물리 물리학의 기본 이론/법칙들 종합

[혼인잔치]

물질의 구조와 관측 가능한 우주의 기본 구성요소 사이의 상호작용을 연구하는 물리과학의 한 분야.

연구하는 범위는, 주어진 힘의 작용을 받는 물체의 행동과 중력·전자기력·핵력의 성질과 기원을 포함한다. 궁극적인 목적은 이렇게 다양한 현상을 종합·설명하는 포괄적인 원리를 체계화하는 것이다. 현대적 의미의 물리학은 19세기 중엽에 역학, 광학, 음향학, 전기, 자기, 열, 물질의 물리적 성질 등의 여러 오래된 과학을 종합해 형성되었다. 물리학은 기초과학이다. 물리학과 자연철학은 자연의 기본법칙을 발견하고 체계화하는 과학으로서 최근까지 동의어로 사용되었다. 현대과학이 발전하고 전문화됨에 따라 물리학은 천문학·화학·지질학·공학 등에 포함되지 않는 물리과학분야를 의미하게 되었다. 하지만 물리학은 모든 자연과학에 있어 중요한 역할을 하며, 모든 자연과학에는 물리학적 법칙과 측정이 특별히 중요시되는, 예를 들면 천체물리학·지구물리학·생물물리학·심리물리학 등과 같은 분야들이 있다. 물리학은 기본적으로 물질·운동·에너지에 관한 과학으로 정의될 수 있다. 물리법칙들은 전형적으로 수학을 이용해 간결하고 정밀하게 표현된다.

물리학의 발전을 위해 실험과 이론은 필수적이고 상호보완적인 역할을 한다. 물리실험으로 측정을 하고 이는 이론적 예측과 비교된다. 실험결과를 성공적으로 예측한 이론은 물리법칙을 구체화했다고 말할 수 있다. 물리학의 궁극적 목적은 미시적 척도에서 거시적 척도까지 적용되는 물질·운동·에너지에 대한 통일된 법칙을 발견하는 것이다. 이 야망은 기대 이상으로 실현되었다. 아직 완전한 통일이론은 얻어지지 않았지만, 놀라울 정도로 적은 수의 법칙들만으로 모든 알려진 물리현상들을 설명할 수 있다.

물리학의 제분야

역학

일반적으로 역학은 힘을 받는 물체의 운동을 주로 연구하며, 고전역학은 응용수학의 한 분야로 간주되기도 한다. 역학은 운동을 기술하는 운동학(運動學 kinematics)과 운동이나 평행상태의 원인이 되는 힘의 작용을 연구하는 동역학· 정역학으로 구성된다. 고전역학에서 법칙들은 우선 차원, 모양, 다른 고유한 성질이 무시되는 질점(質點)들에 대해서 기술된다. 예를 들어 행성의 궤도운동을 계산할 때, 지구나 태양처럼 거대한 물체도 1차 근사법에서 질점으로 볼 수 있다. 강체동역학은 물체의 형상과 질량 분포를 고려해야 하지만 그 물체들은 변형될 수 없는 것으로 간주된다. 또한 변형가능한 물체들의 역학은 탄성학(彈性學)이라고 한다.

아이작 뉴턴의 3가지 운동법칙은 힘이 벡터량이라는 인식에서 시작되며 고전역학의 기초를 이룬다. 관성의 법칙이라 부르는 뉴턴의 운동 제1법칙은, 외력이 없을 때 정지한 물체는 정지한 상태에 머물며 운동하는 물체는 계속해 등속도로 직선상을 운동한다는 것이다. 제2법칙은, 운동량의 변화율은 그 물체에 가해진 힘의 합과 같다는 것이다. 작용-반작용의 법칙이라 부르는 제3법칙은, 2개의 질점이 서로 작용할 때 각 질점에 미치는 힘은 그 크기가 같고 방향이 반대라는 것이다. 질점들의 집합이 있을 때 어떤 순간에 각 질점의 운동상태와 그들에 가해지는 모든 힘들이 알려지면 위의 3법칙들을 이용해 질점들의 그후의 운동상태를 결정할 수 있다. 고전역학법칙의 이같은 결정론적 특징은 심오한(아마 부적절한) 철학적 결론을 내리게 하기도 했다. 물리학의 가장 기본적인 역학법칙들은 작용력과 반작용력의 예에서 보듯이 어떤 대칭성에 따라서 구별된다. 공간의 반사나 회전, 시간반전(時間反轉), 혹은 다른 공간이나 시간대로의 변환 등에 대해 법칙들이 보이는 불변성과 같은 대칭성들은 고전역학은 물론 상대론적 역학에도 존재하고 약간의 제약하에 양자역학에도 존재한다. 어떤 이론의 대칭성은 보존법칙이라 알려진 기본법칙을 내재하고 있음을 수학적으로 보일 수 있다. 보존법칙은 어떤 물리량이 시간에 대해 불변함을 의미하며, 보존량은 물리학에서 매우 중요한 의미를 가진다. 보존량의 예로 질량-에너지·운동량·각운동량·전하 등이 있다.

