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물리학
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물리학(한국 한자: 物理學, 영어: physics)은 물질과[1] 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다.[2] 가장 기초적인 과학의 한 분야로, 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떤 식으로 운동하는가를 논리적으로 이해하는 것 즉, 모든 물체의 운동 원리를 규명하는 것이다.[3][4] 즉, 인간이 과거 철학을 통해 자연법칙에 대해 물어왔던 근본적인 질문들이 오늘날 물리학을 통해 해결되고 있다.[5]
2천 년 이상의 기간 동안 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철학의 일부였지만, 17세기 과학 혁명 이후 엄격한 과학적 방법을 사용하여 경험적 지식만을 다루게 되면서 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문으로 자리잡게 되었다.
유럽 언어에서 물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 고대 그리스어: φύσις 피시스[*]에서 유래하였다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 《자연학》(Φυσικῆς ἀκροάσεως)에서 여러 가지 운동에 대해 설명하였다. 아리스토텔레스 이후 서양 언어에서는 물체의 운동과 그에 미치는 힘 등을 연구하는 학문을 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었다. 예를 들어, 영어: physics 피직스[*], 프랑스어: physique 피지크[*], 독일어: Physik 퓌지크[*] 등이다. 한자 문화권의 물리(物理)라는 낱말은 메이지 시대 일본에서 난학이라 부르던 네덜란드를 중심으로 한 서양 문물을 도입하는 과정에서 만들어졌다.[6]
갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 수리 모형(數理 模型)을 통해 설명하고자 하였다. 아이작 뉴턴은 고전 역학을 수립하였다. 조제프루이 라그랑주와 같은 학자들은 물리학에서 다루는 모든 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였다. 현대 물리학에서도 수리 모형은 예측과 가설 검증의 주요한 수단으로 사용된다. 특히 물리학이 다루는 수리 모형과 관련된 연구를 하는 학문을 수리물리학이라고 한다.
고전 역학의 성립으로 천체에서부터 사과와 같은 작은 것에 이르기까지 대부분의 물체가 나타내는 운동을 설명하고 예측할 수 있게되자, 충분한 조건만 주어진다면 우주에 있는 모든 것의 상태를 물리학을 통하여 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 널리 받아들여지기도 하였다. 그러나 20세기 초, 원자·분자·소립자 등 미시세계를 다루는 양자역학이 발달하면서 자연 현상의 예측에는 본질적으로 불확실성이 있음이 알려졌다. 20세기 후반에 발전한 혼돈 이론에서는 양자역학이 다루는 미시세계에서 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시세계에서도 예측 불가능성이 있을 수 있다는 점이 밝혀졌다. 이는 미시세계에서 나타나는 불확실성과는 다른 것으로 초기 조건을 완벽히 알 수 없다는 점에 기인한다.
현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉜다. 다루는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험물리학으로 구분되기도 한다. 또한, 역학, 전자기학, 광학과 같이 특정한 분야별로 나뉘어 불리기도 한다. 한편, 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과도 학제간 연구가 활발히 이루어지고 있다. 물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학 (Elementary Science)이라고 불린다.
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핵심 이론
요약
관점
물리학은 매우 광범위하고 다양한 시스템을 다루지만, 일부 특정한 이론들은 모든 물리학자들에게 공통적으로 사용됩니다. 이러한 이론들 각각은 수많은 실험을 통해 검증되었으며, 자연에 대한 적절한 근사치로 인정받았다. 이 중심 이론들은 더욱 전문적인 연구 주제를 탐구하는 데 중요한 도구이며, 어떤 분야를 전공하든 모든 물리학자는 이들 이론에 능통해야 합니다. 이 핵심 이론에는 고전 역학, 양자 역학, 열역학과 통계 역학, 전자기학, 그리고 특수 상대성 이론이 포함된다.
고전 물리학과 현대 물리학의 구분
20세기 첫 수십 년 동안, 양자 역학과 상대성 이론의 발견으로 물리학은 혁명적으로 변화했다. 이러한 변화는 매우 근본적이어서 이 새로운 개념들이 "현대 물리학"의 토대가 되었고, 다른 주제들은 "고전 물리학"이 되었다. 물리학 응용 분야의 대다수는 본질적으로 고전적이다. [7]:xxxi 고전 물리학의 법칙은 중요한 길이 스케일이 원자 규모보다 크고, 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 시스템을 정확하게 설명한다.[7]:xxxii 이 영역을 벗어나는 관측 결과는 고전 역학이 제공하는 예측과 일치하지 않는다. [8]:6
고전 이론
고전 물리학은 20세기 초가 시작되기 이전에 인식되고 잘 발전되었던 전통적인 분야와 주제들을 포함해. 여기에는 고전 역학, 열역학, 그리고 전자기학이 있다.[8]:2 고전 역학은 힘의 영향을 받는 물체와 운동 상태에 있는 물체를 다루며, 정역학 (가속을 받지 않는 물체나 물체들에 작용하는 힘을 연구), 운동학 (운동의 원인을 고려하지 않고 운동 자체를 연구), 그리고 동역학 (운동과 그 운동에 영향을 미치는 힘을 연구)으로 나눌 수 있다. 역학은 또한 고체 역학과 유체 역학으로도 나눌 수 있으며 (이 둘을 합쳐 연속체 역학이라고 함), 유체 역학에는 정수역학, 유체동역학, 그리고 기체역학과 같은 분야가 포함된다.
