물리학

物理學 / Physics / La Physique / Physik

알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론 논문뉴턴의 프린키피아

1 개요

과학의 범위
자연과학물리학 · 화학 · 생명과학(생물학) · 지구과학 · 천문학
형식과학수학 · 통계학 · 논리학 · 암호학 · 이론전산학 · 결정이론
응용과학공학 · 의학 · 수의학 · 치의학 · 약학 · 건축학 · 농학 · 컴퓨터과학
사회과학정치학 · 사회학 · 경제학 · 지리학 · 인구통계학
과학이 아닌 것유사과학 · 비과학 · 반과학 · 변경지대의 과학 · 인문학

자연과학의 한 분야로, 시간과 공간, 질량을 연구하는 학문이다. 물리학에서의 모든 이론과 가설은 결국 저 둘의 상호작용으로 소급된다. 물리학 하면 정말로 많이 떠올리는 것은 에너지인데, 에너지 역시 시간과 공간, 질량이라는 세 가지 키워드로 말끔히 정의할 수 있다. SI 단위 참고. 웬만한 대학교 일반물리 교재에는 차원식[1]을 작성하고 차원수[2]를 구하는 법은 다 나오니 그쪽을 참고하면 되겠다.

물리학이나 물리학에서 사용되는 수학에 익숙하지 않은 채, 물리 관련 서적을 본다면 도대체 이게 무슨 식이며 무엇을 설명하는지 이해할 수 없겠지만, 어느 정도 물리에서 사용하는 언어에 익숙해진 이후에는 일상 언어로 물리학에서 다루는 개념들을 설명하는 것이야말로 정말 어려운 일이라는 걸 깨달으면서, 데이비드 그리피스 같은 물리 교과서 편찬자들에 대한 존경심이 샘 솟는다. 오래 전부터 학문에 사용되는 용어들을 자국어로 옮기는 데 소홀했던 한국어 사용자라면 더더욱. 이쪽 계통 사람들은 고유어(쓸림힘, 내비침 등)이나 한자어(마찰력, 복사 등) 용어보다 영어/독일어(friction, radiation, etc.)가 더 익숙한 점을 떠올리면서 자조한다. 혹은 의식조차 못 하고 있거나.

2 역사

  • 이 부분의 본문은 물리학/역사 이며 이 문단은 간략한 개요만을 나타냅니다. 물리학의 역사를 서술하시고 싶은 분은 물리학/역사 항목에 서술해주세요.

2.1 자연철학

인간은 옛날부터 자신들이 살고 있는 자연에 대하여 많은 의문을 품어왔다. 만물은 무엇으로 되어 있을까? 자연 현상은 왜 일어나는 것인가? 누군가는 종교에 의존하고, 누군가는 철학에 의존하였으며, 미신에서 벗어나기 시작한 옛 지식인들은 그럴듯한 설명을 내놓기 시작했다. 유학은 세상을 덕으로, 도가는 세상을 도로 설명하며, 힌두교는 윤회와 여러 신, 이집트 역시 번개, 구름, 강, 태양의 신 등을 내놓아 설명하기 시작했고, 그리스 역시 이를 따르다 결국 인도와 중국처럼 철학자들의 시대가 도래했다.

그중 한 서양의 철학자, 아리스토텔레스는 이러한 질문들에 대한 답을 꽤 그럴듯하고 구체적으로 만들어냈다. 그의 논리를 따르면, 움직이는 물체는 아무런 힘이 작용하지 않는다면 결국 정지하고 만다. 또, 더욱 완전한 영역인 천체들은 영구적인 원운동이 정상적이며 이러한 운동을 하는데 아무런 힘이 필요하지 않다는 것이다. [3] 현대의 우리는 그를 비웃지만, 그는 그 나름대로 논리적인 해석을 한 것이다. 그 당시에는 마찰력과 공기저항의 존재를 몰랐으며, 천체는 특별한 수단이 없이 그 자리를 계속해서 돈다. 이러한 아리스토텔레스의 해석은 2000여 년간 인간의 물리 개념을 차지하고 있었다.

2.2 뭔가 이상한데?

16세기 후반에서 17세기 초, 인간들 중에 관성의 개념을 지닌 자가 나타났다. 데카르트와 갈릴레이. 데카르트는 물체가 운동할 때 '관성'으로 인해 원 위가 아닌 직선의 경로를 따라 운동한다고 믿었다. 그는 전통적인 아리스토텔레스의 사고를 벗어나 오직 자신의 사고만을 믿을 수 있다고 생각했다. 따라서 그는 천체의 원운동에는 어떠한 물리적인 힘이 가해진다고 생각했는데, 그게 뭔지는 몰랐다. 그는 그 힘이 '앞으로 몰아가는'힘이 아니라 '안쪽으로 잡아당기는'힘인 것을 상상해내지 못한 것이다. 결국 그는 공간을 채우는 에테르라는 물질의 소용돌이에 의해 천체들이 원운동을 한다고 믿게 되었다.

반면 갈릴레오는 데카르트의 100% 사고실험이 아닌 실험 결과와 명백한 논리에 의거하여 점차 뉴턴의 운동법칙에 근접해갔다. 진자의 주기가 진폭에 상관없이 일정하다는 사실을 밝혀 냈으며[4], '무한히 미끄러운' 평면에서는 물체가 정지하지 않고, 멈추려면 오히려 힘이 필요하다는 사실을 추론해냈다. 하지만 이것이 한계였다. 그의 시대에 자연은 전지전능한 조물주의 음악에 발맞추어 행진하는 피조물이었으며, 직선운동도 궁극적으로는 원운동을 하게 됨으로써 질서를 갖춘다고 보았다.[5]

2.3 역학의 완성

결국 물리학의 창시자 뉴턴이 나타났다. 그는 지상에 흩어져 있는 물리학 지식의 파편들을 모아 세 가지 법칙을 만들었다. 관성의 법칙, 힘과 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙이 그것이다. 뉴턴은 지금까지의 모든 관찰 결과들이 이 세 가지 법칙을 만족한다는 사실을 깨달았고, 이를 프린키피아 세 권에 담았다. 그의 방법을 이용하면 물체의 초기 조건을 아는 경우 그 후 물체가 어떻게 운동할 것인지를 알아낼 수 있다. 하지만 단점이 하나 있는데, 물체가 왜 그렇게 운동하는지를 모른다는 사실이다. 뉴턴 자신도 이를 인정했으며, 그는 물체가 왜 이렇게 운동하는지에 대해서는 전혀 언급하지 않았고 단지 이렇게 계산하면 결과가 실제와 정확하게 일치한다는 것을 보였다. 뉴턴 이전에 철학의 한 부분이었던 물리학을 뉴턴 이후에는 수학의 언어로써 인간이 이를 쉽게 다룰 수 있게 하였다.