중력


알베르트 아인슈타인의 일반상대성이론에서 중력과 국소적 가속계가 동일하다는 것을 ...
이 분야의 연구는 뉴턴 이래로 고전역학에 속해왔다. 뉴턴의 중력법칙은 모든 질점들은 서로 잡아당기고, 그 인력의 방향은 두 질점의 연장선상에 있으며, 세기는 질점의 질량의 곱에 비례하며 질점간 거리의 제곱에 반비례한다는 것이다. 조석(潮汐)과 춘분점의 세차운동과 같은 중력효과는 물론, 행성과 달의 운동궤도에 대한 뉴턴의 설명은 고전역학이 거둔 첫 승리였다. 현대 중력이론은 아인슈타인에 의해 공식화된 일반상대성이론이다. 뉴턴의 운동 제2법칙에서 나타난 질량과 그의 중력법칙에서의 질량은 동일한 것이라는 오래 전부터 잘 알려진 사실로부터, 아인슈타인은 가속운동이 중력을 국소적으로 상쇄시킬 수 있다는 데 착안해 휘어진 시공간개념을 고안하게 되었다. 1915년에 완성된 그의 이론은 주로 이론의 수학적 아름다움으로 주목받았고 무거운 물체 주위에서 광선이 휘는 현상 같은 몇 가지 현상들을 성공적으로 예측함으로써 그 가치를 인정받았다. 최근에 와서 일반상대성이론은 이론적·실험적으로 매우 활발히 연구되는 과제가 되었다.

열역학과 통계역학

열은 물질의 구성요소인 분자들의 무질서운동이나 복사에 관련된 내부 에너지의 한 형태이다. 온도는 분자의 결합 에너지나 회전 에너지를 제외한 내부 에너지의 평균값인데 물질의 최저 에너지 상태가 절대온도의 영점으로 정의된다. 고립된 물체는 균일한 온도 분포를 가짐으로써 열평형상태에 이르며 이는 2개 또는 그 이상의 물체가 접촉하고 있을 때도 마찬가지이다. 열역학은 열평형상태에 있는 물체들을 연구 대상으로 해 다음과 같은 3가지의 기본 법칙을 가지고 있다. ① 제1법칙：고립계에서 열을 포함한 모든 에너지는 보존된다. ② 제2법칙：냉장고와 같은 외부장치가 없는 한, 열은 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 전달되지 않는다. 달리 설명하면 엔트로피는 계의 무질서도의 측도이며 제2법칙을 엔트로피로 나타내면 고립계의 엔트로피는 시간이 경과할 때 절대 감소하지 않는다는 것이다. ③ 제3법칙：절대온도 영점에서의 엔트로피는 0이다.

통계역학은 분자의 혼돈 상태를 가정하고 확률이론을 적용해 분자들의 역학적 성질로부터 물체의 거시적 성질들을 도출한다. 구성입자들의 상태가 모든 가능한 상태들에 대해 확률적으로 균등함을 가정할 때, 질서상태보다는 최대 엔트로피를 가지는 무질서상태의 확률이 훨씬 높으므로, 고립계는 열역학 제2법칙에서 보듯이 무질서 상태로 나아가게 된다. 열역학법칙은 거시적 상태의 평균값을 기술하고, 반면 통계역학은 열역학법칙들을 유도할 뿐만 아니라 평균값으로부터의 요동을 기술할 수 있다.

