물리학이 자연을 수학으로 번역하려는 이유

"물리학은 어떤 학문이야?" 제 전공이 물리학이라고 말하면, 많은 사람들이 이렇게 물어봅니다. 이런 질문을 받을 때마다 대답하기 참 어렵더군요. 경제학은 사회 전체의 관점에서 희소한 자원을 어떻게 사용하는지를 연구합니다. 경영학은 기업의 관점에서 이윤 극대화라는 목표를 실현하기 위해 경영활동의 효율성을 높이는 방법을 연구합니다. 그렇다면 물리학은 어떨까요? 물리학은 어떤 일을 하고, 어떤 종류가 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

물리학이란?

고대 이집트의 상형문자를 해독하는 학자들을 떠올려봅시다. 이들은 어떻게 숨겨진 의미를 밝혀낼까요? 먼저, 상형 문자를 관찰하고, 그림의 의미를 추측하지 않을까요? 여러 상형문자들을 비교해 반복되는 패턴을 찾아낼 수도 있겠죠? 이집트의 역사와 문화 등 이미 알려진 내용을 바탕으로 해독할 수도 있습니다. 주의 깊게 관찰하고, 데이터를 비교해 우리가 아는 언어로 번역해 내는 것이죠.

 

물리학도 마찬가지입니다. 자연 현상을 주의 깊게 관찰하고 실험을 통해 데이터를 수집합니다. 그리고 이러한 물리량에 대한 데이터를 분석하여 자연의 법칙을 수학적인 언어로 표현합니다. 즉, 복잡한 자연 현상을 간결하고 명확한 수학 공식으로 번역하는 것이죠. 한마디로 말해, 물리학은 '자연을 수학이라는 언어로 번역하는 작업'이라고 생각합니다. 마치 고대 이집트의 상형문자를 해독하는 학자들처럼 말이죠.

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물리학, 자연을 번역하려는 이유

1. 현상 이해

물리학은 우리 주변에서 일어나는 다양한 현상들을 하나의 법칙으로 통합하여 이해할 수 있도록 도와줍니다. 예를 들어, 뉴턴의 만유인력 법칙은 사과가 땅으로 떨어지는 현상 뿐만 아니라, 지구가 태양 주위를 도는 현상, 달이 지구 주위를 도는 현상, 그리고 더 나아가 은하계의 형성과 우주의 팽창까지 설명해 줍니다. 이처럼 마치 세상의 비밀 코드를 푸는 열쇠와 같습니다.

 

2. 정보 전달

복잡한 자연 현상을 간결한 수학 공식으로 표현하면, 정보를 훨씬 효율적으로 교환하고 전달할 수 있습니다. 만약 힘을 나타내는 단위가 나라마다 다르다면, 국제적인 협력이 어려워지겠죠? 하지만 모두가 뉴턴(N)이라는 단위를 사용하기 때문에 쉽게 정보를 주고받을 수 있습니다. 마치 전 세계 사람들이 공통으로 사용하는 언어처럼 말이죠!

 

3. 미래 예측

물리 법칙을 이용하면 미래에 일어날 현상을 예측할 수 있습니다. 일식이나 월식이 언제 일어날지 예측하는 것처럼 말이죠. 또한, 태풍의 경로 , 지진 발생 가능성, 전염병 확산 등을 예측하여 피해를 줄이는 데에도 활용됩니다. 물리학은 미래를 예측하는 마법의 도구가 될 수도 있습니다!

Q. 물리학자들은 어떻게 자연을 번역할까요?
A. 물리학자들은 먼저 자연 현상에 대한 가설을 세웁니다. "혹시 이런 원리가 숨어 있지 않을까?" 하는 질문을 던지는 거죠. 그리고 그 가설을 검증하기 위해 실험을 설계하고 데이터를 수집합니다. 수집된 데이터를 분석하고 해석하여 자연의 법칙을 찾아내고, 이를 수학적인 이론으로 정립합니다.

 

물리학의 종류

1. 고전 물리학 : 고전역학, 전자기학

19세기까지의 물리학은 주로 우리 눈에 보이는 거시적인 세계를 다루었습니다. 원인이 주어지면 결과를 알 수 있다는 '결정론적 관점'을 특징으로 합니다. 초기 조건을 알면 결과를 무조건 예측할 수 있다고 믿었습니다. 고전 물리학은 뉴턴의 고전역학, 전자기학이 대표적입니다. 뉴턴의 고전역학은 특정 입자의 운동을 표현하는 방법입니다. 힘과 에너지, 운동량 등의 개념을 사용해서요. 전자기학은 전자기 현상과 빛에 대한 학문입니다. 가우스, 앙페르, 패러데이 등 다양한 과학자들이 발견한 내용을 맥스웰이 통합했죠.
 

2. 현대 물리학 : 상대성이론, 양자역학

하지만 20세기 이후, 원자와 같은 미시 세계를 탐구하면서 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 현상들이 발견되었습니다. 그래서 나온 것이 상대성이론과 양자역학입니다. 먼저 나온 것이 상대성이론입니다. 시간과 공간의 개념을 재정의했을 뿐만 아니라, 핵에너지를 사용할 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 양자역학은 아주 작은 입자들이 어떻게 움직이는지를 설명합니다. 이들은 공통적으로 우리가 관찰할 수 없는 것들을 대상으로 합니다. 별이나 중성자 모두 직접 눈으로 관찰할 수는 없죠. 하지만, 과학자들은 보이지 않는 것들의 움직임까지도 예측할 수 있는 체계를 갖게 된 것이죠.
 

3. 20세기 중반 이후 : 통계역학

20세기 중반 이후에 통계역학이 확립되었습니다. 앞의 이론들이 모두 원인을 알면 어찌되었건 결과를 알 수 있다고 봤지만, 통계역학은 아닙니다. 자연의 속성 자체가 정해져 있지 않기 때문에 "예측이 불가능한게 당연하다"라고 봤습니다. 또한, 과거에는 부분을 알면 전체를 알 수 있다고 생각했습니다. 숲은 나무들이 모인 것이므로, 나무만 알면 숲을 알 수 있다고 생각했죠. 통계역학은 부분과 전체는 다르다고 봤습니다. 나무에 대해 아무리 많이 알아도 결코 숲을 이해할 수 없다는 것이 통계역학의 관점입니다. 엔트로피, 카오스, 프랙털 등의 개념을 탄생시키기도 했습니다

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그 밖에도 물리학에서 연구하는 분야는 다양합니다. 빛을 연구하는 광학, 열과 에너지에 대해 연구하는 열역학, 원자핵의 구조, 성질, 반응을 연구하는 핵물리학, 소립자에 대해 연구하는 입자물리학 등이 있습니다. 사실 자연 현상 모두가 물리학의 대상입니다. 물리(物理)의 뜻 자체가 '만물의 이치' 또는 '사물의 원리'라는 뜻이니까요. 여기까지 물리학에 대해 알아보았습니다!