2.4 역학 이외의 물리학 - 물리학의 완성?

뉴턴이 고전역학을 시작해서 마무리짓고, 광학을 개발했다. 이는 곧 자연을 탐구하는 모든 학문과 계몽사조에까지 거대한 영향을 미쳤다. 곧 많은 철학 분야에서 뉴턴주의를 지향, 뉴턴의 방법론을 시도해보기 시작했으며, 심지어는 화학 역시 뉴턴의 계량적 사조에 큰 영향을 받았다. 그 뒤로 열역학이라는, 뚜렷이 고전 역학과 다른 신묘한 분야가 개발되기 시작했고, '칼로릭 이론'이라는 틀린 이론을 통해 시행착오를 겪은 뒤 카르노의 원리 등을 시작으로 열에서도 제대로 된 물리학적 고찰이 이어지기 시작했다. 이는 열역학 제 1법칙과 열역학 제 2법칙을 통해 정량적인 열역학 개념을 완성해 나갔다. 천체역학, 고전역학이라는 수학분야, 광학이라는 실험분야와 함께 열역학이라는 또 하나의 물리학 분야가 탄생한 것이다.

열역학이 탄생한 뒤는 물리학에는 당시만 해도 다른 학문으로 취급받았던 두가지 다른 분야가 탄생했다. 하나는 천체역학, 유체역학, 고전역학 등 완전수학화가 이루어져 연구가 끝나가던 수학분야. 또 하나는 열, 빛 자기, 전기 같은 산만한 지식에 대한 단편적인 실험을 통한 학문이었으며, 그마저도 실험과학이라고 부르기 애처로운 수준이었다고 한다. 전혀 달라보였던 두 학문은 수학화를 통해 점진적으로 하나라는 인식을 가지게 되었으며, 특히 에너지라는, '본질적으로 같은 의미'라는 생각을 할 수 있게 만들어준 개념이 큰 역할을 했다고 한다. 전자기학 역시 맥스웰이 전자기학을 확립하며 물리학계는 침체기를 맞았다. 더 이상 딱히 할게 없다! 지구상의 모든 연상 가능한 경우에 대하여 지금까지 발전되온 법칙들을 쓰면 돌의 충돌부터 지구의 공전까지 설명되지 않는 것이 없다. 19세기의 물리학자였던 켈빈은 "이제 물리학자들이 할 일은 소수점 아래 자리를 늘리는 것입니다"라는 말을 남겼다. 인간은 드디어 자연을 발 아래에 둔 것인가?

2.5 상대성 이론과 양자혁명

앞서 본문에 시간과 공간, 질량(=물질)을 다루는 학문이 물리학이라고하였다. 현대 물리학은 고전물리학과 달리 시간과 공간이 절대적이라고 생각하지 않는다.

문제는 흑체에서 시작되었다. 흑체가 방출하는 빛을 파장에 대하여 줄세우면, 고전물리학에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인 데다[6], 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 물리학의 모토가 무엇인가? 틀리다고 증명될 때까지 믿는다. 이제 그 믿음을 깨야 할 때가 왔다.

플랑크는 이 현상을 양자라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정하고 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.

한편, 맥스웰은 자신이 정리해서 발표한 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 그 속도가 [math]1/\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}[/math] 로써 알려진 빛의 속도와 일치한다는 것을 알게 되고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 빛은 파동이라고 믿게 된다. 그런데, 아인슈타인이 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로서 인정이 된다.

빛이 파동성을 지니기 때문에 그 당시 이론으로는 분명 우주는 진공이 아니라 다른 물질로 채워져 있어야만 했다. 따라서 지구의 자전/공전방향을 생각했을 때 빛의 속도는 측정하는 방향에 따라 분명 차이가 날 것이라고 생각했다.[7] 이를 생각한 것이 마이컬슨과 몰리였고, 유명한 뮤츠의 실험[8]을 전 세계를 돌아다니며 했지만, 결국 빛의 속도가 항상 일정한 것으로 보아 지구와 태양 사이는 진공이고, 에테르가 없다는 결론을 얻는다. [9] 이 때, 아인슈타인은 이 실험 결과를 통해 새로운 해석을 하게 되는데, 이것이 특수상대성이론의 시발점이다. 아인슈타인은 '빛의 속도는 진공에서 어느 관성계에서나 c다', '물리법칙은 모든 관성계에서 동일하다'라는 두가지 가정을 통하여 특수상대성이론을 발표한다. 또 이를 발전시켜 '중력질량과 관성질량이 같지 않은 예외가 하나도 없으니 우리 그냥 같다고 보자'라는 가정으로 일반상대성이론을 발표한다. (자세한 내용은 상대성 이론 항목 참조)

후에, 드브로이는 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고(물론 식 유도도 하고 논문도 썼다.) 입자의 파동성을 제안한다.[10] 그리고 실제로 전자도 회절무늬가 생겼다. 결국 물질은 분자, 이온이 무극성분자와 이온결합 사이의 어떠한 상태이듯이 입자와 파동 사이의 어떠한 상태라고 결론짓게 된다. 특히 입자 중에서 질량이 작은 전자는 파동의 성질이 두드러지게 나타난다. 보어는 이 사실을 이용하여 '전자의 각운동량이 양자화되어있다(또는 정상파조건을 만족해 에너지손실이 없다)'라는 가정을 바탕으로 수소원자의 선스펙트럼을 정확하게 설명해낸다. 특별히 유도해낸 결과가 아니라 '이렇게 될 것이다'라는 가정에서 출발하여 얻은 실험적 결과이다.