음향학은 소리가 어떻게 생성, 제어, 전달, 그리고 수신되는지를 연구하는 학문이다. [9] 음향학의 중요한 현대 분야에는 초음파학 (인간의 가청 범위를 넘어선 매우 높은 주파수의 음파를 연구), 생물음향학 (동물의 소리와 청각의 물리학을 연구), [10] 그리고 전기음향학 (전자 장치를 사용하여 가청 음파를 조작하는 분야)이 포함된다. [11]
광학은 빛을 연구하는 학문으로, 가시광선뿐만 아니라 적외선과 자외선복사도 다루는데, 이들은 가시성을 제외한 가시광선의 모든 현상, 예컨대 빛의 반사, 굴절, 간섭, 회절, 분산, 그리고 편광을 나타낸다. 열은 에너지의 한 형태로, 물질을 구성하는 입자들이 지니는 내부 에너지이다. 열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다룬다. 전기와 자기(magnetism)는 19세기 초에 그들 사이의 긴밀한 연관성이 발견된 이후로 물리학의 단일 분야로 연구되어 왔다. 전류는 자기장을 발생시키고, 변화하는 자기장은 전류를 유도한다. 정전기학(Electrostatics)은 정지 상태의 전하(electric charges)를 다루고, 전자기학(electrodynamics)은 움직이는 전하를, 그리고 정자기학은 정지 상태의 자기극(magnetic poles)을 다룬다.
현대 이론
20세기 첫 수십 년 동안 이루어진 상대성 이론과 양자 역학의 발견은 그때까지 개발된 대부분의 물리 이론의 실질적인 가치를 줄이지 않으면서도 물리학의 개념적 기반을 변형시켰다. 결과적으로 물리학의 주제들은 "고전 물리학"과 "현대 물리학"으로 나뉘게 되었으며, 후자 범주에는 양자 역학과 상대성 이론과 관련된 효과들이 포함된다.[12]:2 고전 물리학은 일반적으로 일반적인 관찰 규모에서의 물질과 에너지를 다루는 반면, 현대 물리학의 상당 부분은 극한 조건이나 매우 크거나 매우 작은 규모에서의 물질 및 에너지의 행동을 다룬다. 예를 들어, 원자 물리학과 핵물리학은 화학 원소가 식별될 수 있는 가장 작은 규모의 물질을 연구한다. 입자 물리학은 물질의 가장 기본적인 단위와 관련되므로 이보다 훨씬 더 작은 규모를 다룬다. 이 물리학 분야는 입자 가속기에서 많은 종류의 입자를 생성하는 데 극도로 높은 에너지가 필요하기 때문에 고에너지 물리학이라고도 알려져 있다. 이 규모에서는 공간, 시간, 물질, 그리고 에너지에 대한 일반적이고 상식적인 개념이 더 이상 유효하지 않다. [13]
현대 물리학의 두 가지 주요 이론은 고전 물리학에서 제시하는 것과는 다른 공간, 시간, 물질 개념에 대한 그림을 제시합니다. 고전 역학은 자연을 연속적인 것으로 근사하는 반면, 양자 이론은 원자 및 아원자 수준에서 많은 현상의 불연속적인 특성과 그러한 현상을 설명하는 데 있어 입자와 파동의 상보적인 측면에 관심을 갖습니다. 상대성 이론은 관찰자에 대해 운동하는 기준계 에서 발생하는 현상을 설명하는 것과 관련이 있으며, 특수 상대성 이론은 중력장이 없는 운동과 관련이 있고, 일반 상대성 이론은 운동과 중력 과의 관계에 관련이 있습니다. 양자 이론과 상대성 이론 모두 현대 물리학의 많은 분야에서 응용됩니다. [14]
현대 물리학의 근본을 이루는 핵심 개념은 다음과 같다.
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연구
요약
관점
과학적 방법
물리학자들은 과학적 방법을 사용하여 물리 이론의 타당성을 시험한다. 이론의 함의를 관련 실험과 관찰에서 도출된 결론과 비교하는 체계적인 접근법을 사용함으로써, 물리학자들은 논리적이고 편향되지 않으며 반복 가능한 방식으로 이론의 타당성을 더 잘 시험할 수 있다. 이를 위해, 이론의 타당성 또는 부당성을 결정하기 위해 실험을 수행하고 관찰을 한다.[15]
과학 법칙은 어떤 이론의 근본적인 원리를 표현하는 관계에 대한 간결한 언어적 또는 수학적 진술이다. 예를 들어, 뉴턴의 만유인력 법칙 같은 것이 여기에 해당한다. [16]
이론과 실험
이론가들은 기존의 실험과 일치하고 미래의 실험 결과를 성공적으로 예측하는 수학적 모델을 개발하고자 노력하는 반면, 실험가들은 이론적 예측을 시험하고 새로운 현상을 탐구하기 위해 실험을 고안하고 수행한다. 비록 이론과 실험이 개별적으로 개발되지만, 이들은 서로에게 강력하게 영향을 미치고 의존한다. 물리학의 진보는 종종 기존 이론으로는 설명할 수 없는 실험 결과가 나올 때 발생하는데, 이는 적용 가능한 모델링에 집중하게 하며, 새로운 이론이 실험적으로 시험 가능한 예측을 생성할 때 발생하여 새로운 실험 (그리고 종종 관련 장비)의 개발을 촉진한다. [17]
이론과 실험의 상호 작용 분야에서 일하는 물리학자들을 현상학자라고 부르는데, 이들은 실험에서 관찰된 복잡한 현상을 연구하고 그것들을 근본 이론과 연결하기 위해 노력한다. [18]
이론 물리학은 역사적으로 철학에서 영감을 얻어왔는데, 전자기학도 이러한 방식으로 통일되었다.[19] 알려진 우주를 넘어서, 이론 물리학 분야는 평행 우주, 다중 우주, 그리고 고차원과 같은 가상의 문제들도 다룬다.[20] 이론가들은 기존 이론의 특정 문제들을 해결하기를 희망하며 이러한 아이디어들을 활용하고, 그 아이디어들의 결과를 탐구하며 시험 가능한 예측을 만들도록 노력한다.
