현대 물리학

• 관련 항목 물리학/역사, 물리학, 양자역학, 상대성 이론, 통계역학

1 개요

19세기 말부터 태동하기 시작한 물리학 분야이다. 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 다양한 이론들을 다루며, 고전 역학, 전자기학 등으로 위시되는 고전 물리학의 대비되는 어휘로 종종 쓰인다. 양자 역학과 상대성 이론이 본격적인 현대 물리학 이론의 시발점이자 근간으로 평가받으며, 그 외에도 입자물리학, 핵물리학, 고체물리학, 우주론 등등 위 두 이론에 영향을 받은 대부분의 학문을 뭉뚱그려서 현대 물리학이라고 부르기도 한다.

2 물리학의 역사 관점으로

2.1 20세기의 물리학

뉴턴의 운동방정식 도입으로 물리학은 바야흐로 폭발적인 발전을 하게 된다. 그리고 맥스웰에 이르러서 전자기학을 완성하자 물리학은 비로소 끝에 도달하였다고 생각하였다. 몇몇현상을 제외하고는 거의 모든 현상을 설명 가능하였다. 그리고 이 몇몇 문제도 곧 해결되리라 믿어 의심치 않았었다.

가시광선영역 밖의 빛들 자외선과 적외선등도 발견되었다. 프리즘을 통해서 백색광을 여러 색으로 분리 시키는 실험에서, 붉은색과 보라색 영역 바깥쪽에서도 온도가 올라가는 것을 발견하였다. 이 실험결과로 사람의 눈에 보이지 않는 빛도 있음을 밝혀내었고, 붉은색 바깥쪽의 빛을 적외선, 보라색 바깥쪽의 빛을 자외선이라고 명명하였다. 또한 여러 실험과 기존에 파동에 관한 정보들을 통합하여서, 붉은색의 빛은 긴 파장과 작은 에너지(진동수)를 가지고, 보라색 계열의 빛은 짧은 파장과 큰 에너지(진동수)를 가지는 것을 밝혀내었다. 특히, x선의 발견은 수많은 사람들의 목숨을 구해주었고 지금도 의료계에선 활발하게 사용하는 중이다.

맥스웰은 자신이 통합해낸 4개 방정식으로부터 빈 공간에서의 전자기 유도에 의한 결과물이 파동이고, 빛의 본질이 전자기파라는 것을 밝혀낸다. 또한, 하위헌스를 비롯한 과학자들은 빛이 회절한다는 사실을 밝혀냈으며, 그 결과 빛은 파동이라고 믿게 된다. 하지만, 금속에 빛을 쏘면 전자가 튀어나가는 현상이 있는데, 자세한 건 광전효과를 참고하길 바란다. 아인슈타인은 광전효과에 관한 논문을 제출함으로써 빛이 입자라는 사실을 입증해냈다. 그 뒤에 이어지는 수많은 물리학자들의 밤샘연구를 딛고 결국 빛은 파동성과 입자성을 동시에 지닌다는 사실로써 인정이 된다.

맥스웰이 정립한 전자기학에 의하면 빛은 전자기파이고, 그 속도는1/(ε₀μ₀)^1/2이라고 증명해냈다고 했다. 그런데 이 속도는 무엇을 기준으로 측정한 속도인가? 모두가 알다시피 운동장에 서있는 사람이 잰 골프공의 속도와 자동차에서 달리는 사람이 잰 골프공의 속도는 다르다. 그렇다면 빛의 속도는 누가 잰 것인가? 이 질문에 대해 사람들은 에테르 등 가상의 절대관찰자를 만들어내려고 노력했으다. 하지만, 빛의 속도는 지구의 자전등에 인해서 생기는 경로차와의 관계가 없음이 실험적으로 밝혀지면서 에테르 이론은 폐기하게 되었다. 결국 아인슈타인이 모든 관성계에 대해서 '빛의 속도는 일정하다' 하고 '모든 물리법칙은 동일하게 적용된다' 라는 가정을 하고, 이를 이용해 특수 상대성 이론을 정립하였다.