슈뢰딩거는 드브로이의 의견에 따라 전자를 파동으로 다루어 파동함수라는 새로운 함수를 도입, 파동함수를 구하는 방정식을 유도해냈다.[11] 이것이 슈뢰딩거 방정식이다. 그러나 슈뢰딩거의 의도와는 다르게 이 파동함수가 의미하는 것이 있었다. 막스 보른은 파동함수를 확률함수라고 새로운 해석을 하였고, 파동함수가 각각의 에너지 상태에 존재하는 전자가 있을 수 있는 확률밀도함수를 의미한다고 생각하였다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 파동함수는 복소수이다.)이 입자가 그 위치에 존재할 확률밀도함수라는 코펜하겐 해석을 받아들였고, 운동량연산자와 위치연산자를 들이대는 순서에 따라('측정하는 순서에 따라'로써 해석이 가능하다.) 결과가 달라지는 것을 보고 하이젠베르크의 불확정성의 원리가 발표되었다. [12] 그 후에 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다. 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법[13]과 슈뢰딩거의 파동함수를 이용한 해석법을 정리하여 양자역학이라는 이론으로 정리됐다.

3 현대 물리학

현대 물리학은 소립자와 그 소립자 간의 상호작용을 다루는 표준 모형과 중력을 상대론적으로 기술하는 일반상대론이 토대를 구성하고 있다. 표준 모형은 상대론적 양자장론으로 기술되는데 미시적인 현상을 다루는 데 효과적이나 중력을 포함하고 있지 않다.[14] 일반상대론은 양자역학적이지 않은 고전적인 이론으로 거시적인 중력현상을 잘 설명하여 작게는 GPS위성 신호의 중력편이에서부터 크게는 우주론에까지 응용된다. 물리학자들은 두 토대를 따로 적용하거나 제한적인 조건에서 적당히 결합하는 것으로 아주 잘 맞는 결과들을 얻어왔다. 그러나 이 둘을 동시에 제대로 적용하는 방법 즉 양자역학적인 중력이론인 양자중력이론은 아직 없다. 따라서 이 둘을 동시에 제대로 적용해야하는 블랙홀의 특이점이나 우주론에서 거론되는 빅뱅 직후의 우주 같은 극단적인 고에너지 미시현상들은 아직 제대로 연구 할 수가 없다. 양자중력 이론의 부재는 물리학의 최종 목표인 "하나의 이론체계로 최대한 많은 것을 설명하는 것"에 이르는 길목에 자리한 거대한 장애물이라 할 수 있다. 쉽게 생각 할 수 있는 접근 방법은 중력을 잘 알려진 양자장론의 체계로 기술하는 것인데 이를 시도하면 재규격화가 불가능한 이론이라 현재로선 이 이론을 이용하여 의미있는 값을 얻을 수 없다. 따라서 물리학자들은 다른 방법을 시도해왔다. 이 시도들 중 비교적 잘 알려진 것이 초끈이론이니 루프 양자 중력 이론이니 하는 것들이다. 양자중력 문제외에도 암흑물질이나 암흑에너지에 대한 이론을 찾는 것 역시 현대 물리학의 주요 과제다.

하지만, 현실은 시궁창 실제로 이런 걸 하는 건 물리학자들 중에서도 소수의 이론물리학자나 관련 분야의 실험물리학자 같은 이들이고, 적어도 대한민국 물리학자의 대부분은 이미 나온 이론을 활용해 새로운 현상을 발견하고 설명하는 실험물리학자다. 대략 공학적인 발명이나 최적화 이전, 근본적인 메커니즘에 대한 발견이나 기본설계를 한다고 생각하면 된다. 왜냐면 이쪽이 상품화에 가까운 쪽이라 정부 지원이 심하게 편중되어 있기 때문이다. 하지만, 별거 아닌 거 같아 보여도 고온 초전도체부터가 아직 완전히 설명되지 않았고, 유체역학은 한문제 한문제 모두 다른 풀잇법을 달아야 하는 혼돈의 카오스라는 걸 생각해보자. 그러니까 말만 시궁창이지 사실 훨씬 도움되고 효율적이며 충분히 물리학의 최종목표에 부합하는 활동이다. 사실 이런 거 푸는 게 노벨물리학상 따는 데는 훨씬 도움되고

물리학의 방법론이나 물리학적 사고방식이 전통적인 자연과학이 아닌 분야에 영향을 끼치기도 했다. 예를 들어 미시와 거시영역 중간에 걸쳐있고 많은 입자를 통계적으로 다루며 이전의 열역학을 확장한 분야인 통계역학에서 나온 엔트로피 개념이 정보이론에 연결되며 빅데이터나 네트워크 구성, 파일 압축이론 등에도 사용된다. 이런 걸 제외하더라도 현재 양자역학의 표준 해석이 확률론적이기 때문에 직접은 아니더라도 연관될 수밖에 없다.

어떻게 보면 아이러니하지만 세계에 대한 이해 방식으로서의 물리학은 형이상학적 질문의 토대가 된다. 이론 자체가 갖는 의미에 대해서도 탐구가 필요하며, 이 부분은 과학철학이지만 일부 물리학 전공 교수들은 부전공으로 이쪽을 파기도 한다. 양자역학의 그 말할 수 없는 모호함과 이것이 가져오는 현실의 의미에 대한 혼란은 철학적으로도 아주 좋은 연구 주제가 된다.

또, 거진 천체물리학화 된 천문학에는 아직 몇가지 미스테리가 남아있으며, 암흑물질이란 정체불명의 물질이나 암흑에너지 같은 것도 있으며, 코로나 문제같이 아직 완전히 풀리지 않은 문제도 산재해 있으니, 덕분에 물리학자들이 끝내야 할 일은 아직 생각보다 많이 남아있는 것 같다.