실험 물리학은 공학 및 기술을 확장시키고, 또 그 기술에 의해 확장된다. 기초 연구에 참여하는 실험 물리학자들은 입자 가속기나 레이저와 같은 장비를 가지고 실험을 설계하고 수행하는 반면, 응용 연구에 참여하는 사람들은 종종 산업 분야에서 일하며, 자기 공명 영상(MRI)이나 트랜지스터와 같은 기술을 개발한다. 파인만은 실험가들이 이론가들에 의해 잘 탐구되지 않은 영역을 찾을 수도 있다고 언급했다. [21]
범위 및 목표
물리학은 기본 입자 (쿼크, 중성미자, 전자와 같은)에서부터 가장 큰 초은하단에 이르기까지 광범위한 현상을 다룬다. 이러한 현상에는 다른 모든 것을 구성하는 가장 기본적인 객체들이 포함된다. 따라서 물리학은 때때로 "근본 과학"이라고 불린다. 물리학은 자연에서 발생하는 다양한 현상들을 더 단순한 현상들의 관점에서 설명하는 것을 목표로 한다. 따라서 물리학은 인간이 관찰할 수 있는 것들을 근본 원인과 연결하고, 그 다음 이러한 원인들을 서로 연결하는 것을 목표로 한다. [22]
예를 들어, 고대 중국인들은 특정 돌 (자철석과 마그네타이트)이 보이지 않는 힘에 의해 서로 끌어당겨진다는 것을 관찰했다. 이 효과는 나중에 자기라고 불렸고, 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었다. 그러나 중국인이 자기를 발견하기 훨씬 이전에 고대 그리스인들은 호박과 같이, 털로 문지르면 둘 사이에 유사한 보이지 않는 인력을 유발하는 다른 물체들을 알고 있었다.[23] 이것 역시 17세기에 처음으로 엄밀하게 연구되었고 전기라고 불리게 되었다. 그리하여 물리학은 두 가지 자연 현상에 대한 관찰을 어떤 근본적인 원인(전기)과 자기)의 관점에서 이해하게 되었다. 하지만, 19세기 추가적인 연구를 통해 이 두 힘이 하나의 힘인 전자기의 두 가지 다른 측면일 뿐이라는 사실이 밝혀졌다. 이러한 힘을 "통일"하는 과정은 오늘날에도 계속되고 있으며, 전자기와 약한 핵력은 현재 전약력의 두 가지 측면으로 간주된다. 물리학은 자연이 왜 그러한지(아래 현재 연구 섹션 참조)에 대한 궁극적인 이유를 찾기를 희망한다(만물의 이론(theory of everything)). [24]
현재 연구
물리학에서의 연구는 수많은 분야에서 지속적으로 발전하고 있다.
응집 물질 물리학에서, 중요한 미해결 이론적 문제는 고온 초전도 현상이다. [25] 많은 응집 물질 실험들은 작동 가능한 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터를 제작하는 것을 목표로 하고 있다.[26] [27]
입자 물리학에서는 표준 모형을 넘어서는 물리학에 대한 최초의 실험적 증거들이 나타나기 시작했다. 이 중 가장 중요한 것은 중성미자가 0이 아닌 질량을 가진다는 징후이다. 이러한 실험 결과들은 오랫동안 지속되어 온 태양 중성미자 문제를 해결한 것으로 보이며, 질량을 가진 중성미자의 물리학은 여전히 활발한 이론적 및 실험적 연구 영역으로 남아 있다. 거대 하드론 충돌기는 이미 힉스 보손을 발견했지만, 미래의 연구는 입자 물리학의 표준 모형을 확장하는 초대칭성을 입증하거나 반증하는 것을 목표로 한다. 암흑 물질과 암흑 에너지라는 주요 수수께끼의 본성에 대한 연구 또한 현재 진행 중이다. [28]
고에너지, 양자, 그리고 천문학 물리학에서는 많은 진전이 있었지만, 복잡성[29], 혼돈[30], 또는 난류[31]와 관련된 많은 일상적인 현상들은 여전히 제대로 이해되지 않고 있다. 동역학 및 역학의 영리한 적용으로 해결될 수 있을 것 같은 복잡한 문제들은 여전히 미해결 상태로 남아 있다. 예를 들어 모래 더미의 형성, 물이 졸졸 흐를 때의 마디, 물방울의 모양, 표면 장력 파국의 메커니즘, 흔들리는 이종(異種) 모음집에서의 자체 정렬 등이 있다.[32] [33]
이러한 복잡한 현상들은 1970년대 이후 복잡계를 새로운 방식으로 모델링할 수 있게 해준 현대적인 수학적 방법과 컴퓨터의 가용성을 포함하여 여러 이유로 인해 점차 더 많은 관심을 받아왔다. 복잡계 물리학 연구는 공기역학에서의 난류 연구나 생물학적 시스템에서의 패턴 형성 관찰과 같이 점차 학제 간 연구의 일부가 되었다. 1932년 Annual Review of Fluid Mechanics에서 호러스 램은 다음과 같이 말했다. [34]
"나는 이제 늙었고, 죽어 천국에 가면 깨달음을 얻고 싶은 두 가지 문제가 있다. 하나는 양자 전기역학이고, 다른 하나는 유체의 난류이다. 그리고 전자(양자 전기역학)에 대해서는 꽤 낙관적이다."
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주요 분야 및 세부 영역
요약
관점
물리학의 분야에는 고전 역학; 열역학과 통계 역학; 전자기학과 광학; 상대성 이론; 양자 역학, 원자 물리학, 분자 물리학; 광학과 음향학; 응집 물질 물리학; 고에너지 입자 물리학과 핵 물리학; 그리고 혼돈 이론과 우주론; 그리고 학제 간 분야가 포함된다.
20세기 이후, 개별 물리학 분야는 점점 더 전문화되었으며, 오늘날 대부분의 물리학자들은 자신의 경력 전체 동안 단 하나의 분야에서만 일한다. 아인슈타인(1879~1955)이나 레프 란다우(1908~1968)와 같이 여러 물리학 분야에서 활동했던 "보편주의자"들은 이제 매우 드물다.
