물리학이란 무엇인가?

물리학이란, 자연과학의 한 분야로 물질을 중심으로 그것의 시공간(space and time)에서의 운동, 그리고 그것과 연관된 에너지(energy)와 힘(force)을 연구하는 학문이다.

- 물리학은 여러 과학 분야 중 가장 근간이 되는 과목으로, 이것의 목표(main goal)은 우주에서 일어나는 움직임을 이해하는 데 있다.

Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns that relate these phenomena.

Young & Freedman 2014, p. 2

물리과학이란, 자연에서 발견되는 순서나 사건들 속에서의 규칙 반복성을 논하는 지적 체계이다.

Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events.

Maxwell 1878, Matter and Motion, p. 9

물리학의 핵심적인 목표 중 하나는 수학적인 논리로 다양한 물리현상을 설명하고 나아가 예측하는 것이다.

- 자연거동의 논리적 이해(logical comprehension)가 물리학의 핵심과제이다.

- 수학적인 논리의 사용 이유는. 인간의 사고(thoughts)와 생활 속에 발생하는 개념 및 문제를 명료하고 단순하게 만들기 때문이다.

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물리학의 세부분야 Branches of Physics

물리학의 세부분야는 탐구 대상에 따라 그 종류가 매우 다양하나, 역사적인 관점에서는 1900년대를 기점으로 상대성이론과 양자역학이 나오기 이전의 물리학을 통칭하여 고전물리학(classical physics)으로, 1900년대 이후 발전한 물리학을 현대물리학(modern physics)으로 묶어 생각한다.

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1. 고전역학(classical mechanics): 원자보다는 상대적으로 크고, 빛의 속력에 비해서는 아주 느리게 움직이는 물체의 운동을 다룬다.

2. 열역학(thermodynamics): 열, 일, 온도, 그리고 수많은 입자들로 구성된 계(system)의 통계적 성질을 다룬다.

- 통계역학(statistical mechanics): 통계학을 방법을 이용하여 역학의 문제를 푸는 물리학의 기초 이론 ⇒ 핵반응 현상을 비롯하여 생물학, 화학에서도 널리 응용된다.

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3. 전자기학(electromagnetism): 전기적 현상 및 자기적 현상을 다룬다.

4. 광학(optics): 빛의 성질(properties of the light)과 빛과 물질 사이의 상호작용(interaction between the light and the matter)을 다룬다.

- 광학에서 주로 다루는 빛은 가시광선으로 전자기학의 내용에 속할 수도 있다.

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5. 현대물리학(modern physics)

1) 상대성이론(theory of relativity, 독일어: Relativitätstheorie): 빛의 속력과 비슷한 속력으로 움직이는 경우를 포함해 가능한 모든 속력으로 움직이는 물체를 다루는 현대물리학의 한 분야

2) 양자역학(quantum mechanics): 미시적 수준에서 관측된 물질의 성질을 거시적 측정값과 연결하는 현대물리학의 한 분야

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그림 1. 관찰대상의 특징에 따른 물리학 분야의 구분 [출처: Wikipedia]

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물리학은 광범위한 연구 범위 덕분에 화학과 생물학의 주제와 자주 겹치는데, 이들은 이후 생물물리학(biophysics), 생화학(biochemistry), 물리화학(physical chemistry) 등으로 분화되었다.

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물리학의 특징

1. 물리학은 관측과 정량적인 측정에 기초한 실험과학이다.

- 물리학의 목표 중 하나는 자연현상을 지배하는 한정된 수의 기본법칙을 찾아 임의로 설정한 실험 결과들을 예측할 수 있는 이론을 개발하는 것이다.

- 이론(theory): 이해와 설명 그리고 주어진 문제에 대한 특정한 견해를 만드는 분석 도구, 자연계의 어떤 양상에 대한 확립된 설명으로서 사실, 법칙, 추론, 그리고 검증된 가설을 포함한다.

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2. 물리학에서의 수학적 표기법(mathematical notation)은 실험으로부터 도출된 이론을 설명하는 언어와 같다.

- 수학적 표기법: 수학적 표기법이란, 정량화될 수 있는 대상과 사고를 일관된 상징기호로 나타낼 수 있는 언어 체계이다(Mathematical notation is a system of symbolic representations of mathematical objects and ideas.).

- 수학적 표기법을 활용하기 위해서 숫자(numbers)와 연산자(operators: '+', '-' 등), 그리고 개념기호(conceptual symbols: dy/dx 등)를 정확하게 이해하고 있어야 한다.

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※ 이론의 특징

1. 과학에서의 이론은 실재(reality)와 실재 간의 관계를 구성요소로 갖는다.

- 우리는 여러 대상, 사물, 그리고 사람이 존재하는 실재적 존재의 세계에 산다.

- 실재의 대상, 사물 등은 우리의 원함(wanting)이나 선호(preference)와 무관하게 존재한다.

- 이성을 사용한 사물에 대한 지식이나 양상의 법칙, 그리고 상호연관성은 그 자체로 믿을만한 지침이 된다.

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2. 반증되지 않는 한, 이론은 진실임이 원칙이다.

- The theory is true until disproved.

- 단, 이론의 진실성은 반증가능성 또한 가진다. 반증가능성에 대한 '도전'에 대해 응전을 성공했을 때만, 이론은 진실로 판명난다.

In physics, the term theory is generally used for a mathematical framework - derived from a small set of basic postulates - which is capable of producing experimental predictions for a given category of physical system.

3. 이론은 제한된 조건을 전제로 하고, 이론적 예측이 실험 결과와 다르다면 그 모순을 제거하기 위한 새로운 이론 또는 수정된 이론(revised theory)이 제시되어야 한다.

e.g. 빛의 속력에 근접한 물체의 운동을 설명할 때, Einstein의 상대성 이론은 Newton의 역학의 수정된 이론이다.