4 분류

가장 크게 나누면 고전물리학과 현대물리학으로 나눌 수 있다. 고전물리학은 시공간의 절대성을 인정하고, 현대물리학에선 시공간의 절대성을 부정한다.

물리학에서 다루는 것의 기본 틀이 되는 가지들은,

  • 양자적이지 않은 물체에 작용하는, 뉴턴의 법칙을 따르는 세계에 대한 것((고전)역학, 유체역학)
  • 맥스웰의 방정식으로 모든 것이 정리가 되는, 광자가 매개하는 힘에 대한 것((고전) 전자기학, 광학)
  • 확률론적 입장을 취한 파동방정식으로 입자의 상태를 풀어나가는, '역학 ver. 근현대'(양자역학)
  • 확률론적 입장으로 매우 많은 상태수나 입자 등이 모인 계를 설명하는 것(다체론. 열역학 및 통계역학. 물론 응집물질물리학도 포함)
  • 한 개 축을 더한 4-벡터에서 나아가서는 가속도와 만유인력까지 다루는 아인슈타인의 쇼타임(상대성 이론)
  • 그리고 아무리 설명해도 일반인이 모를 42를 다루는 것(상대론적 양자, 표준모형, 양자중력, 초끈이론과 우주론 등등)

정도이다. 이외, 생명과학과 퓨전한 생물리학이나 사회, 경제현상을 물리적 방법으로 설명하는 복잡계물리 등이 있다.

5 물리학의 효용

물리학의 발전은 우리의 일상과도 연관이 깊다. 뢴트겐의 X선은 의학에서, 칼슨의 광전도현상은 제록스와 같은 복사기를 탄생시켰다. 뢴트겐은 최초의 X선 사진을 찍었고, 제임스 클러크 맥스웰은 최초의 컬러 사진을 찍는 등, 물리학은 기술과도 접점이 많다. 전자기학에서 전자공학이 탄생하였고, 뉴턴역학에서 기계공학이 탄생하였다. 과학과 기술이 발전하면 양자전기공학과 같은 유용한 공학들이 태어날 것이다.

6 교육과정

자세한 내용은 물리학과를 참고할 것.

보통 고등학교 2학년 때부터 이과생이 전문적으로 배우기 시작하는데, 수학과의 연관성이 상당하다. 수포자들은 당연히 피를 본다.[16] 물포자 문제가 있는데 물포자와 비슷한 말로 물안개(물리 안해 개새끼야)를 외치는 학생들도 많이 나오고, 일부 선생들에겐 '제물포', 즉 제(쟤) 때문에 물리 포기란 별명이 많이 붙는다고. 하지만 고등학교 과정에서 물리1은 거의 수학이 안나오고[17] 솔직히 물리2에서도 아주 약간 등장하는 것은 사실. 사실 고등학교 물리는 잘만 가르치면 수학을 배우지 않고도 직관을 사용해 공부할 수 있고, 그러라고 만든 과목이기도 하지만.

그렇다고 수학을 포기한 채로 물리학과에 들어오면 피본다. 물리학에서 수학이 안 쓰이는 분야는 없다. 애초에 물리학의 대부분은 고전물리학으로부터 시작했고, 고전물리학은 뉴턴이 시작했고, 뉴턴은 수식으로 물리를 표현하려 했으므로, 물리학의 대부분은 수식으로 표현한다! 심지어 미적분 역시 뉴턴이 물리 현상을 수식으로 기술하기 위해 만들었다는 설이 있다고 하니 더 이상의 설명이 필요한지?[18] 복소변수함수론도 알면 매우 좋다. 만일 일반 상대성 이론이나 입자물리를 배우고 싶다면? 공부하자.

기계공학, 전자공학, 재료공학, 항공우주 및 조선공학 등 공학의 많은 영역들도 물리학을 기반으로 깔고 있다. 화학공학도 언뜻 보면 화학 위주일 것 같지만 오히려 열역학, 유체역학 등 물리학이 더 중요하게 다루어진다. 실제로 물리화학이라는 과목도 있을 정도. 요새 뜨고 있다는 나노공학[19] 역시 깊게 들어가면 물리학을 만나게 된다. 즉 왠만한 공과대학에 들어간 자체가 물리학과 운명공동체가 된다는 것이다.따라서 물리학을 학부에서 전공한 사람은 대부분의 공학 계통 대학원에서 대환영을 받는다. 물론 실력이 그저 그렇다면 빛 좋은 개살구가 되겠지만

국내에서 주관하는 물리학 관련 시험에는 한국물리올림피아드, 물리인증제 등이 있다.

6.1 중고등학교 과정

6.2 대학 학부과정

1학년

2학년

  • 고전역학
  • 전자기학[21]
  • 현대 물리학 : 고전역학과 양자역학 사이의 쇼크를 줄이기 위해 양자역학, 상대성 이론 등에서 기초적인 부분을 설명해 놓은 과목. 열 및 통계물리, 고체물리, 핵 및 입자물리 등도 약간 가미되어 있다. 학부 수준에서 감당하기 어려운 첨단의 주제들도 들어있지만 다행히 수준이 높지 않아 2학년 수준에서 이해 가능하다.[22]
  • 수리물리학 : 물리학에서 주로 사용하는 수학적 도구에 관한 내용을 배운다. 선형대수학, 미분방정식, 텐서기하학, 복소함수론 등을 다룬다.

3학년

그 외 학교에 따라서는 유체역학을 전공심화과정으로 배운다.
고전역학, 전자기학, 양자역학, 열통계물리학을 모두 배웠다면 4학년 과정과 대학원 과정을 이해할 기반이 다져졌다고 보면 된다.

4학년

그리고 대부분의 물리학과에는 4학기에 걸친 실험물리 과목이 포함되어 있다.

7 관련 어록

"Oppenheimer, they tell me you are writing poetry. I do not see how a man can work on the frontiers of physics and write poetry at the same time. They are in opposition. In science you want to say something that nobody knew before, in words which everyone can understand.