물리학 분야의 현대 연구는 크게 핵 물리학,응집물질물리학, 원자·분자· 광학, 천체 물리학, 그리고 응용 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과는 물리학 교육 연구와 물리학 대외 활동(outreach)도 지원한다.[35]
핵과 입자
입자 물리학은 물질과 에너지의 기본 구성 요소와 그들 사이의 상호 작용을 연구하는 학문이다. [36] 또한, 입자 물리학자들은 이러한 연구에 필요한 고에너지 가속기 [37], 검출기 [38], 및 컴퓨터 프로그램 [39] 을 설계하고 개발한다. 이 분야는 많은 기본 입자가 자연적으로 발생하지 않고 다른 입자들의 고에너지 충돌 과정에서만 생성되기 때문에 "고에너지 물리학"이라고도 불린다. [40]
현재, 기본 입자와 장(場)의 상호작용은 표준 모형(Standard Model)으로 설명된다.[41] 이 모형은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기적 기본 힘을 통해 상호작용하는 12개의 알려진 물질 입자(쿼크와 렙톤)를 설명한다.[41] 역학은 물질 입자들이 각각 게이지 보손(글루온, W 및 Z 보손, 광자)을 교환하는 방식으로 설명된다.[42] 표준 모형은 또한 힉스 보손(Higgs boson)이라고 알려진 입자를 예측한다.[41] 2012년 7월, 유럽 입자 물리학 연구소인 CERN은 힉스 메커니즘의 필수적인 부분인 힉스 보손과 일치하는 입자를 검출했다고 발표하였다.[43]
핵 물리학은 원자핵의 구성 요소와 상호작용을 연구하는 물리학 분야이다. 핵 물리학의 가장 잘 알려진 응용 분야는 원자력 발전과 핵무기 기술이지만, 이 연구는 핵의학 및 자기 공명 영상, 재료 공학에서의 이온 주입, 지질학과 고고학에서의 방사성 탄소 연대 측정 등 많은 분야에 응용되었다.
원자, 분자 및 광학
원자, 분자, 광 물리학(AMO)은 단일 원자와 분자 규모에서 물질—물질 및 빛—물질 간의 상호작용을 연구하는 학문이다. 이 세 영역은 상호 관계, 사용되는 방법론의 유사성, 그리고 관련 에너지 규모의 공통성 때문에 함께 묶인다. 세 영역 모두 고전적, 반고전적 및 양자적 처리를 포함하며, 거시적 관점(macroscopic view)과는 대조적으로 미시적 관점(microscopic view)에서 대상을 다룰 수 있다.
원자 물리학은 원자의 전자 껍질을 연구한다. 현재 연구는 양자 제어, 원자 및 이온의 냉각 및 포획,[44][45][46] 저온 충돌 역학, 그리고 전자 상관관계가 구조와 역학에 미치는 영향에서의 활동에 중점을 둔다. 원자 물리학은 핵의 영향을 받지만(초미세 분할 참조), 핵분열 및 핵융합과 같은 핵 내부 현상은 핵 물리학의 일부로 간주된다.
분자 물리학은 다원자 구조와 물질 및 빛과의 내부 및 외부 상호작용에 중점을 둔다. 광 물리학은 거시적 객체에 의한 고전적 광장(光場)의 제어에 중점을 두기보다 광장(光場)의 근본적인 특성과 미시적 영역에서 물질과의 상호작용에 초점을 맞춘다는 점에서 일반적인 광학과는 구별된다.
응집 물질
응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 특성을 다루는 물리학 분야이다.[47][48] 특히, 응집 물질 물리학은 시스템 내 입자의 수가 매우 많고 그들 사이의 상호작용이 강할 때마다 나타나는 "응집된" 상(相)과 관련이 있다.[49]
가장 친숙한 응집상(Condensed phases)의 예는 원자 사이의 전자기력에 의한 결합으로 발생하는 고체와 액체이다.[50] 더 이국적인 응집상에는 매우 낮은 온도에서 특정 원자 시스템에서 발견되는 초유체[51]와 보스-아인슈타인 응축물[52], 특정 물질에서 전도 전자들이 나타내는 초전도상(相)[53], 그리고 원자 격자 위의 스핀들이 보이는 강자성 및 반강자성 상이 포함된다.[54]
응집 물질 물리학은 현대 물리학에서 가장 큰 분야이다. 역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 발전했으며, 고체 물리학은 이제 응집 물질 물리학의 주요 하위 분야 중 하나로 간주된다.[55] 응집 물질 물리학(Condensed matter physics)이라는 용어는 필립 앤더슨(Philip Anderson)이 1967년에 이전에 고체 상태 이론(solid-state theory)이었던 자신의 연구 그룹 이름을 바꾸면서 만들어진 것으로 보인다.[56] 1978년, 미국 물리학회(American Physical Society)의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름이 변경되었다.[55] 응집 물질 물리학은 화학, 재료 과학, 나노기술 및 공학과 광범위하게 중첩된다.[49]
천체 물리학
천체 물리학과 천문학은 물리학의 이론과 방법을 항성 구조, 항성 진화, 태양계의 기원, 그리고 관련 우주론 문제를 연구하는 데 적용하는 학문이다. 천체 물리학은 광범위한 주제이므로, 천체 물리학자들은 일반적으로 역학, 전자기학, 통계 역학, 열역학, 양자 역학, 상대성 이론, 핵 및 입자 물리학, 그리고 원자 및 분자 물리학을 포함한 많은 물리학 분야를 적용한다.[57]
1931년 칼 잰스키(Karl Jansky)가 천체에서 전파 신호가 방출된다는 것을 발견함으로써 전파 천문학이라는 과학이 시작되었다. 가장 최근에는 우주 탐사를 통해 천문학의 영역이 확장되었다. 지구 대기로 인한 교란과 간섭으로 인해 적외선, 자외선, 감마선, X선 천문학 연구에는 우주 기반 관측이 필수적이다.
물리 우주론은 우주의 가장 큰 규모에서의 형성과 진화를 연구하는 학문이다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성 이론은 모든 현대 우주론 이론에서 중심적인 역할을 한다. 20세기 초, 허블 다이어그램(Hubble diagram)로 나타난 바와 같이 우주가 팽창하고 있다는 허블의 발견은 정상 우주론(steady state universe)와 빅뱅론(Big Bang)이라는 경쟁적인 설명을 촉발하였다.
빅뱅은 빅뱅 핵합성(Big Bang nucleosynthesis)의 성공과 1964년 우주 마이크로파 배경(cosmic microwave background)의 발견으로 확인되었다. 빅뱅 모형은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 우주론 원리라는 두 가지 이론적 기둥에 기초한다. 우주론자들은 최근 우주 급팽창(cosmic inflation), 암흑 에너지(dark energy), 그리고 암흑 물질(dark matter)을 포함하는 우주 진화의 ΛCDM 모형(Lambda-Cold Dark Matter model)을 확립하였다.
