Forest of the mind: Behind everywhere :: 물리학이란 무엇인가

고등학생들에게 화학은 뭐니? 지구과학은 뭐니? 생물은 뭐니? 하고 물으면 대충 대답이 나오는데, 물리학은 뭐냐고 물으면 사람마다 다른 대답이 나온다. 신기한 것은, 물리학을 가르치면서 그 어떤 곳에서도 물리학이 무엇인지는 먼저 설명해주지 않는다는 점이다.

물리학은 무엇인가? 에 대한 대답이 어려운 이유는 물리학이라는 말 자체가 워낙 광범위한 단어였고, 현재도 그러하기 때문이다. 꽤나 잘 요약하였다고 생각하는 물리학의 설명은 다음과 같다.

물리학은 19세기 이전까지만 하더라도 자연철학과 동일한 말로, 그 어원은 그리스어의 physika (natural thing)에 두고 있다. 자연철학은 19세기에 이르러 과학 (science : 원 뜻은 지식knowledge.) 으로 대치되었다. 따라서 물리학이라는 말이 갖는 원래의 의미는 모든 종류의 과학 자체를 일컬었다. 과학의 분야가 점차 세분화됨에 따라 물리학은 물질과 에너지의 상관관계를 다루는 분야에 국한되어 운동, 열, 빛, 소리, 전기와 자기, 중력, 핵력등의 분야를 다룬다.
물리학의 주된 연구대상은 물질의 구조및 관측 가능한 우주의 기초 구성물질들 사이의 기본상호작용이다. 물리학의 목표는 광범위한 원리들을 한데 묶어 공식화함으로써 인식가능한 모든 현상들을 설명하려 한다.

이러한 물리학에서 다루는 상호작용은 크게 네가지로 알려져 있는데, 중력, 전자기력, 약력, 강력이다. 중력에 의해 생기는 무게 이외의 대부분의 힘은 전자기력으로 설명 가능하다. 약력, 강력은 원자핵 내부에서만 존재하는 힘이다. 약력은 방사성 붕괴를 일으키는 힘이고, 강력은 원자핵을 유지시키는 힘이다.

물리학에서 다루는 기본 상수 또한 네가지가 있다. 중력상수인G, 빛의 속력인 C. 플랑크상수 h, 기본전하량 e 이다. 나머지의 상수들은 모두 이 상수들에서 파생된 상수이다.

중력상수는 뉴턴의 중력이론과 아인슈타인의 일반상대성이론에서 핵심적인 역할을 하며, 우주의 거시적인 구조에 필수적인 상수이다.

빛의 속력은 아인슈타인의 특수상대성 이론의 기본 공리가 된다. 이 값은 아주 크지만 무한대는 아니다. 만약 이 값이 무한대라면 상대성이론은 뉴턴역학으로 환원된다.

플랑크상수는 양자역학의 중심적인 상수이다. 플랑크상수는 매우 작은 숫자이지만 0은 아니다. 이로 인하여 양자역학적인 현상이 발생한다. 이 상수가 0이라면 양자역학은 고전물리학으로 환원된다.

기본전하는 전자의 전하량이다. 전하량은 양자화되어있으며, 기본전하를 가진 전자, 양성자들의 입자의 움직임에 의하여 전자기학의 현상들이 일어난다.

물리학의 측정을 위한 단위는 일곱가지가 있다. 차원, 질량, 길이, 시간, 온도, 전류, 입자수, 빛의 세기이다. 나머지 단위들은 이 일곱가지의 단위의 조합으로 만들어진다. 모든 물리량은 이 일곱개의 기본 물리량에서 유도가 가능하다. (차원의 정의는 일반적인 개념의 차원이 아니라 자유도의 수degree of freedom이다.)

- 물리,화학 핵심용어사전 (시공아카데미)

책의 설명 내용을 대충 편집한 것이기는 하지만 이정도면 물리학이 뭘 할려고 하는 학문인가 설명하기 좋은 텍스트라고 생각한다. 왜 철학과 갈려다 맘돌려 물리학과에 입학했는가에 대해서도 괜찮은 설명이 된다. 물리학의 본질은 현실에의 응용과정과 맞물려 잊기 쉽다. 하지만 물리학과 철학의 목표지점은 동일하다. 그리고 그 목표는 '진리에의 추구' 가 아니다. '진리에의 추구'는 진리에 다가가려고 하는 영원히 끝나지 않을 움직임이다. 그것은 과정이지 목표가 될 수 없다.