오펜하이머, 당신이 시를 쓴다고 들었습니다. 어떻게 물리학의 최전방에서 연구하며 시를 쓸 수 있는지 모르겠습니다. 둘은 정반대입니다. 과학에서는 전에는 아무도 이해하지 못했던 것들을 모두가 알아들을 수 있는 말로 전달합니다.
- 폴 디랙(Paul Dirac)

All science is either physics or stamp collecting.

물리학 외의 과학은 우표수집에 불과하다.
- 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)

8 물리학자들


굇수대전, 아테네 학당 이과버전, 과학계 어벤져스
1927년 5차 물리학 정모 솔베이 회의. 이 사진 안의 30명 중에서만 노벨상 수상자가 18명이다. 폭탄만 던지면 대체역사소설 직빵 게다가 이 사진 안에 찍히지 않은 사람들도 많다.
이 사진은 간혹 세계 최강의 정모.jpg(이름, 설명 첨부)라는 이름으로 돌기도 한다.

  • 솔베이 회의 사진의 물리학자들
  • 뒷라인
  • 중앙
    • P. Debye/피터 디바이 - 전기 쌍극자의 단위인 디바이, 포논을 통한 고체의 열용량 계산 1936년 노벨 화학상 수상자
    • M. Knudsen/마르틴 크누센 - 물질 증착에 사용되는 Knudsen Cell의 발명.
    • W. Bragg/윌리엄 브래그. 1915년 노벨 물리학상 수상자
    • L. Bragg/로런스 브래그 - 회절에 관한 브래그 법칙. 1915년 노벨 물리학상 수상자, 위의 윌리엄의 아들이다. 그러니까 아버지와 아들이 함께 노벨상을 받은 것이다!
    • H.A.Kramers/헨드릭 안토니 크라머르스 - 크라머르스-크로니히의 방법
    • P. A. M. Dirac/폴 에이드리언 모리스 디랙 - 디랙의 방정식,반물질 예측 (디랙의 바다) 1933년 노벨 물리학상 수상자
    • A. H. Compton/아서 홀리 콤프턴 - 콤프턴 효과[27], 콤프턴 계수, 중성자의 발견자, MIT총장 1927년 노벨 물리학상 수상자
    • L. De Broglie/루이 드 브로이 - 물질파의 개념을 최초로 주장해 노벨상을 수상했는데 이거 박사학위 논문이다…….[28][29] 1929년 노벨 물리학상 수상자
    • M. Born/보른 - 파동함수의 확률론적 해석을 최초로 주장한 사람. 양자역학논쟁으로 아인슈타인을 이긴 당대 최고의 "키보드워리어" 1954년 노벨 물리학상 수상자
    • N. Bohr/닐스 보어 - 보어의 원자모형, 하프늄(Hf)에 대한 예견, 물방울 원자핵모형. 원로 + 본좌 + 보스급 라인. 1922년 노벨 물리학상 수상자
  • 앞라인
    • I. Langmuir/어빙 랭뮤어 - 표면화학 특히 랭뮤어 탐침등으로 플라즈마물리에 공헌. 1932년 노벨 화학상 수상자
    • M. Planck/막스 플랑크 - 플랑크 상수, 양자 역학의 시대를 열었으나[30]정작 본인은 양자역학을 거부했다. 1918년 노벨 물리학상 수상자
    • M. Curie/마리 퀴리 - 이 사진의 홍일점이자 유일한 여성 노벨상 2관왕, 서로 다른 과학분야 노벨상을 수상(화학상, 물리학상)한 유일한 인물. 피에르 퀴리와 함께한 연구로 방사능 관련 학문이 아예 새로 만들어졌다. 이과에서 천대받던 여성으로서 당당히 연구성과로서 인정받았다. 마리 퀴리의 시절보다 최소 50년뒤인 리처드 파인만의 시절에도 여성의 정신 구조는 과학을 할 수 없다라는 분위기였다는걸 생각하면……. 1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상 수상자
    • H. A. Lorentz/헨드릭 안톤 로런츠 특수상대론의 로렌츠 변환, 로렌츠 법칙 1902년 노벨 물리학상 수상자
    • A. Einstein/알베르트 아인슈타인 센터의 위엄 그의 3대 업적인 브라운 운동, 광전효과, 상대성 이론[31]은 아예 물리학 하위 과목을 하나씩[32] 창조해낸 위력을 갖고 있었다. 다만 광전효과로 야기된 양자역학에 대해선 플랑크와 마찬가지로 부정적이였다.[33] 노벨상은 바로 그 광전 효과로 한개 받고 말았다. 1921년 노벨 물리학상 수상자
    • P.Langevin/폴 랑주뱅 - 고전역학의 랑주뱅 역학Langevin dynamics, 고체물리의 랭주뱅 함수
    • Ch.E.Guye/샤를외젠 - 전자의 질량&속도를 실험을 통하여 증명
    • C. T. R. Wilson/찰스 토머스 리스 윌슨 - 윌슨의 안개상자, 이걸로 인해 우리는 방사능을 맨눈으로 볼수 있게 됐다. 1927년 노벨 물리학상 수상자
    • O. W. Richardson/오언 윌런스 리처드슨 - 열이온의 리처드슨의 법칙. 1928년 노벨 물리학상 수상자
  • 사진 외의 실존했던(하는) 물리학자들 (가나다 순)
    • 가브리엘 리프만
    • 갈릴레오 갈릴레이 - 아리스토텔레스의 힘 이론과, 정확히 말하면 중세 시대에 물체의 운동의 요인으로 널리 받아들여지고 있던 임페투 가설을 부정하고, 갈릴레이의 상대성을 제창함으로써 요하네스 케플러와 함께 뉴턴역학이 나올 토양을 제공했다.
    • 김재박
    • 루트비히 볼츠만 - 오스트리아 출신 물리학자로 통계역학에 발전에 큰 공헌을 했다.
    • 레프 란다우 - 소련의 물리학자 양자적 수준에서 자기장, 저온환경에서의 자유전자를 연구해 양자역학, 고체물리학, 초전도현상 발견 등에 공헌했다.
    • 리제 마이트너
    • 리처드 파인만 - 파인만 다이어그램 의 창시 등, 양자역학계의 신으로 일컬어진다. 그 외에도 물리학의 교육자로서도 천재적인 재능을 발휘했다. 실제로 파인만 본인은 빨간책"Lectures on Physics"[34]라는 물리학 교재를 저술한 것을 평생의 업적 중 제일로 여겼다.