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기타 측면
요약
관점
철학
물리학은 나머지 과학과 마찬가지로 물리적 세계에 대한 지식을 발전시키기 위해 과학 철학과 그 "과학적 방법"에 의존한다[58]. 과학적 방법은 주어진 이론의 타당성을 측정하기 위해 베이지안 추론(Bayesian inference)의 사용뿐만 아니라 선험적 추론과 후험적 추론을 사용한다.[59] 물리학을 둘러싼 철학적 문제에 대한 연구인 물리학 철학(philosophy of physics)은 공간과 시간의 본질, 결정론, 경험주의, 자연주의, 실재론과 같은 형이상학적 관점과 같은 문제들을 포함한다.[60]
많은 물리학자들이 자신들의 연구의 철학적 함의에 대해 글을 썼으며, 예를 들어 인과적 결정론을 옹호한 라플라스[61], 그리고 양자 역학에 대해 쓴 에르빈 슈뢰딩거 가 있다.[62][63] 수학 물리학자 로저 펜로즈는 스티븐 호킹에 의해 플라톤주의자라고 불렸는데[64], 이는 펜로즈가 자신의 저서인 현실로 가는 길(The Road to Reality)에서 논하는 견해이다.[65] 호킹은 스스로를 "부끄러워하지 않는 환원주의자(unashamed reductionist)"라고 칭하며 펜로즈의 견해에 이의를 제기하였다.[66]
수학은 자연의 질서를 설명하는 데 사용되는 간결하고 정확한 언어를 제공한다. 이것은 피타고라스 [67], 플라톤 [68], 갈릴레오 [69], 그리고 뉴턴에 의해 언급되고 옹호되었다. 힐러리 퍼트넘(Hilary Putnam)과 페넬로페 매디(Penelope Maddy)와 같은 일부 이론가들은 논리적 진리, 그리고 그에 따른 수학적 추론이 경험적 세계에 의존한다고 주장한다. 이것은 일반적으로 논리의 법칙이 세계의 구조적 특징에서 발견되는 보편적인 규칙성을 표현하며, 이는 이 분야들 사이의 특이한 관계를 설명할 수 있다는 주장과 결합된다.
물리학은 실험 결과를 정리하고 공식화하기 위해 수학을 사용한다.[70] 이러한 결과로부터 정확하거나 추정된 해답 또는 정량적 결과가 얻어지며, 이를 통해 새로운 예측을 하고 실험적으로 확인하거나 부정할 수 있다. 물리학 실험의 결과는 수치 데이터이며, 여기에는 측정 단위와 측정 오차 추정치가 포함된다. 계산(computation)과 같은 수학 기반 기술은 계산 물리학(computational physics)을 활발한 연구 분야로 만들었다.
존재론은 물리학의 전제 조건이지만, 수학의 전제 조건은 아니다. 이는 물리학은 궁극적으로 현실 세계에 대한 설명에 관심을 두는 반면, 수학은 현실 세계를 넘어선 추상적인 패턴에 관심을 둔다는 것을 의미한다. 따라서 물리학의 진술은 종합적(synthetic)인 반면, 수학적 진술은 분석적(analytic)이다. 수학에는 가설이 포함되는 반면, 물리학에는 이론이 포함된다. 수학적 진술은 논리적으로만 참이면 되는 반면, 물리학적 진술의 예측은 관찰 및 실험 데이터와 일치해야 한다.
그 구분은 명확하지만, 항상 분명한 것은 아니다. 예를 들어, 수리물리학(mathematical physics)은 물리학에서 수학을 응용한 분야이다. 그 방법은 수학적이지만, 그 주제는 물리적이다.[71] 이 분야의 문제들은 "물리적 상황"(시스템)의 수학적 모델"과 그 시스템에 적용될 "물리 법칙에 대한 수학적 설명"으로 시작된다. 문제 해결을 위해 사용되는 모든 수학적 진술은 찾기 어려운 물리적 의미를 가지고 있다. 최종 수학적 해답은 풀이자가 찾는 것이기 때문에 더 쉽게 찾을 수 있는 의미를 가진다.
기초 물리학 vs. 응용 물리학
물리학은 기초 과학(fundamental science, 기본 과학이라고도 불림)의 한 분야이다. 물리학은 화학, 천문학, 지질학, 생물학을 포함한 모든 자연 과학 분야가 물리학 법칙에 의해 제약되기 때문에 "기초 과학(fundamental science)"이라고도 불린다. 마찬가지로, 화학은 물리 과학들을 연결하는 역할 때문에 종종 중심 과학(the central science)이라고 불린다. 예를 들어, 화학은 물질의 성질, 구조, 반응을 연구한다(분자 및 원자 규모에 초점을 맞추는 것이 화학을 물리학과 구별한다). 구조는 입자들이 서로에게 전기력을 가하여 형성되며, 성질에는 주어진 물질의 물리적 특성이 포함되고, 반응은 에너지, 질량, 전하 보존과 같은 물리학 법칙에 의해 제약된다. 기초 물리학은 현상 자체에 대한 더 깊은 통찰력 외에 특정한 실용적 응용을 목표로 하지 않고, 모든 영역의 현상을 더 잘 설명하고 이해하고자 한다.
응용 물리학은 특정 용도를 목적으로 하는 물리학 연구 및 개발을 위한 일반적인 용어이다. 응용 물리학 교육 과정에는 일반적으로 지질학이나 전기 공학과 같은 응용 분야의 몇 가지 수업이 포함된다. 응용 물리학자는 특정 무언가를 설계하고 있지 않을 수 있고, 오히려 새로운 기술을 개발하거나 문제를 해결하려는 목표를 가지고 물리학을 사용하거나 물리학 연구를 수행한다는 점에서 일반적으로 공학과는 다르다.