특수 상대성 이론에 의하면 시간과 공간은 각각 관성계에 있는 사람에 따라서 수축 혹은 팽창하게 되는데, 그 비율은 빛의 속도와의 밀접한 관련이 있다. 또, 파인만은 이에 대한 새로운 해석으로 모든 물체는 시공간에대하여 빛의 속도로 진행한다는 것을 내놓았다.

여기에 '관성질량과 중력질량은 본질적으로 다를진 몰라도 서로 구분 할 수 없다' 라는 가정을 이용하여 일반 상대성 이론을 만들었다. 이 두 이론을 합쳐서 상대성 이론 이라고 한다. 또한, 이 이론에 따르면 시간과 공간은 본질적으로 같다.

드브로이는 빛이 파동성과 입자성을 동시에 띈다는 점에서 '어 그러면 입자도 파동이겠네?' 하고 입자의 파동성을 제안한다. 전자를 빛과 같이 발사하는 실험을 해보니 전자도 빛과 마찬가지로 회절무늬가 생긴다. 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. 유도 과정을 보면 이해할 수가 없고 말이 되지 않는다. 하지만 결과가 맞는데 어떡하리, 그냥 믿는 수밖에.

흑체가 복사하는 빛의 세기를 파장에 따라 정렬해보자. 그러면 고전물리학적 관점 즉, 빛은 파동이라는 관점에 따르면 파장이 짧아질수록 그 양이 무한대로 치솟아야 한다. 이건 애초에 결론 자체가 비현실적인데다, 실제 실험값은 파장이 길 때는 잘 맞지만, 짧을 때는 오히려 더 0에 근접해간다! 플랑크는 이 현상을 에너지의 양자화라는 개념의 도입으로 설명해냈다. 에너지가 양자화 되어 있다고 가정한후에 통계를 이용하여 그래프를 그려보니 실험결과와 일치했다. 근데 뭐? 에너지가 연속적이지 않다고? 플랑크 자신도 그 결과를 인정하지 못했다고 한다.

결국 슈뢰딩거와 함께, 많은 과학자들은 양자역학이라는 새로운 분야를 만들어낸다. 여러 번의 시행착오 끝에 파동함수라는 것을 만들어내고, 고유치 문제를 변형해 연산자를 만들어 이를 측정의 개념에 대응시키면서 슈뢰딩거 방정식을 만들어낸다. 그 후 파동함수의 절댓값의 제곱(참고로 사이함수는 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. 그 후에 디랙이 특수상대론과 양자역학을 결합해 디랙 방정식을 만들었다.

양자 역학의 발전으로 기존 원자 모형인 러더퍼드의 원자모델의 문제점을 수정할 수 있게 되었다. 러더퍼드의 원자 모형에 의하면 전자는 극히 짧은시간내에 원자핵과 충돌하여야 하는데, 자연은 그렇지 않은 것이다. 이에 보어는 전자의 궤도를 양자역학적으로 계산하여서 새로운 원자 모형을 만들었다. 이 원자 모형에 의하면 전자의 위치는 연속적인 공간이 아니라, 원자핵에 대해서 비연속적인 공간을 따라 존재한다.

위 개념이 더욱더 발전하여 시간과 공간역시 양자성을 띄게 됨을 알 수 있게 되었다.

상대성 이론의 결론중 하나는 '모든 물질은 에너지다.'인데, 이 이론에 의하면 물질이 단 1g만 에너지로 전환되어도 실로 어마어마한 에너지가 방출된다. 이 이론을 바탕으로 핵분열과 핵융합에 대한 이론이 정립되었다. 또한, 이를 응용하여 핵분열을 이용한 핵발전과 핵무기의 개발에 이르게 되었다.