    • 마이클 패러데이 - 전자기 유도의 발견으로 전자기학의 아버지라고 불리고 있다.
    • 머리 겔만
    • 브라이언 그린 - 초끈이론 연구가. 본문에 수식이 안나오고그래도 머리 빠개지는건 똑갈다 초끈이론에 대해 개괄적으로, 그리고 학문에 비하면 쉽게 설명하는 엘러건트 유니버스와 '우주의 구조'가 유명하다. 그 자신의 업적은 압축된 시공[35]을 수학적으로 다루는 방법인데……. 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
    • 스티븐 와인버그
    • 스티븐 호킹 모두들 알다시피 블랙홀에 있어서 권위자, 아니 그 이상이다. 이양반이 만들어낸 방정식들을 보면 블랙홀의 사건의 지평면의 면적은 그 블랙홀의 엔트로피에 비례하다는 것 뿐 아니라 블랙홀이 양전자나 감마선, X선을 방출해낸다는 사실이 나오는데, 이로써 블랙홀이 모든걸 집어삼킨다는 말이 틀렸음이 증명되었다. 또한 블랙홀이 호킹복사를 통해 입자와 에너지를 방출하며 증발하는데 이는 블랙홀의 수명이 있음을 증명하는 것이다.
    • 아르센 벵거
    • 아리스토텔레스- 철학자로 알려져 있지만, 당대에는 철학이 모든 학문을 포괄했으며, 그가 세운 물리학 체계가 갈릴레이 등에 의해 부정되기까지 중세를 지배했다는걸 생각해보면……. 참고로 형이상학(Metaphysics)은 물리학(physics) 뒤(meta)에 꽂혀 있는 책에 나온 내용이라서 붙은 이름이다. 그래봐야 물리학 최대의 걸림돌
    • 아이작 뉴턴 - 이 쪽은 아예 근대 물리학을 창시했다. 전자기학과 양자역학을 제외한 거시 세계의 역학에서는 뉴턴의 제2법칙인 F=ma로 귀결되지 않는 공식이 있는지를 한 번 찾아보자.[36] 또 뉴턴 법칙과 더불어 뉴턴의 큰 업적은 미적분학을 탄생시켜 물리량들 사이의 관계를 수식적으로 나타내어 고전역학의 잠재력을 한층 끌어올린 것이다.[37]
    • 앙겔라 메르켈 - 그 유명한 독일 총리 맞다. 지금은 정치인이지만 물리학 박사 학위를 가진 물리학자 출신이다.
    • 어니스트 러더퍼드 - 원자핵, 나아가선 원자구조의 발견자. 당시까진 전기적이나 역학적으로 바닥상태인, 양전하와 음전하가 균일하게 섞여서 원자를 이룬다고 생각했었다. 그의 구조는 당시의 역학으론 돌면서(가속운동) 전자는 에너지를 잃고(빛을 내놓고) '추락'한다는 문제점이 있었지만, 양자역학이 이를 해결한다. 노벨화학상을 받았다.[38]
    • 어니스트 로런스
    • 에드워드 위튼 - 초끈이론 연구가이자 M이론 제안자. 현대 초끈이론 최고의 권위자 중 하나이다. 타라는 노벨상은 안타고 물리학자로서는 최초로 필즈상을 탔다(...) 게다가 학부를 물리학과를 나온 것도 아니고 역사학/언어학을 공부했으며 정치판(민주당(미국)에서 선거운동을 했다)에 몸을 담다가 무슨 약을 빨았는지 갑자기 물리학과 대학원을 가서 3년만에 박사학위를 탄 먼치킨.
    • 엔리코 페르미 - 실험과 이론 모두 탁월한 물리학자로 그의 제자들도 노벨 물리학상을 탔다
    • 에른스트 마흐
    • 요하네스 케플러 - 스승인 티코 브라헤가 남긴 천체 관측 자료를 면밀히 분석하여 행성 궤도가 원이 아니라 타원이라는 사실을 밝혀내 [39] 결국 천계의 운동도 완전무결한 운동이 아니라는 사상을 불러오게 되어 뉴턴역학의 밑거름이 된다 케플러의 3대 법칙 역시 갈릴레이의 이론과 함께 뉴턴역학의 밑거름이 된다.
    • 유카와 히데키 : 일본 최초의 노벨상 수상자
    • 이휘소 : 재미 한국인[40] 물리학자. 일찍 요절하지 않았다면 한국인 최초의 노벨물리학상 수상자였을 것이라는 의견이 있다. -
    • F.D.C. 윌러드[41]
    • 제임스 클러크 맥스웰 - 고전 전자기학을 집대성한 사람.[42] 전자기학계의 뉴턴이라고 불러도 손색이 없을만큼 전자기학을 탄탄하게 집대성했을뿐더러 그 전까지 잘 굴러가고 있던 뉴턴역학에 흠집을 냈다. 전자기파의 진행을 대수적으로 분석하는 과정에서 진공에서 빛의 속도를 결정하는 변수가 상수임이 예견되었고 이는 상대성 이론의 핵심 가정인 '광속 불변의 법칙'으로 이어졌다. 또한 루트비히 볼츠만과 함께 열 관련 문제들에 원자론을 도입하고 이를 위해 통계를 물리학에 도입하는 데 공헌했다. 이 사람 덕분에 상대성 이론과 양자역학, 현대의 열 및 통계물리의 씨앗이 뿌려진 건데, 같이 연구했던 볼츠만은 자살했고 맥스웰은 암으로 요절했다. 사람들이 맥스웰 방정식을 이해를 못 해서 '도깨비 방정식'이라고 불렀다는 이야기는 관련 과목을 들은 사람들이면 다들 알고 있을 것이다.
    • 조지 가모프 - 빅뱅 이론 과학 저술가로도 알려져 있으며 유전자가 세 개씩 묶여서 한 단위로 취급될 것을 생물학자들에 앞서 예측한 바 있다. 아미노산이 스무개 남짓인데, 유전자가 총 네 종류이므로 두 단위(4^2=16)로는 커버가 안되고, 네 단위(4^4=256)로는 너무 많기 때문이라고……
    • 존 오비 미켈 축구물리학
    • 줄리어스 로버트 오펜하이머
    • 킵 손
    • 필립 워런 앤더슨
    • 험프리 데이비 - 전기분해를 본격적으로 사용한 최초의 인물이며, 이를 통해 알칼리 금속류를 최초발견했으며 화학결합이 전기적인 것 같다는 가설을 제시, 얼음을 문질러도 열이 발생하므로 열은 물질(열소)이 아니라 운동(=에너지)이라고 주장했으며 탄광용 안전등을 개발했으나…… 데이비 최고의 업적은 제본소 알바였던 마이클 패러데이를 발굴해낸 것일지도.
    • 헨드릭 캐시미어 - 캐시미어 효과의 발견자.