이 접근 방식은 응용수학과 유사하다. 응용 물리학자들은 과학 연구에서 물리학을 사용한다. 예를 들어, 가속기 물리학을 연구하는 사람들은 이론 물리학 연구를 위해 더 나은 입자 검출기를 만들고자 할 수 있다.
물리학은 공학에서 매우 많이 사용된다. 예를 들어, 역학의 하위 분야인 정역학은 교량 및 기타 정적인 구조물을 건설하는 데 사용된다. 음향학에 대한 이해와 사용은 소음 제어 및 더 나은 콘서트홀로 이어진다. 유사하게, 광학의 사용은 더 나은 광학 장치를 만든다. 물리학에 대한 이해는 더 현실적인 비행 시뮬레이터, 비디오 게임 및 영화를 만들고, 종종 법의학 수사에서 매우 중요하다.
물리학 법칙이 보편적이며 시간에 따라 변하지 않는다는 일반적인 합의를 바탕으로, 물리학은 보통 불확실성에 빠져들 수 있는 것들을 연구하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 지구의 기원 연구에서 물리학자는 합리적으로 지구의 질량, 온도, 자전 속도를 시간의 함수로 모형화할 수 있으며, 이는 시간을 앞뒤로 외삽(extrapolation)하여 미래 또는 이전 사건을 예측할 수 있도록 한다. 또한 이는 새로운 기술의 개발 속도를 높이는 공학 시뮬레이션도 가능하게 한다.
또한 상당한 학제 간 연구(interdisciplinarity)가 있어, 다른 많은 중요한 분야들이 물리학의 영향을 받는다(예: 경제 물리학(econophysics) 및 사회 물리학(sociophysics) 분야).
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범주와 목표
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다. 물체의 운동 및 제반 자연현상(물과 공기의 흐름, 전류, 원자의 움직임 등)의 메커니즘을 규명하고 그러한 현상의 미래를 예측하는 것이다.
물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다. 그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시킨다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.
철학
요약
관점
과학 철학
과학철학은 과학의 전제 조건 및 방법, 묵시적으로 인정하는 기초 등을 탐구한다. 즉, 이미 존재하고 있는 과학적 담론, 이론, 방법 등에 대해 반성적으로 고찰하여 〈과학이란 무엇인가?〉라는 질문에 답하는 작업이다.[72]
과학철학은 물리학을 포함한 자연 과학이 다음과 같은 전제 위에 놓여 있다고 본다.
- 자연은 객관적으로 실재하는 것이고 사람은 이를 인지할 수 있다.
- 자연 현상은 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있다.
- 자연 현상이 일어나는 원인을 규명하면 같은 원리를 사용하여 아직 일어나지 않은 일을 예측할 수 있다.
- 자연 현상의 원인과 예측된 결과는 논리적으로 설명될 수 있고 검증 가능하다.
- 어떤 이론을 바탕으로 한 예측이 허용할 수 있는 오차를 넘어 빗나갔다면 그 이론은 더 이상 신뢰할 수 없다.
과학철학의 역할에 대한 견해는 학자마다 다르다. 대략 네 가지의 유형으로 나뉠 수 있는데, 밝혀진 과학 이론을 바탕으로 합리적인 세계관을 형성하는 것이라고 보는 견해가 있는 한편, 과학자들이 과학 연구에서 전제하는 가정들을 반성적으로 고찰하는 것이라는 견해도 있다. 예를 들어 과학자들은 자연 현상에 대해 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있는 규칙성이 있다고 전제한다. 또 다른 견해로는 과학철학이 과학에서 사용되는 개념을 명료하게 구축하는 작업이라는 것이다. 시간, 공간과 같은 용어가 무엇을 뜻하는 지를 분명히 하는 것을 예로 들 수 있다. 끝으로 과학철학이란 과학적 탐구와 그 밖의 탐구가 어떻게 다른지, 과학의 절차는 어떠하여야 하는 지, 올바른 과학적 지식은 어떤 전제를 만족하여야 하는 지 등을 탐구하는 제2준위의 표준설정학이라고 보는 견해가 있다.[73]
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 균형있는 과학의 대중화에도 기여한다.[74]
과학적 방법
과학적 방법은 현상을 연구하고, 새로운 지식을 구축하거나, 이전의 지식들을 모아 통합할 때 사용되는 기법으로[75], 경험과 측정에 근거한 증거를 사용하여 현상의 원리를 밝히는 과정이다.[76] 과학적 방법은 귀납적이며 경험적인 진리를 추구한다. 따라서 과학적 방법으로 얻어진 지식은 철학, 종교, 수학 등 다른 영역에서 다루는 진리와 뚜렷이 구별된다.
과학적 방법은 경험에 입각한 귀납적 결론을 이끌어낸다. 따라서 과학적 방법에 의한 지식은 확고부동한 것이 아니며, 언제나 반증될 가능성이 있다. 즉, 새롭게 얻어진 연구 결과에 따라 과거의 과학 지식이 수정되거나 폐기될 수 있는 것이다.[77] 이 때문에, 아인슈타인은 "아무리 많은 실험을 하더라도 내가 옳다고 단정할 수는 없다. 단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다."라고 하였다.[78]
한편, 카를 구스타프 헴펠(1905년–1997년)이 지적한 것처럼 과학적 방법은 귀납에 의지하기 때문에, 도출된 결론은 통계적인 것이며[79] 가설을 보강하기 위해서는 베이즈 정리에 따른 엄격한 분석이 필요하다.[주해 1] 루트비그 플렉(1896년–1961년)을 비롯한 과학자들은 과학자의 경험 자체가 편향된 것일 수 있으므로 보다 신중하게 접근할 필요가 있다는 점을 지적하였다.[80]
F. N. 컬린저(F. N. Kerlinger)는 과학적 방법의 특징을 다음과 같이 정리하였다.[81]
- 문제의 해결은 상식적 접근보다 논리적 접근을 통해 이루어진다.
- 이론이나 가설은 체계적이고 경험적으로 검증된다.
- 체계적이고 표준화된 관찰이나 실험은 통제를 통하여 이루어진다.
- 사상(事象)들의 체계나 상호관계가 객관성 있고 타당성있게 설명된다.
