보이는 날씨도 예측이 불가능할 수 있다는 이론이 밝혀졌다. 현대의 물리학은 다양한 세부 학문으로 나누어진다. 자연의 기본적인 입자를 연구하는 부분인 입자물리학이 있다. 보통은 우주의 기본 바탕의 입자 물체를 연구하는 것을 말한다. 입자물리학은 분자나 기본 입자인 전자 등의 미시세계의 현상을 다루는 아주 작은 입자들을 연구하는 양자역학의 영향을 받고 지배를 받기 때문에 고전 역학에서는 잘못된 용어이다. 기원전 6세기부터 모든 물질은 기본 입자로 결성되었다는 생각이 제시되었다. 물리학 중에서는 물리학과 화학의 원리를 응용하여 항성, 은하, 성간물질 등의 천체의 광도, 온도, 밀도 등을 연구하는 학문인 천체물리학도 하나의 물리학의 분야이다. 근대 이후에는 천문학과 천체 물리학을 나누어 생각하는 것은 의미가 없다. 물리학의 실현하고자 하는 방향은 자연에 대한 서술이다. 물리학자들은 가까운 주변에서 발생하는 일의 원인을 파헤치며 판단하여 결과로 도출하는 판단을 한다. 물리학의 주요 개념으로는 물질, 에너지, 기본 상호작용과 운동, 에너지가 있다. 고전 물리학에는 물체의 운동과 힘을 연구하는 분야인 역학이 있다. 역학은 외부의 힘을 받아 물체가 정지하거나 운동을 계속하는 현상을 연구하는데 뉴턴의 운동법칙이 대표적이다. 전기적인 것과 자기적인 현상을 연구하는 전기와 자기의 분야도 있으며 맥스웰의 방정식이 중요한 역할을 했다. 열역학은 열과 에너지의 변환을 연구하는 분야이며 통계역학과 밀접한 관계를 맺고 있다. 열역학 법칙은 일반적인 법칙으로 현재는 연구 중인 블랙홀 열역학이 있다. 파동과 소리는 파동의 성질과 소리의 전파를 연구하는 분야이다. 현대물리학에서 상대성이론은 아인슈타인이 제안한 이론으로 공간과 시간의 관계를 새롭게 정의한다. 특수 상대성 이론과 일반상대성 이론으로 나누어지며 단순하게 자연법칙이 아니며 일종의 사고 체계라고 말할 수 있다. ‘핵’이 이름에 포함되기 때문에 원자물리학과 구별되지 못하고 헷갈리는 경우도 있지만 핵물리학과 원자물리학은 다른 분야이다. 핵물리학은 원자핵의 구조와 핵반응을 연구하는 분야이다. 핵의 융합은 두 개의 낮은 질량을 가진 핵은 쌍방으로 아주 가깝게 접촉하게 된다. 그리고 강력히 두 개의 핵을 융합시킨다. 이때 큰 에너지가 필요하게 된다. 이 과정은 아주 높은 온도나 높은 압력에서만 일어날 수 있으며 자연적인 핵융합의 근원은 태양을 포함한 모든 항성의 핵에서 생성되는 에너지와 빛이다. 앞서 말한 현대물리학과 고전물리학은 서로 보완 전인 역할을 한다. 고전물리학은 일상적인 상황을 설명하는 데 매우 유용하다 예를 들면 운동하고 있는 물체나 전기 및 자기 현상, 열역학적 과정이 있다. 현대물리학은 더 깊고 극단적인 상황에서의 물리학을 설명한다. 마찬가지로 현대물리학의 예를 들면 아주 작은 크기나 아주 높은 속도, 강한 중력 등의 상황에서 일어나는 현상이 있으며 원자 및 소립자 수준의 상호작용과 빛의 속도에 가까운 운동, 중력이 매우 강한 상황이 있다. 물리학은 끊임없이 발전하며 새로운 발견과 기술이 등장함에 따라서 그 뱡향도 계속 변화하고 있다. 물리학의 앞으로의 발전과 관련하여 정리해 본다면 양자 중력은 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 이론을 찾는 것이 주요 과제이다. 루프 양자 중력이 이러한 시도 중 일부이다. 대통일 이론은 전자기력, 약력, 강력을 통합하는 이론을 개발하는 것도 중요한 목표라고 할 수 있다. 고에너지 물리학에서 입자가속기에 대한 발전은 대형 입자 가속기를 통해 더 높은 에너지에서 소립자를 충돌시키는 실험이 계속되고 있으며 힉스 입자의 발견 이후 새로운 입자를 찾기 위한 연구가 계속되고 있다. 우주 물질의 약 85%를 차지하는 것인 암흑물질은 우주의 질량 중에서 상당 부분을 차지하지만 직접 관측되지 않은 암흑물질의 성질을 규명하는 연구가 진행 중이다. 암흑에너지는 우주의 가속과 팽창에 대하여 이 정체를 밝히기 위해 연구를 진행하고 있다. 환경과 에너지 부문에서는 태양광, 풍력 등의 재생에너지 기술을 물리학적 원리로 최적화하며 발전시키는 연구가 진행 중이다. 또한 핵융합을 이용한 청정에너지 개발로 환경에 이로운 영향을 주기 위한 연구가 진행된다. 현대에서 빠르게 발전하고 있는 인공지능은 인간의 학습 능력과 추론 능력, 지각 능력을 컴퓨터 시스템으로 만들어내려는 분야인데 이에 인공지능과 기계학습을 이용하여 대규모 물리학 데이터 분석을 자동화하고 효율화하고 있다. 또 인공지능을 활용하여 새로운 물리 이론과 모델을 개발하려는 시도도 이루어지고 있다. 물리학은 이론과 실험을 통해서 자연 현상을 설명하고 예측하는 데 중점을 두고 있다. 다양한 수학적 도구와 실험 장비를 사용해서 연구하며 다른 과학 분야와도 밀접하게 연결되어 있고 자연 세계를 이해하고 기술 발전에 중요한 기여를 하는 학문이다.