전자기학

전기와 자기는 19세기 이전까지는 다른 현상으로 구분되었지만 이후로는 전자기학이라는 통합된 이론의 구성요소로 인식된다. 전하를 지닌 입자들은 전기력에 의해 상호작용하고, 움직이는 전하는 외부자기력과 작용하며 또한 그 자신이 자기력을 일으킨다. 장(場 field)의 개념은 많은 다른 물리분야에서처럼 고전전자기학에서도 중심적 역할을 한다. 두 하전입자 사이의 전기력 작용을 다음과 같이 장을 이용해 설명한다. 각 하전입자는 주변 공간에 전기장을 형성하며 다른 하전입자의 위치에도 전기장이 형성되고 이때 각 하전입자는 다른 하전입자에 의한 전기장과 작용한다. 간단히 요약하면 고전전자기학은 전하와 자석에 대한 전기장과 자기장에 관한 법칙이며 이는 바로 19세기 후반 제임스 클럭 맥스웰이 정리한 4개의 방정식들로 표현할 수 있다 . 또한 이 방정식으로부터 맥스웰은 전자기파의 존재를 추론했다. 전자기파는 공간에서 광속으로 진행하며 에너지·운동량·각운동량과 같은 역학적 성질도 가진다. 가시광선은 파장이 긴 무선전파에서부터 파장이 짧은 감마선에 걸쳐 있는 전자기파 스펙트럼의 한 영역에 불과하다.

광학

빛이 전자기파이기 때문에 빛의 전파는 전자기학의 한 분야로 여길 수 있지만 역사적으로 광학이라는 별도의 분야로서 취급되어 왔다. 기하광학은 광선의 궤적을 다루고, 빛의 파동적 현상은 물리광학이라는 분야에서 다룬다. 최근에 발전된 양자광학은 레이저의 이론과 응용을 다룬다. 렌즈·현미경·망원경 등 광학기구에 의한 상의 형성은 기하광학으로 설명한다. 기하광학에서 빛의 진로는 광선이라 부르는 직선으로 가정하지만 빛의 파동성에 기인한 효과는 물리광학에 의해서만 설명이 가능하다. 빛의 파동성에 의한 효과로 간섭·회절 등이 있다.

원자물리학과 화학물리학

20세기의 위대한 업적중의 하나는 원자설의 정당성을 확립한 것이다. 데모크리토스와 다른 고대인들에 의한 원자설은 물질이 더 이상 분리되지 않는 원자라고 불리는 상대적으로 극히 적은 종류의 동일한 부분으로 구성되어 있다는 것이었다. 하지만 오늘날 원자는 핵과 전자들로 구성되어 있다고 알려져 있다. 원자들이 서로 결합하여 분자를 이루고, 그러한 분자의 구조를 화학과 화학물리학에서 다루고 있다. 원자들은 응집물질 물리학에서 다루는 결정구조를 이루기도 한다. 이런 분야들은 일상적으로 경험할 수 있는 물질의 매우 중요한 성질들을 연구한다. 원자의 구조는 양자역학에 의해서만 이해할 수 있으며 보다 미세한 구조는 양자전기역학을 필요로 한다. 원자의 성질은 주로 간접적 실험결과로부터 추론된다. 가장 중요한 실험방법은 분광학이다. 분광학은 물질로부터 방출되거나 흡수되는 전자기복사를 측정하고 해석한다. 놀라운 것은 전자기복사의 구조가 원리적으로, 때로는 실제로 몇 개의 기본 물리상수를 사용하여 정밀하게 계산할 수 있다는 것이다.

응집물질물리학

고체 및 액체물질의 열·탄성·전기·자기·광학적 성질을 다루는 이 분야는 최근 수년 간 폭발적 비율로 성장했으며 수많은 중요한 과학적·기술적 업적을 성취했다. 고체 물질 가운데 양자역학으로 다룰 수 있는 다중 입자계인 결정성 물질의 이론적 연구에서 가장 많은 진보가 있었다. 고체 안에서는 원자들이 매우 긴 거리에 걸쳐 분포되므로 이론은 원자나 분자의 기술에 적합한 것 이상이 되어야 한다. 즉 금속과 같은 도체 안에서 전기전도도와 열전도도를 담당하는 자유전자들은 개개의 원자가 아니라 집단적으로 고체물질 전체에 속한다 . 이밖에도 액체, 액정, 극저온에서의 양자액체 등의 성질도 이 분야의 관심대상이다 . 양자액체는 거시적 양자현상인 초유동성(超流動性)을 보인다. 이런 양자현상은 일부 금속들과 세라믹들이 저온에서 보이는 초전도성에서도 그 예를 찾아 볼 수 있다.