- 연구자들의 문제에 대한 관심의 정도에 따라 과학적 방법의 의미가 달라질 수 있다.
과학적 방법의 과정을 간단히 차례를 두어 표현하면 다음과 같다.[82]
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역사
요약
관점
인류가 도구를 사용한 이래 물리학적 지식은 생활의 여러 방면에 이용되어왔다. 선사 시대에 이미 빗면, 지레, 바퀴와 같은 단순 기계들을 이용하여 집을 짓고 물건을 운반하며 여러 가지 도구를 만들어 사용하였던 것이다.[주해 2] 또한, 천체를 관측하여 돌이나 고인돌에 새기기도 하였다.[83] 문자가 발명된 이후 여러 고대 문명에서 물리학적 지식을 기록하고 후대에게 가르쳐왔다. 고대 그리스의 자연 철학은 자연에 대한 일반적인 설명을 시도하였다는 측면에서 물리학을 본격적인 학문으로 구축하였다고 볼 수 있다.
중세 시기에도 기계를 개선하고 다양한 방면에 물리학적 지식을 사용하였다. 한편, 알하이탐과 같은 12세기 무렵의 이슬람 과학자들은 자연 현상을 경험적 방법을 통해 관찰하고 기록하여 과학적 방법의 기초를 마련하였다.[84] 르네상스 시기에 들어 서양의 여러 학자들 역시 고대 그리스 시대의 지식을 새롭게 발견하는 한편, 이슬람 과학의 영향을 받아 실험을 중요하게 여기기 시작하였다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견하였고, 이를 수학적 모형으로 서술하여 이후 물리학 발전에 큰 영향을 주었다.[85]
16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 많은 사람들이 물리학의 발전에 공헌하였는데, 르네 데카르트의 직교 좌표계 도입은 큰 의미를 갖는다.[86] 아이작 뉴턴이 완성시킨 고전 역학은 자연에 대한 이해를 새롭게 하였고, 눈으로 볼 수 있는 크기의 모든 물체의 운동에 대해 잘 들어맞는 모형을 제시하였다. 프랑스 수학자 조제프루이 라그랑주는 물리학이 다루는 모든 자연 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였으며 라그랑주 역학을 만들었다. 이어 수 많은 물리학자와 수학자들이 물리 현상을 정확히 설명하는 수리 모형을 발견해 나갔다. 소피 제르맹은 탄성에 대한 방정식을 발견하였고, 레온하르트 오일러는 달의 보다 정확한 위치를 계산하는 알고리즘을 개발하였다. 이러한 수리 모형 수립의 노력은 끊임없이 계속되어 18세기와 19세기를 거치면서 현재 고전물리학이 다루는 대부분의 자연 현상에 대한 수리 모형이 확립되었다. 한편, 과학 혁명 이후 물리학의 발전으로 다양한 자연 현상에 대한 연구와 발견이 이루어졌고 전자기학, 열역학이라는 다른 분야들이 수립된다.
20세기 초, 물리학은 새로운 패러다임의 변화를 겪게 되었다. 한 편에서는 알베르트 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하여 고전 물리학에서 불변량으로 다루어져왔던 시간과 공간(장소)은 더 이상 불변량으로 다루어지지 않고 고전역학의 절대시간과 절대공간의 개념은 폐기되었다. 헤르만 민코프스키가 시간과 공간(장소)가 기하학적으로 통합된 민코프스키 시공간을 도입하면서 더 이상 시간과 장소가 독립적으로 여겨지지 않고 통합된 시공간의 개념으로서 다루어지게 되었다. 다른 한 편에서는 흑체복사의 연구에서부터 시작된 양자역학의 출현으로 우주를 이루는 물질의 상태에 대한 일반적 설명에 근본적인 변화가 불가피하게 되었다.
20세기 후반에 들어 물리학은 다양한 세부 분야로 세분되는 한편, 혼돈 이론, 통일장 이론, 초끈이론과 같은 새로운 이론 물리학 가설들이 생겨났다. 물리학에는 여전히 미해결 문제가 있고 이를 해결하기 위해 많은 물리학자들이 노력하고 있다.
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핵심 이론
물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다. 이들 이론에 대한 연구는 여전히 활발히 지속되고 있지만, 그 중에 근본적으로 잘못된 이론이 있으리라고 믿는 물리학자는 거의 없다. 물리 연구의 기본 도구 역할을 하는 이 이론들 각각은 그 적용 범위 내에서 기본적으로 옳은 것으로 믿어지고 있는데, 예를 들어 원자보다 크고 천체에 비해 매우 가벼우며 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 일상적인 물체의 움직임은 고전역학으로 비교적 정확히 기술된다. 이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
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고전 물리학과 현대 물리학의 차이
물리학은 우주의 법칙을 알아내기 위한 학문이지만, 물리학의 이론은 그것이 적용 가능한 범위 내에 있다. 쉽게 말해서, 고전 물리학의 법칙들은 크기가 원자보다 크고 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 계에 대해 설명한다. 이 범위를 벗어나면, 관측 결과는 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않게 된다. 알베르트 아인슈타인은 절대 공간과 시간의 개념을 시공간의 개념으로 대체하고 빛의 속도에 근접한 구성요소를 갖고 있는 계에 대한 더 정확한 설명을 가능하게 해준 특수 상대성이론을 제시했다. 막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등을 필두로 한 양자역학은 개연론에 의거한 입자와 상호작용에 대한 개념을 제공했고, 이는 원자나 원자보다 작은 크기에 대한 정확한 설명을 가능하게 했다. 후에 양자장론은 양자역학과 특수 상대성이론을 통일했다. 일반 상대성이론은 동적이고 구부러진 시공간에 대해 서술함으로써 매우 무거운 계나, 거대한 천체에 대해 설명할 수 있게 해준다. 일반 상대성이론은 아직 다른 이론과 통일되지 않았지만, 여러 양자중력이론의 후보 이론들이 성장하고 있다.
