[물리학-고전역학] 01. 물리학에 관하여 | What is Physics

 

물리학(physics): 자연과학의 한 분야로 물질을 중심으로 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 연관된 에너지와 힘을 연구하는 학문

• 물체의 운동 등 물리현상을 수리 모형을 통해 설명하는 것이 특징

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Physics is the nature science that studies matters, its motion, and behaviour through space and time.

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물리학이란 시공간에 걸친 물체와 그 물체의 거동을 탐구하는 자연과학이다.
Wikipedia

 

Physics is the study of your world and the universe around you.

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물리학은 당신과 당신 주위의 우주를 배우는 학문이다.

Holzner, 2006, 『Physics for Dummies』, p.7

 

Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature.

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자연과학이란 자연이 갖는 질서와 연관된 지식의 총체이다.

Maxwell, 1878, 『Matter and Motion』, p.9

 

물리학의 목표 중 하나는 수학적 논리를 통해 다양한 물리적 현상을 설명하고 나아가 예측하는 것이다. ⇒ 자연 거동의 논리적 이해가 물리학의 핵심과제이다.

• 물리학에서 수학이란, 물리학적 (1)양, (2)구조, (3)공간, (4)변화의 개념을 수로 표현할 수 있는 수단이다.
• 물리학의 한 가지 신념은, 수학을 통해 우주에서 발생하는 여러 개념 및 문제를 단순 명료하게 만들 수 있다는 점이다.

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Physics is intimately connected with mathematics because it brings to life the abstract concepts used in trigonometry, algebra, and calculus.

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물리학은 추상적인 개념에 생명을 불어다 넣어주는 수학과 매우 친밀하게 연결되어 있다.

Bauer, 2014, 『University Physics』, p.8

 

물리학의 세부 분야

Branches of Physics

 

물리학의 세부 분야는 탐구의 대상에 따라 그 종류가 매우 다양할 수 있으나 역사적인 관점에서는 1900년대를 기점으로 상대성 이론과 양자역학이 나오기 이전의 물리학을 통칭하여 (1)고전물리학(classical physics)으로, 1900년대 이후 발전한 물리학을 (2)현대물리학(modern physics)으로 묶어 생각[그림 1]한다.

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1. 고전역학: 원자보다는 상대적으로 크고, 빛의 속력에 비해서는 아주 느리게 움직이는 물체의 운동을 다루는 역학
2. 열역학: 열, 일, 온도, 그리고 수많은 입자들로 구성된 계의 통계적 성질을 다루는 역학
3. 전자기학: 전기, 자기적 현상을 다루는 물리학 세부 분야.
4. 광학: 빛의 성질 및 빛과 물질의 상호작용을 다루는 물리학 세부분야, 광학에서 다루는 빛은 전자기파의 가시광선에 속한다.
5. 현대물리학: 상대성이론과 양자역학을 포함한 최신 물리학

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• 역학(mechanics): 힘이 작용할 때의 물체의 거동을 다루는 거시적인 분야로 다루는 물체의 종류에 따라 (1)강체 역학, (2)가변체(변형체) 역학, (3)열-통계역학으로 정리한다. (1)과 (2)는 단일 물체의 변형 가능성을 두고 분류하는 반면, (3)은 미시적인 관점에서 분자 집단의 통계적 거동을 다룬다.
• 상대성 이론(theory of relativity): 빛의 속력과 유사한 속력으로 움직이는 경우를 포함하여 가능한 모든 속력으로 움직이는 물체를 다루는 현대물리학의 한 분야
• 양자역학(quantum mechanics): 미시적인 수준에서 관측된 물질의 성질을 거시적인 측정값과 연결하는 현대물리학의 한 분야

 

그림 1. 고전물리학과 현대물리학의 탐구 분야 [출처: Wikibooks]

 

 

물리학은 광범위한 연구 범위의 결과로 화학 및 생물학과도 많은 주제가 겹친다.

• 생물물리학(bigphysics): 물리학의 이론 및 방법을 이용하여 복잡한 생물계의 문제를 설명하려는 복합 분야
• 물리화학(physical chemistry): 화학의 연구 중 화학적 과정을 질량, 운동, 열, 전기, 복사 등의 물리적 성질로 해석하려는 복합 분야
• 정신물리학(psychophysics): 물리적 자극과 이를 수용하는 인간의 감각·지각 사이의 관계를 연구하는 심리학의 한 분야

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물리학의 특징

Characteristics of Physics

 

물리학은 관측과 정량적인 측정에 기초한 실험과학이다.

• 물리학의 목표 중 하나는 자연현상을 지배하는 한정된 수의 기본법칙을 찾아 임의로 설정한 실험의 결과를 예측할 수 있는 이론을 개발하는 것이다.
• 이론(theory): 이해와 설명, 그리고 주어진 문제에 대한 특정한 견해를 만드는 분석 도구로 자연계에서의 어떤 양상에 대한 확립된 (1)사실 설명, (2)법칙, (3)추론, 그리고 (4)검증된 가설을 포함한다.

 

In physics, the term physics 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.

 

• 반증 이전까지 theory는 진실로 가정한다. 이론은 제한된 조건을 전제로 진실되며, 이후 이론적 예측이 실험결과와 다르다면 그 모순(contradiction)을 제거하기 위한 새로운 이론 또는 수정된 이론이 제시되어야 한다.

 

Theories are considered being true until disproved.

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이론은 반증되기 전까지 진실로 가정한다.

 

• 관측과 정량적 측정은 수학적 표기법(mathematical notation)에 기반하여 작성된다. 수학적 표기법을 활용해 물리학은 그 notation을 아는 어떤 사람이 언제든 보아도 같은 의미로 해석할 수 있게 된다.
• 수학적 표기법[그림 2]은 수학적으로 표현 가능한 대상을 엄밀하게 나타내기 위해 (1)숫자, 기호를 사용하고, (2)이를 표현식, 공식 등으로 조합하는 일련의 과정을 모두 포함한다.

 

그림 2. 수학적 표기법의 역사