8.1 가상의 물리학자들

이상하게도 이것을 전공했다는 설정을 지닌 캐릭터 중에는 전투종족으로 의심되는 인물이 많다. 혹은 물리학의 속성 때문인지 매드 사이언티스트나 뭔가 나사 하나빠진 천재 등으로 그려지는 경우가 많다. 물리학자 캐릭터들은 과학자지만 특이하게 흰 가운을 입은 모습이 거의 나오지 않고 평상복이나 정장, 강화복 등을 입는다는 게 특징이라면 특징. 이건 현실에서도 마찬가지인데, 반도체 쪽으로 가지 않는 한 옷에 뭔가 튀거나 하는 일이 없고, 반도체쪽은 어설프게 차단하는 가운이 아니라 몸 전체를 감싸는 방진복을 입기 때문에 별로 인연이 없는 까닭이다. 실제로도 물리학과 학부 과정에서는 실험복은 1학년 때 배우는 일반화학 실험 시간에나 입는 아이템으로 취급해 버린다.

  1. ↑ 모든 단위를 시간 - 길이 (즉 공간) - 질량의 곱으로 치환한 것.
  2. ↑ 차원식에서 m,k,s 모두를 변수로 봤을 때의 총 차수
  3. ↑ 실제로는 만유인력이 구심력으로 작용한다.
  4. ↑ 실제로 이는 최대진폭이 작을 때 성립한다.
  5. ↑ Fowles의 해석역학 참조
  6. ↑ 이 말은 즉 일상적인 온도의 흑체에서 적은 양의 적외선, 좀더 많은 양의 가시광선, 아주 많은 자외선, 당장 사람을 태워죽일 만큼 많은 X선이 뿜어져 나올 거라는 뜻이다. 물론 실제와 다르다.
  7. ↑ 강에서 배가 이동하는 것을 생각하면 된다. 배가 물이 흐르는 방향과 같은 방향이면 빠르게 이동할 것이고, 반대라면 천천히 이동하는 것과 같이 에테르의 흐름에 따라 분명히 차이가 날 것이라고 예상할 수 있다.
  8. ↑ 마이컬슨 간섭계를 이용해 회절무늬 개수의 차이를 통해 빛의 파장을 계산할 수 있고, 이를 통해 빛이 파동이므로 빛의 속도를 계산 할 수 있다.
  9. ↑ 정확하게는 마이켈슨 몰리는 에테르가 있다고 믿었지만 예상치인 sin 그래프에 비해서 실험값은 너무 다르게 나와서 이상하다는 결론을 내렸다.
  10. ↑ 드브로이는 당시 귀족이였는데, 그 당시 귀족들은 돈은 많고 할일이 없어 수학과 물리를 취미생활로 즐겼다. 많은 과학자들이 드브로이의 입자의 파동설이 현대 물리에 없어서는 안될 중요한 것이라고 생각하지만, 엄청난 발견이 아닌 언젠가는 발견되었을 만한 것이라는 부분에 동의한다.
  11. ↑ 슈뢰딩거 방정식의 파동함수를 이용하면 파동함수를 푸리에변환을 통해 공간함수와 파동함수 차원으로 바꿀 수 있기 때문에 해석이 용이해진다.
  12. ↑ 이를 보고 아인슈타인은 '신은 주사위놀음을 하지 않는다.'라는 유명한 말을 남긴다. 슈뢰딩거 역시 이 의견에 반대했는데, 결과적으로는 현대물리를 설명하는데 굉장히 중요한 이론이 되었다.
  13. ↑ 사실 우리가 알고있는 슈뢰딩거의 해석법이 나올 당시 하이젠베르그도 독자적으로 행렬을 통하여 파동함수를 기술하는 방법을 이용하여 한창 논쟁이 됐었다. 하지만 결과적으로 두가지 해석법은 방법만 다를뿐 같은 내용이라는게 밝혀지면서 논란이 종결됐다. 양자역학 입문 시에는 비교적 익숙한 수학적 테크닉으로 슈뢰딩거 방정식을 이용하지만, 스핀 등의 물리량은 슈뢰딩거의 방법으로 표현하는데 어려움이 있어 하이젠베르그의 행렬을 이용한 해석법도 반드시 필요하다.
  14. ↑ 중력을 고전적 혹은 준고전적으로 포함하는 것은 가능하다. 호킹 복사가 그 결과의 대표적인 예.
  15. ↑ 순수 물리학이 자연 현상의 기초 원리를 설명하는 학문이라면 응용물리학은 물리학의 실용적 접근을 연구하는 학문이다. 간단히 말해, 순수과학과 공학의 가교 역할을 하는 것.
  16. ↑ 그냥 멋모르고 했다간 풀때마다 답이 다르다고 한다
  17. ↑ 나오는 곳을 얘기하자면 1단원 고전역학부분과 4단원 돌림힘,유체역학 정도 된다.
  18. ↑ 다행인 점은 미적분학, 선형대수학 정도를 확실히 안다면 큰 어려움은 없다.
  19. ↑ 미세한 세계를 다루는 이 "나노공학"이라는 분야는 사실 새롭게 나타난 하나의 독립된 분야가 아닌, 분야를 초월한 일종의 학문적 트렌드라 봐도 무방하다. 그 근거로 나노 관련 연구실을 물리, 화학, 재료, 기계, 전자 등의 수많은 학과에서 볼 수 있다는 점을 들 수 있다.
