물리학 정의와 역사

정의

 

물리학이란 물질과 시공간의 운동 그리고 관련된 에너지와 힘 등을 연구하는 자연과학 분야 중 하나이다.

가장 기초적인 과학의 분야로 물리학의 목표는 우주와 자연이 어떤식으로 운동하는지를 이해하는 것이다.

즉 모든 물체의 운동 원리를 파악하는것이다.

인간이 과거 철학을 통해 자연법칙에 대해 물어봐왔던 질문들이 최근에 물리학을 통해 증명되고 있다.

 

물리학을 뜻하는 단어는 유럽언어에서 자연을 뜻하는 피시스라는 고대 그리스어에서 유래되었다. 고대 그리스 철학자인 아리스토텔레스는 자연학에서 여러 운동에 대해 설명했다. 아리스토텔레스 이후 서양 언어에서 물체의 운동과 힘 등을 공부하는 학문으로 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었다.

 

오랜기간동안 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철약의 일부분이었지만 17세기 과학 혁명 이후 과학적 방법을 이용해 경험적 지식만을 다루게되며 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문이되었다.

 

갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 모형을 통해 이해하고자 했다.

아이작 뉴턴은 고전역학을 정립했다. 조제프루이 라그랑주와 같은 학자들은 물리학에서 다루는 현상에 대해 수리 모형을 통해 증명하고자 했다. 현대 물리학에서도 수리 모형은 예측과 가설 검증이 중요한 방법으로 사용된다.

특히 물리학이 다루는 수리 모형과 이와 관련된 학문을 연구하는것을 수리 물리학이라 한다.

 

현대 물리학은 매우 다양한 학문으로 나누어진다. 다루어지는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 다양한 실험을 통해 검증하는 입자물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학으로 구분되고, 자연 현상을 이해하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 증명하는 실험물리학으로 구분된다. 또한 역학, 전자기학, 광학과 같이 분야별로 나눠지기도 한다. 하지만 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과 함께 연구도 활발히 이뤄진다. 물리학은 다양한 학문에서 다루어지는 대상들의 기본적인 성질에 대한 이해를 제공하기 때문에 기초과학이라고도 불리기도한다. 

 

고전 역학의 성립으로 천체부터 사과와 같은 작은 것에까지 대부분의 물체가 나타내는 운동을 이해하고 예측을 할 수 있게되자 충분한 조건만 있다면 우주에 있는 대부분의 것들을 물리학을 통해 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 받아들여지게된다. 그러나 20세기 초, 원자 분자 소립자 등 미시세계를 이해하는 양자역학이 발달되면서 자연 현상의 예상에는 불확실성이 있음이 알려졌다. 20세기 후반에는 발전된 혼돈 이론에서 양자역학이 다루는 미시세계 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시세계에서조차 불확실정이 있다는 점이 밝혀졌다. 이는 미시세계에서 나타나지는 불확실성과는 다르게 초기 조건을 완벽히 이해할 수 없다는것에 기인된다.

 

역사

인류가 도구를 사용하면서부터 물리학은 생활의 다양한 방면에서 이용되어왔다. 선사 시대에는 빗면, 지레, 바퀴와 같은 단순 기계들을 사용하여 집을 지었고 물건을 이동했으며 다양한 도구들을 만들어 사용했다. 또한 천체를 관측하여 돌이나 고인돌에 기록하기도 했다. 문자가 발명된 이후로는 여러 고대 문명에서 물리학적 지식을 글로 기록을 했고 후대에 가르쳤다. 고대 그리스의 자연 철학은 자연 현상에 대해 일반적인 설명을 시도했다는 방면에서 물리학의 기본적이 토대를 구축했다고 볼 수 있다.

 

중세시기에도 기계를 이용하여 여러 방면에서 물리학 지식을 이용했다. 12세기 무렵의 이슬람 과학자 중 한명인 알하이탐은 자연현상을 경험적 방법을 통해 기록하여 과학적 방안의 기틀을 마련했다. 르네상스 시기에는 학자들 역시 그리스 시대의 지식을 새롭게 발견하거나 이슬람 과학의 영향을 받아 실험을 중시하기 시작했다. 갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견했고 이를 수학적 모형으로 증명하여 물리학 발전에 엄청난 영향을 주었다.

 

16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 많은 사람들이 물리학의 발전에 기여했다. 르네 데카르트의 직교 좌표계 사용은 큰 의미를 갖는다. 아이작 뉴턴이 완성한 고전 역학은 자연에 대한 이해를 시작했고 눈으로 볼 수 있는 크기의 물체들의 운동에 대해 잘 맞는 모형을 제시했다. 프랑스 수학자 조제프루이 라그랑주는 물리학이 다루는 자연현상에 대해 수리 모형을 성립하기 위해 라그랑주 역학을 만들었다. 이어서 많은 물리학자와 수학자들이 물리현상을 명확히 설명하는 모형을 발견했다. 소피 제르맹은 탄성과 관련된 방정식을 발견했고 레온하르트 오일러는 달의 정확한 위치를 계산하는 알고리즘을 발견했다. 수리모형 수립의 끊임없는 노력이 계속되면서 19세기를 거치면서 현재 고전 물리학이 다루는 자연 현상에 대한 모형이 수립되었다. 한편 과학 혁명 이후 물리학의 발전은 자연현상에 대한 연구와 발견이 이뤄졌고 전지기학, 열역학과 같이 다양한 분야들이 만들어지게 된다.

 

20세기 초 물리학은 새로운 패러다임을 겪게 된다. 알베르트 아인슈타인이 상대성이론을 발표하며 고전 물리학에서 절대량으로 다루어졌던 시간과 장소는 불변량으로 다뤄지지 않고 고전역학에서의 시간과 공간의 절대 개념은 없어졌다. 헤르만 민코프스키가 시간과 장소에 대해 기하학적으로 합쳐진 민코프스키 시공간을 사용하면서 시간과 장소가 더 이상 독립적으로 다뤄지지 않고 합쳐진 시공간의 개념으로 이용되게 되었다. 다른 곳에서는 흑체 복사의 연구부터 시작된 양자역학이 나타나면서 우주에 존재하는 물질의 상태에 대해 일번적인 설명의 변화가 불가피하게 되었다.

 

20세기 후반에는 물리학은 세부분야가 다양해지면서 혼돈이론, 통일장 이론, 초끈이론과 같은 신규 물리학 가설이 나타났다. 물리학에는 아직가지도 해결이 안된 문제가 있고 이를 해결하기 위해 노력하는 많은 물리학자들이 있다.