핵물리학

이 분야는 원자핵의 구조와 불안정한 핵의 복사를 다룬다. 양성자와 중성자같이 원자의 1/10,000 크기인 핵구성 입자들이 서로 당기는 핵력은 너무 강해서 핵 에너지는 전형적인 원자 에너지의 약 100만 배에 달하게 되므로 핵의 구조를 이해하기 위해서는 양자이론이 필요하다. 핵물리학의 주된 연구방법은 입자 빔(beam)을 핵에 충돌시키는 것이다. 튀어나온 입자들과 핵의 파편들을 검출하고 그들의 방향과 에너지를 분석해 핵구조의 세부를 이해하고 강한 핵력(강력)에 대해 많은 것을 배운다. 크기가 훨씬 약한 약력이라는 것은 베타 선의 방출에 관련된다. 핵충돌 실험은 고에너지 입자 빔을 사용하며, 1차 핵충돌에 의해 만들어지는 불안정한 입자인 중간자도 사용된다. 양성자와 중성자 간의 중간자교환은 강력의 직접적 원인이다.

입자물리학

현대물리학의 가장 중요한 분야 가운데 하나로, 기본적인 원자구성입자, 즉 소립자에 대한 연구이다. 고에너지 물리학이라고도 부르며 1930년대 핵물리학과 우주선물리학의 실험·연구의 발전과 함께 시작되었다. 초기에는 우주로부터 지구에 떨어져 대기와 상호작용하는 고에너지 복사를 연구했으나 제2차 세계대전 이후에는 고에너지 입자를 제공하는 입자가속기를 사용하기 시작했다. 양자장론은 고에너지 물리학의 분석에 필수적이다. 최근 수십 년 간의 일관된 관점은 물질이 경입자, 쿼크, 장의 양자(量子) 등 3가지의 소립자로 구성된다는 점이다. 소립자는 전하, 스핀, 질량, 자기, 그외에 복잡한 특성들을 가지고 있어서 아주 작은 당구공과 같은 고전적 물체와는 다르지만 그럼에도 불구하고 점과 같은 것으로 간주된다. 각 경입자나 쿼크는 그 성질이 반대인 반입자(反粒子)와 쌍을 이루며 존재한다. 쿼크가 전자기뿐만 아니라 강한 상호작용과 약한 상호작용을 하는 반면 경입자는 전자기 상호작용과 약한 상호작용에만 관여한다.

일상적 물질들은 전자와 핵으로 구성되고 핵은 다시 중성자와 양성자로 구성된다. 핵자(양성자와 중성자)는 다시 3개의 쿼크로 구성되었다고 짐작되는데 쿼크의 전하는 양일 때 전자전하의 2/3, 음일 때 －1/3이고 반쿼크의 전하는 쿼크의 전하와 부호만 반대이다. 핵결합에 관계되는 중간자는 1개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 구성된다. 일상적 물질을 이루는 소립자들과 그것들에 대한 반입자들을 제1세대 소립자라고 하며 그 이상의 세대들이 존재할 수 있다고 본다. 이미 제3세대의 톱(top) 쿼크를 제외한 제2·3세대 소립자들의 존재가 입증되었다. 쿼크와 경입자들의 상호작용을 매개하는 양자장은 양자라 부르는 입자로 구성된다. 전자기장의 양자는 빛을 구성하는 광자이다. 전자기 상호작용과 약한 상호작용의 통일이론인 전기약력이론은 약한 상호작용이 광자보다 100배 정도 무거운 입자를 매개로 한다고 밝힌다. 이것들은 하전입자들인 W＋, W－, 그리고 중성인 W0로 모두 실험적으로 관찰되었다.

강한 상호작용이론, 즉 양자색역학에서는 글루온(gluon)이라 부르는 8가지의 양자들이 쿼크나 반쿼크들을 결합하게 하며 이때 작용하는 힘을 색력(color force)이라 한다. 쿼크는 빨강·파랑·녹색 등 3종류의 색깔을 띠며, 쿼크들의 결합체는 혼합색이 흰색일 때만 자연에서 관찰될 수 있다는 것이 양자색역학의 추측이다. 양자색역학의 많은 예측들이 실험으로 확인되었다.

양자역학

물리학의 다양한 분야들은 각기 다른 실험방법과 이론적 접근방법을 갖고 있지만 어떤 일반적인 원리는 모든 분야에 적용된다. 많은 분야에 걸쳐 물리학의 최첨단은 매우 미시적인 영역에 있으며 모든 것들은 현대물리학의 이론적 기반인 양자이론과 상대성이론에 기초하고 있다. 고전이론에서 연속적인 값들을 갖는 물리량들이 양자이론에서는 불연속적으로 분리된 값들로 된다. 고전물리학의 결정론적인 본질은 양자이론에서는 본질적 불확실성으로 대체된다.