철학이 현학적인 학문으로 비치고, 물리학이 엄청나게 어려운 학문으로 보이는 이유는 어느 시점엔가부터 잘못된 개념의 확산으로 인하여 우리 사회가 그 두 학문이 모두 '진리에의 추구'가 지향점인양 설명하기 때문이다. 두 학문 모두 기본적인 목표는 "인식 가능한 모든 현상에 대한 설명" 이다. 이를 위하여 철학은 인식불가능한 차원의 개념까지를 포괄하여 그러한 '이유'의 그림자로 현상을 설명하려고 시도하는 것이고, 물리학은 현실과 비슷하게 작동하는 수학적으로 잘 정의된 모형을 통하여 그 현상을 설명하려고 하는 것이다.

철학의 개념과 물리학의 모형은 '그것 자체가 존재하는 진리' 가 아니다. 그 둘은 인간의 이성을 토대로 하여 쌓아올려진 잘 정의된 개념의 탑이다. 그 개념을 통하여 우리는 존재하는 세계를 이해하고, 그 세계를 보다 바람직한 방향으로 움직일 수 있는 힘을 얻게 된다. 그렇기 때문에 그 두 학문은 "인간이 발전하기 위해서", 또한 "인류가 발전하기 위해서" 필요하다.

그 둘은 본래의 의미와 중요성을 알리지 못한 채로 이성의 탑에서 흘러나온 부산물인 이데올로기와 응용기술에 의하여 밀려나고 있다. 그러나 기억해야 하는 점은 사람의 '생각하는 법'은 철학에 의하여 만들어졌으며, 사람이 '자연을 변화시켜 살아가는 법'은 물리학에 의하여 추구되고 있다는 사실이다.

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GerrarD 2004/12/02 00:47
여기서 말하는 강력은 핵력을 말하는 건가요?
redragon 2004/12/02 02:29
고등학교때까지 물리를 공부했었고, 학부 1학년때까지만 해도 물리를 평생 업으로 삼으려고 했던 사람으로써. "와-" 하는 조그마한 탄성이 나오는 좋은 글이라 생각이 들어 덧글 남깁니다.
inureyes 2004/12/02 03:06
GerrrarD // 핵력이 강력입니다. :D

redragon // 저는 컴퓨터공학과와 물리학과중에서 물리학과를 선택했습니다 컴퓨터도 무지 좋아하지만 저에게 물리학은 좋아하는 것과는 조금 다른 무엇인가가 있더군요.
뭐, 결국 둘다 버리지 못해서 컴퓨터공학과도 복수전공 해버렸지만요.
Sieg 2004/12/18 22:00
멋집니다...만은 요즘 세상에서 저 정의만으로는 "매우 넓어진" 물리학의 범위를 설명할 수 없을 것 같네요. 제가 관심있는 분야도 저 정의로는 설명되지 않는 Econophysics 인지라.;
inureyes 2004/12/18 22:39
Biophysics에나 Econophysics등의 학문을 가리켜 branch라고 합니다. 순수 물리학의 범위에 넣기에는 무리가 있죠. 갈수록 branch는 늘어나는 추세입니다만, 엄밀히 말하면 물리학의 범위가 넓어진 것이 아니라 다른 학문을 설명하기 위해 물리학을 도구로 사용하는 것입니다. 따라서 위의 물리학의 정의가 물리학을 설명할 수 없다는 표현은 맞지 않을듯 합니다. 그렇게 외연을 넓혀 본다면 18세기 이전처럼 "모든 현상의 원인을 연구하는 학문(철학)"이 물리학이라고 말할 수 있기 때문입니다.
branch들이 학문간의 점이지대에 위치하고 있다고 생각하는 것이 맞을듯 합니다. Econophysics뿐만이 아니라 심지어 financial physics도 있으니 말이죠 (둘 다 현재 랩선배님들께서 하는 분야입니다).