연구 분야
요약
관점
물리학에서의 현재 진행 중인 연구 분야는 대략 응집 물질 물리학, 원자 분자 광 물리학(AMO), 입자 물리학, 천체 물리학, 지구 물리학, 생물 물리학으로 나눌 수 있다. 일부 물리학과들은 물리 교육학의 연구를 지원하기도 한다. 20세기 이래로, 물리학의 개별 연구분야는 점점 더 전문화해지면서, 현재에는 대부분의 물리학자들이 평생동안 한 분야에서만 일을 하고 있다. 여러 물리 분야에서 연구했던 알베르트 아인슈타인 (1879-1955)나 레프 란다우 (1908-1968)과 같은 사람들은 이제는 극히 드물다.
작은 공간(미시계)
작은 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 끈 이론과 양자론 등이 여기에 속한다. 아주 작은 공간이 아닌 분자수준의 공간은 화학이 서술하는 경우가 많다. 고전 물리학 시대엔 주로 빛과 화학을 연구하였으며, 원자 단위를 연구한것은 비교적 최근의 일이다.
큰 공간(거시계)
큰 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다. 아주 큰 범위로는 우주 전체부터 작은 범위로는 일상적으로 눈에 보이는 범위까지이다. 천체물리학과 역학 등이 여기에 속한다.
생물리학
물리학적 관점에서 생물학을 연구하기도 한다. 이를 생물리학이라고 부른다. 보통 어떤 한생명체를 두고 구조 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다. 혹은 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.
응집 물질
응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 성질들을 다루는 물리 분야이다. 특히, 계의 구성 성분요소들의 수가 극히 많고 요소들간의 상호작용이 강할 때 나타나는 "응집된" 상태들에 주로 관심을 갖는 분야이다.
가장 익숙한 응집 상태의 예로는 고체와 액체를 들 수 있는데, 이들은 원자들 사이의 결합과 전자기력에 의해 생겨나는 것이다. 보다 특이하고 흥미로운 응집 상태로는 아주 낮은 온도에서 특정한 원자계에서 발견되는 초유체와 보스-아인슈타인 응축상, 특정한 물질에서 전도 전자들에 의해 나타나는 초전도상, 원자 격자에서의 스핀의 정렬에 따른 강자성과 반강자성상 등을 들 수 있다.
응집 물질 물리학은 현재의 물리 분야 중에서 가장 큰 분야를 형성한다. 역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 성장해 나왔고, 여전히 고체 물리학이 주된 세부 분야중의 하나이다. "응집 물질 물리학"이라는 용어는 필립 앤더슨이 본인의 연구 그룹의 이름을 변경하면서 1967년에 창작한 용어로 보인다.
1978년에 미국 물리학회의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름을 변경하였다. 응집 물질 물리학은 화학, 재료과학, 나노 기술, 그리고 공학과 관련성이 많다.
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물리학의 분류
자연 현상에 대한 보편 법칙을 찾고자 하는 물리학은 모든 물질세계, 즉 모든 자연 현상을 연구 대상으로 하는데, 연구 대상의 크기에 따라서 세분화되어 있다. 또 어떤 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 가지고 자연 현상을 설명하느냐, 즉 연구 방법에 따라서도 분류할 수 있다.
대상에 따른 분류
연구 방법(이론 체계)에 따른 분류
기타
물리학 연구는 일반적인 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 세우는 것, 그 이론 체계를 이용하여 알려진 자연 현상을 설명하는 것, 알려지지 않은 새로운 현상에 대한 예측과 실험, 관찰을 통해 그 예측을 검증하는 것으로 이루어져 있다. 이 중 이론 체계 연구를 하는 것을 이론물리학, 실험과 관찰을 하는 것을 실험물리학이라고 한다.
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앞으로의 방향
오늘날, 물리학의 연구는 다방면으로 발전해나가고 있다.
응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다. 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력하고 있다.
입자물리학에서 표준 모형을 넘어서는 실험적인 징후가 있다. 이중 가장 중요한 것으로 중성미자의 질량이 있다는 발견을 들 수 있다. 질량이 있는 중성미자에 의한 영향과 발견이 이론적으로나 실험적으로 활발하게 연구되고 있다. 이러한 실험 결과는 오랫동안 고민해오던 태양의 표준 모형의 태양 중성미자 문제 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신의 해결로 여겨진다. 입자 가속기의 충돌 에너지 영역이 TeV까지 올라가면서 힉스 보존이 입증되었고 초대칭 입자들과 암흑물질의 발견을 기대하고 있다.
이론 물리학에서는 양자역학과 일반 상대론을 하나로 통합하는 양자 중력을 찾는 노력이 반세기 동안 끊임없이 시도되고 있지만 아직까지 괄목할 만한 성과는 없다. 지금으로서 가장 중요한 분야는 M이론을 포함한 초끈 이론과 루프 양자 중력을 들 수 있다.
많은 천체물리학과 우주론의 문제들도 충분히 이해하지 못했다. 그중 초고 에너지 우주선 문제, 바리온 비대칭과 우주 가속 문제, 은하 회전 문제 등이 있다.
고에너지 물리, 양자물리학과 천체물리학의 많은 진전이 있었지만 우리의 일상생활에서의 현상인 복잡계나 혼돈, 난류에 대해서는 이해하지 못하고 있다. 복잡계의 문제는 모래톱의 생성이나 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력 또는 카타스트로피 이론 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신처럼 역학을 어떻게 잘 적용하느냐의 문제처럼 보이지만 아직도 미해결 문제가 많다. 1970년대 이후로 복잡계의 문제들은 더 큰 주목을 받게 되었으며 이는 현대의 수리물리학이나 컴퓨터의 발전과도 연관이 있다. 복잡계의 물리는 다른 학문과의 상호 연계라는 측면에서도 중요한데 유체역학에서의 난류나 생물학의 패턴 형성 등이 그 예이다.
같이 보기
일반
주요 분야
물리학이 연관된 통합 학문 분야
관련된 서적
- 로드리 에번스·브라이언 클레그 저. 김소정 역. 《세상을 보는 방식을 획기적으로 바꾼 10명의 물리학자》. 푸른지식. 2016년. ISBN 9788998282837
관련된 학문
주해
각주
외부 링크
Wikiwand - on
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