물리학의 범위와 역사 그리고 철학과 핵심 이론

물리학이란 물질과 시공간에서의 운동과 에너지,힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다.

가장 기초가되는 과학의 한 분야로써, 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떻게 운동하는지 논리적으로 이해하고 모든 물체의 운동 원리를 규명하여 오늘날 물리학을 통해 근복적인 질문들이 해결되고 있다.

물리학의 역사와 범위

 

물리학의 범위

물리학은 만물을 구성하는 대상 중 가장 작은 원자 내부의 아원자 입자(전자,중성자,양성자)부터 가장 큰 우주 전체까지 광범위한 범주를 포괄한다. 

과학철학

과학철학의 역할에 대해서는 학자마다 견해가 다르며 유형으로 나눌 수 있는데, 어떤 사람은 밝혀진 과학적 이론에 기초하여 합리적인 세계관을 형성하는 것이라고 생각하는 반면, 다른 사람은 과학 연구에서 과학자들이 세운 가정을 반영하는 시험이라고 생각한. 예를 들어, 과학자들은 자연 현상이 복잡하기는 하지만 충분한 관찰을 통해 그 규칙성을 이해할 수 있다고 믿는다. 또 다른 견해는 과학 철학이 과학에 사용되는 개념을 명시적으로 구성하는 작업이라는 것이다. 한 가지 예는 시간과 공간과 같은 용어의 의미를 명확히 하는 것이다. 마지막으로, 과학철학은 과학적 탐구가 다른 탐구와 어떻게 다른지, 과학의 절차는 무엇이어야 하며, 올바른 과학지식을 위해서는 어떤 전제를 충족해야 하는지를 탐구하는 이차적인 기준을 세우는 과학이라는 견해가 있다.

물리학의 역사

인류는 도구를 사용한 이래 물리학적 지식은 여러 방면으로 이용되고 있다.

선사 시대에 이미 여러가지 도구를 만들어 사용하여 천체를 관측하고 돌이나 고인돌에 새기기도 하였다.

문자가 발명된 이후 고대 문명에서 물리학적 지식을 기록하여 다음 세대에게 가르쳤다.

중세 시기에도 다방면으로 물리학적 지식을 사용하여 과학적 방법의 기초를 마련했다.

르네상스 시기 갈릴레오 갈릴레이는 관찰과 실험을 통해 수학적 모형을 기록하여 물리가 발전에 영향을 주었다.

16세기 이후 수 많은 물리학자와 수학자들이 수리모형을 알아내었다. 방정식, 알고리즘 등 끊임없이 발견하여 현재 고전물리학이 다루는 대부분의 현상에 대한 모형을 확립하였다. 20세기 초 물리학은 새로운 변화를 겪으며 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론이 발표되어 시/공간은 더이상 변하지 않는 것에서 변하는 것으로(절대시간과 절대공간) 패러다임이 형성되었다. 이후 20세기 후반 물리학은 다양한 여러 분야로 세부화 되고, 초끈이론 등과 같은 새로운 가설들이 생겨났다.

물리학에서는 여전히 해결되지 않은 문제가 있고, 이것을 해결하기 위해 물리학자들이 많은 노력을 하고 있다.

핵심적 이론

모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 몇 가지 핵심 이론이 있다.이러한 이론에 대한 연구가 여전히 활발하게 진행되고 있지만, 그 중 어떤 이론이라도 근본적으로 틀릴 수 있다고 믿는 물리학자는 거의 없다. 이러한 각 이론은 물리학 연구를 위한 기본 도구로 간주되며 원자보다 큰 일상 물체의 운동, 천체에 비해 매우 가벼운 물체의 운동, 그리고 응용 범위 내에서 본질적으로 정확하다. 빛의 속도보다 훨씬 느린 움직임은 고전적이며 역학적 관점에서 상대적으로 정확하다. 이러한 특성으로 인해 이들 이론은 물리학을 전공하는 모든 학생이 기본적으로 이해해야 하는 기초 교과목이다.

 

고전 물리학과 현대 물리학의 차이

물리학은 우주의 수 많은 법칙들을 찾아내기 위한 학문이지만,  고전 물리학의 법칙들은 크기가 원자보다 크로 움직임이 빛의 속도 보다 빠른 범위를 설명하고 이를 벗어나면 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않게 된다.

알베트르 아이슈타인은 절대 공간과 시간의 개념을 시공간의 개념으로 바꾸고 더 정확한 설명을 하기 위하여 특수 상대성 이론을 제시하였다. 현대 물리학의 양자역학은 개연론에 의거한 입자와 상호 작용에 대한 개념을 이야기하고, 이는 원자와 원자보다 작은 입자에 대해 설명하여 후에 양자장론은 양자역학과 특수 상대성 이론을 통일화했다.

양자중력이론의 후보 이론들은 지금 성장하고 있다. 

 

물리학의 분류

자연 현상에 대한 일반적인 법칙을 알아내고자 하는 물리학은 모든 물질세계, 즉 모든 자연 현상을 연구 대상으로 하는데 연구 대상의 크기에 따라 세분화 하여 어떤 이론 체계를 가지고  자연 현상을 설명하느냐에 따라 분류할 수 있다.

 

앞으로의 방향

이론물리학 분야에서는 양자역학과 일반상대성이론을 통합하는 양자중력을 찾기 위해 사람들이 반세기 동안 노력해 왔지만 의미 있는 결과는 얻지 못했다. 현재 가장 중요한 분야는 M이론과 고리양자중력을 포함한 초끈이론이다. 천체 물리학과 우주론의 많은 문제도 완전히 이해되지 않았다. 그 중에는 초고에너지 우주선 문제, 중입자 비대칭 및 우주 가속도 문제, 은하 회전 문제 등이 있다. 고에너지물리학, 양자물리학, 천체물리학 분야에서 큰 발전이 있었음에도 불구하고 우리는 일상생활에서 나타나는 복잡한 시스템, 혼돈, 난류를 이해하지 못하고 있다. 복잡한 시스템의 문제는 모래톱의 생성, 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력이나 파국이론 등 역학을 얼마나 잘 적용할 수 있는가의 문제인 것 같지만, 아직까지 해결되지 않은 문제가 많다. 1970년대 이후 복잡계의 문제가 더욱 주목을 받게 되었는데, 이는 현대 수리물리학과 컴퓨터의 발달과도 관련이 있다. 복잡한 시스템의 물리학은 유체 역학의 난류 및 생물학의 패턴 형성과 같은 다른 분야와의 상호 연결에서도 중요합니다.