물리학 이란?
물리학(物理學, physics)은 물질과 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야입니다. 가장 기초적인 과학의 한 분야로서, 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떤 식으로 운동하는가를 논리적으로 이해하는 것 즉, 모든 물체의 운동 원리를 규명하는 것입니다. 즉, 인간이 과거 철학을 통해 자연법칙에 대해 물어왔던 근본적인 질문들이 오늘날 물리학을 통해 해결되고 있습니다.
2천 년 이상의 기간 동안 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철학의 일부였지만, 17세기 과학 혁명 이후 엄격한 과학적 방법을 사용하여 경험적 지식만을 다루게 되면서 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문으로 자리 잡게 되었습니다.
갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 수학적 모형을 통해 설명하고자 하였습니다. 아이작 뉴턴은 고전 역학을 수립하였습니다. 조제프루이 라그랑주와 같은 학자들은 물리학에서 다루는 모든 현상에 대해 수학적 모형을 수립하고자 하였습니다. 현대 물리학에서도 수학적 모형은 예측과 가설 검증의 주요한 수단으로 사용되고 있습니다. 특히 물리학이 다루는 수학적 모형과 관련된 연구를 하는 학문을 수리물리학이라고 합니다.
고전 역학의 성립으로 천체에서부터 사과와 같은 작은 것에 이르기까지 대부분의 물체가 나타내는 운동을 설명하고 예측할 수 있게 되자, 충분한 조건만 주어진다면 우주에 있는 모든 것의 상태를 물리학을 통하여 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 널리 받아들여지기도 하였습니다. 그러나 20세기 초, 원자•분자•소립자 등 미시세계를 다루는 양자역학이 발달하면서 자연 현상의 예측에는 본질적으로 불확실성이 있음이 알려졌습니다. 20세기 후반에 발전한 혼돈 이론에서는 양자역학이 다루는 미시세계에서 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시세계에서도 예측 불가능성이 있을 수 있다는 점이 밝혀졌습니다. 이는 미시세계에서 나타나는 불확실성과는 다른 것으로 초기 조건을 완벽히 알 수 없다는 점에서 기인합니다.
현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉩니다. 다루는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험물리학으로 구분되기도 합니다. 또한, 역학, 전자기학, 광학과 같이 특정한 분야별로 나뉘어 불리기도 합니다. 한편, 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과도 학제 간 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학이라고 불립니다.
물리학의 어원
물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 고대 그리스어 피시스(φύσις)에서 유래하였습니다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 《자연학》에서 여러 가지 운동에 대해 설명하였습니다. 아리스토텔레스 이후 서양 언어에서는 물체의 운동과 그에 미치는 힘 등을 연구하는 학문을 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었습니다. 예를 들어, 영어: physics 피직스, 프랑스어: physique 피지크, 독일어: Physik 퓌지크 등이 그렇습니다. 한자 문화권의 물리(物理)라는 낱말은 일본의 메이지 시대에 난학이라 부르던 네덜란드를 중심으로 한 서양 문물을 도입하는 과정에서 만들어져 현재까지 사용되고 있습니다.
물리학의 범주와 목표
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자인 양성자, 중성자, 전자로부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄합니다.
물리학의 목적은 자연에 대한 서술입니다. 그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시키는 판단을 하게 됩니다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따르게 됩니다.
물리학에서 과학 철학과 그 역할
과학철학은 과학의 전제 조건 및 방법, 묵시적으로 인정하는 기초 등을 탐구대상으로 합니다. 즉, 이미 존재하고 있는 과학적 담론, 이론, 방법 등에 대해 반성적으로 고찰하여 〈과학이란 무엇인가?〉라는 질문에 답하는 작업 과정입니다.
과학철학은 물리학을 포함한 자연 과학이 다음과 같은 전제 위에 놓여 있다고 전제합니다.
자연은 객관적으로 실재하는 것이고 사람은 이를 인지할 수 있다.
자연 현상은 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있다.
자연 현상이 일어나는 원인을 규명하면 같은 원리를 사용하여 아직 일어나지 않은 일을 예측할 수 있다.
자연 현상의 원인과 예측된 결과는 논리적으로 설명될 수 있고 검증 가능하다.
어떤 이론을 바탕으로 한 예측이 허용할 수 있는 오차를 넘어 빗나갔다면 그 이론은 더 이상 신뢰할 수 없다.
과학철학의 역할에 대한 견해는 학자마다 의견을 달리하지만, 대략 네 가지의 유형으로 나뉠 수 있는데, 밝혀진 과학 이론을 바탕으로 합리적인 세계관을 형성하는 것이라고 보는 견해가 있는 한편, 과학자들이 과학 연구에서 전제하는 가정들을 반성적으로 고찰하는 것이라는 견해도 있습니다. 예를 들어 과학자들은 자연 현상에 대해 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있는 규칙성이 있다고 전제합니다. 또 다른 견해로는 과학철학이 과학에서 사용되는 개념을 명료하게 구축하는 작업이라는 것입니다. 시간, 공간과 같은 용어가 무엇을 뜻하는 지를 분명히 하는 것을 예로 들 수 있겠습니다. 끝으로 과학철학이란 과학적 탐구와 그 밖의 탐구가 어떻게 다른지, 과학의 절차는 어떠하여야 하는지,, 올바른 과학적 지식은 어떤 전제를 만족하여야 하는지 등을 탐구하는 제2준위의 표준설 정학이라고 보는 견해가 있습니다.
이 외에도 프랑스의 과학철학자 도미니크 르쿠르는 20세기 이후의 과학철학을 논리실증주의에 입각하여 과학 자체의 논리를 검증하는 분석적 과학철학, 과학의 역사에 대하여 비판적으로 고찰하는 역사적 과학철학, 과학과 과학이 아닌 것을 구분하는 비판적 과학철학으로 과학철학의 분야를 정리한 바 있습니다.
과학철학은 과학 자체를 보다 합리적으로 발전시킬 뿐만 아니라, 대중이 갖는 과학의 이미지에 대하여 반성하고 보다 균형 있는 과학의 대중화에도 기여한다고 할 수 있습니다.
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