  20. ↑ 참고로 고급물리 머리말을 펴보면 '과학고등학교와 대학일반물리과정 중간사이...'라고 다루는 범위 및 난이도를 적어놓았는데... 막상 보면 일반물리보다 더 어렵다. 일반물리 문제를 눈으로 풀 정도라도 고급물리 문제는 손으로도 못푼다. 하지만 과고에 입학하고 책만 받지 펴보는 일은 없기 때문에 큰 주목을 못 받는다. 물리 실험은 그래도 보고서를 써야 하기 때문에 자주 보게 되지만...
  21. ↑ 학교에 따라 3학년 과정으로 편성하는 경우도 있으며, 2~3학년에 걸쳐서 편성하기도 한다.(예:2학년 2학기~3학년1학기)
  22. ↑ 수준 문제로 재료공학과, 전자공학과 2학년 전공에서 현대물리학이 개설된 경우도 있다.
  23. ↑ 임의의 연산자의 기대치가 시간에 따라서 어떻게 변하는지에 대한 공식
  24. ↑ 양자역학을 대수적으로 접근할 수 있는 도구를 제공
  25. ↑ 전자가 하나의 에너지 준위에 두개까지만 배열될 수 있음. 후에 입자물리학 발전과 함께 페르미온의 배열에 관한 규칙으로 확장된다.
  26. ↑ 이렇게만 써 놓으면 잘 모르지만, 이거 하나로 인해서 전세계의 고체물리학과와 계산화학과의 연구실에서 계산해야 할 데이터가 몇 분의 1에서 몇십 분의 1 수준으로 줄었다. 당장 이게 널리 쓰이고 있는 물건이 있는데, 바로 LED다.
  27. ↑ X선을 전자에 입사시켜 X선과 전자를 검출한 실험. 빛의 입자성을 뒷받침하는 대표적 실험이다.
  28. ↑ 다만 그 당시엔 가설에 불과했던 것을 아인슈타인등 몇몇 사람의 지원 덕에 노벨상을 받았다고 보는 시각이 있다.
  29. ↑ 다만 물질파 가설이 보어 원자모형에서 가정한 안정된 전자궤도를 예측하는데 핵심적인 역할을 했고 이후 수소 스펙트럼 분석을 통해 예측이 맞았음이 검증된걸 고려하면 충분히 노벨상을 수상할만 하다.
  30. ↑ 그가 물리학을 선택한 시기는 뉴턴역학을 기초로 한 고전역학이 완성단계에 접어들어 한 과학자는 이제 흑체복사랑 에테르(빛의 매질)만 해결하면 물리학은 끝이라고 할 정도였다. 그러나 흑체복사의 이론전개에서 모든 파장영역(=무한한 빛)이 나오는 걸 플랑크가 불연속적인 에너지 단위인 양자를 도입해서 해결했다.
  31. ↑ 한 과학자가 말한 나머지 하나인 에테르(빛의 매질)을 파고들다가, 광속불변을 기본으로한 상대성 이론으로 200년 동안 굴러가고 있던 고전역학을 뒤집었다. (맥스웰이나 플랑크 등에 의해 문제가 제기되고는 있었지만 정면으로 뒤집을 생각을 한 것은 아인슈타인이 처음)
  32. ↑ 브라운 운동 - 통계역학, 광전효과 - 양자역학, 상대성 이론 - 상대성 이론
  33. ↑ 이와 관련된 아인슈타인의 발언이 "신은 주사위를 굴리지 않는다"
  34. ↑ "파인만의 물리학 강의" 라고도 불린다.
  35. ↑ 초끈이론에 필요한 11차원 중 4차원 시공간을 제외한 나머지차원이 작은범위에 압축돼있다는 이론
  36. ↑ 에너지는 두 물체가 상호작용하는 데 걸린 시간을 모를 때 그 두 물체가 상호작용한 양을 구하기 위해서 상정된 개념으로 결론적으로 충격량 또는 힘으로 소급되며, 토크는 회전 운동을 힘으로 표시하면 표현이 복잡해지므로 라디안 개념을 도입해서 단순화시킨 것으로 역시 결론적으로는 힘으로 소급된다.
  37. ↑ 다만 미적분학은 비슷한 시기에 라이프니츠가 거의 동시에 발표해 뉴턴만의 업적은 아니다.
  38. ↑ 상기되어 있듯이 그는 '물리학 이외의 과학은 모두 우표수집'이라고 한 적이 있다.노벨 우표수집상
  39. ↑ 당시엔 아리스토텔레스의 행성 궤도는 가장 완전한 도형인 원이라는 이론을 믿고 있었다.
  40. ↑ 최종국적은 미국이다.
  41. ↑ 고양이이지만 주인인 잭 헤더링턴(Jack H. Hetherington)의 귀차니즘으로 인해 저온 물리학 논문을 몇 편 공저했다.
  42. ↑ 전자기학의 대부분의 내용을 이 사람이 만든 4개(혹은 매질에 따른 변화까지 8개)의 방정식인 맥스웰방정식으로 요약할 수 있다.
  43. ↑ 정확히는 '이론'물리학자. 자세한 내용은 항목 참조.
  44. ↑ 양자역학과 평행세계 전문
  45. ↑ 록맨 & 포르테의 데이터베이스에서 좋아하는 것이 물리학으로 나온다.
  46. ↑ '지구'물리학자.
  47. ↑ 핵물리학 전공.
  48. ↑ 현재 고등학교의 교장이지만, 물리학 박사 학위를 가지고 있으니 여기에 포함. 그리고 이쪽은 전투종족수준이 아닌 괴인이다.
  49. ↑ 키자키가 조사한 내용에 따르자면 직업은 물리학자이니 여기에 해당.