리처드 파인만은 양자 역학과 전자기학을 하나로 묶은 양자 전기역학을 발표하였다.

입자의 본질은 수학적인 방법으로 접근을 한후에 물리학적으로 입증하는 방법을 취하고 있다. 특히 초끈 이론은 물리학적인 실험으로 접근 한 것이 아닌, 수학적으로 접근하여 계산하고 그 본질을 탐구하는 이론으로 유명하다. 전자기학과 양자역학 역시 수학적인 모델로 접근하여서 물리적으로 실험하여 증명해낸 이론이다.

일반 상대성 이론이 정확하다면 우주크기의 도함수, 즉 우주팽창 속도는 항상 0이 아니어야 하는데, 이말은 즉 우주가 정상 상태가 아니고 크기가 커지거나 작아지는 상태라는 뜻이 된다. 아인슈타인은 이게 마음에 들지 않아서 우주상수란 개념을 추가하고, 우주가 정상상태라고 주장하였다. 하지만, 이는 곧 반박되었는데, 허블이 밤하늘에 대부분의 천체에서 적색편이를 발견하였으며, 이에 우주가 팽창하고 있음을 밝혀낸 것이다.

우주는 지금이 순간에도 팽창하고 있는데, 이팽창하는 속도를 역으로 계산해보면 개략적인 우주의 나이를 알 수가 있게 된다. 이 방법으로 밝혀낸 개략적인 우주의 나이는 약 138억년이다.

응용학문인 공학역시 비약적으로 발전하였다. 특히 아폴로프로젝트로 대표되는 우주개발 프로그램은 인류의 자존감을 높히는데도 매우 큰 기여를 하였다.

2.2 21세기 이후

21세기 이후엔 컴퓨터의 비약적인 발전으로 물리학 역시 비약적으로 발전해가고 있다.

기존에 물리학에 쓰이는 수식을 계산하기 위해서는 오랜 시간이 걸렸지만, 컴퓨터 인공지능의 발달로 매우 짧은 시간만에 그 계산을 끝내고 있다.

대한민국일 경우엔 응용 물리학 분야인 반도체 물리학이 독보적으로 발전하고 있다. 특히 디스플레이분야에선 압도적인 행보를 보여주고 있다.

3 교과 과목

고등학교 과정과 대학교 1학년 과정에서 배우는 물리학과 그 이후에 배우는 물리학, 즉 양자 역학이 적용된 물리학은 판이하게 다르다. 그에 따라 배우는 사람에겐 엄청난 충격이 오게 되는데, 이를 완충하기 위한 과목이다. 그렇기 때문에 보통의 물리학과에서는 2학년 과목으로 개설한다. 다만, 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열통계물리라는 물리학과 4천왕 절대불변의 기본과목들과는 달리, 모든 학교에 공통된 과목이라고 할 수는 없고, 대부분의 학교에서는 선택과목으로 처리한다.

과거 가장 일반적으로 사용하던 책은 Arthur Beiser의 Concepts of Modern Physics인데, 이 책을 포함한 상당수의 현대물리학 교과서들은 상대성 이론 - 양자역학의 태동 - 양자역학 - -원자 및 분자물리 - 열물리 - 고체물리 - 현재 진행중인 물리학의 순서를 따른다.

물리학과만이 아니라 타 학과 학생들이 수강하러 오거나 신소재공학과 등의 학과에서 자체 개설하는 경우도 많다. 그런 이유도 있어서 물리학자의 시각에서 차근차근 유도하고 설명하는 방식보다는, 결론을 곧바로 제시하고 어떻게 써먹는지를 보여주는 방식으로 내용이 전개될 때가 많다. 당장 학점을 따기에는 암기과목처럼 접근하는 게 유리할 수도 있지만, 잊지 말자. 물리학과 학생들이라면 결국엔 그 내용을 결국 전부 소화해서 스스로 유도하고 이해해야 한다.