양자이론에 따르면 전자기복사는 어떤 경우에는 에너지와 운동량이 파동의 진동수에 비례하며 입자처럼 행동하는 광자들의 집합체라고 볼 수 있다. 한편 고전물리에서는 입자로 보이는 전자나 다른 입자들이, 파장이 그 입자의 운동량에 반비례하는 파동의 성질을 가지게 된다. 두 경우의 비례상수는 모두 작용량의 특성양자인 플랑크 상수 h이다 .

원칙적으로 모든 원자·분자 물리학은 양자역학으로 설명된다. 원자 속의 전자는 핵 주위에서 슈뢰딩거 파동함수라 부르는 일종의 정상파를 이룬다. 이 정상파에 의해 양자파동의 파장이 결정되어 양자의 에너지 상태도 결정된다. 결과적으로 원자계는 불연속적인 양자화된 에너지 상태에 제한된다. 원자가 불연속적 전이를 할 때, 원자의 에너지는 정밀하게 정의된 양만큼 바뀌고 그 차이만큼의 에너지를 가진 광자가 방출, 또는 흡수된다. 원자의 에너지는 정밀하게 정의될 수 있지만 원자 속의 전자들의 위치는 그렇지 못하다. 양자역학은 다만 전자위치에 대한 확률만을 줄 수 있다. 이것은 바로 하이젠베르크의 불확정성원리에 의한 결과이다. 이 원리에 의하면 입자의 위치측정에 대한 정밀도가 높아질수록 운동량의 불확정성은 높아진다. 불확정성의 정도는 플랑크 상수의 크기만큼으로 조절되는데 그 양은 너무 작아서 미시적 세계를 벗어나면 양자역학이 아무런 영향을 주지 않는 것처럼 보인다. 어떤 입자의 미래를 결정하기 위해서는 어떤 순간에 그 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알아야 하므로 양자역학은 이러한 결정론적 예측이 불가능함을 암시한다.

전자기복사와 입자들의 상보적(相補的)인 파동성과 입자성, 즉 파동입자 이중성은 불확정성원리의 또하나의 예이다. 전자가 회절에서와 같은 파동성을 보일 때 전자의 입자성은 감춰지고, 반대로 전자기복사가 콤프턴 효과에서와 같은 입자성을 보일 때 복사의 파동성은 나타나지 않는다. 닐스 보어에 의해 주장된 이와 같은 상보성원리는, 물리세계가 여러 상보적 형태로 나타나고 어느 하나도 완전하지 않으며 완전히 이해하기 위해서는 모든 상보적 형태가 필수적이라는 것을 의미한다.

상대론적 역학

특수상대성이론은 1905년 주로 아인슈타인에 의해 발전되었다. 상대성이론의 결과들은 아인슈타인의 관성좌표계에 대한 2가지의 기본적 가정으로부터 유도된다. 관성좌표계는 뉴턴의 관성법칙이 성립하는 기준좌표계이며 각 관성좌표계는 서로에 대해 등속도로 운동한다. 2개의 가정은 다음과 같다. ① 광원에 대해 어떤 상대운동을 하든 모든 관찰자에게 광속은 동일하다. ② 물리법칙은 모든 관성좌표계에서 동일하다.

광속의 불변성을 말하는 첫째 가정은 실험적으로 확인되었으며, 로렌츠-피츠제럴드 수축, 시간지연, 동시성의 상대성과 같은 상대론적 현상들을 야기시킨다. 결과적으로 3차원 공간에서의 거리간격은 시간간격과 연관되어 4차원 시공간이 형성된다. 고전역학에서도 상대성의 원리라 불리는 둘째 가정이 필요하다. 상대성이론에서 역학적 양들은 고전적 양들과 다르지만 속력이 광속보다 작은 극한에서는 같은 값을 가진다. 상대성이론에 의하면 질량(m)과 에너지(E)는 교환 가능한 동등한 양들로 그 관계식은 E＝mc2이다(c는 광속임). 일반상대성이론은 아인슈타인의 중력이론이며 그 원리는 중력과 국소적 가속계가 동일하다는 것이다. 아인슈타인의 이론은 특수상대성이론의 평탄한 시공간개념을 휘어진 시공간개념으로 일반화하며 모든 현대우주론들의 이론적 배경이 된다.

보존법칙과 대칭성

현대물리학의 초기 이래로 여러 가지 보존법칙이 알려졌으며 물리법칙에 나타나는 자연의 대칭성으로부터 보존법칙이 유도된다는 것이 20세기 들어 수학적으로 증명되었다. 고전물리·상대성이론·양자이론에서는 질량-에너지, 운동량, 각 운동량, 전하에 대한 보존법칙이 성립한다. 양자이론, 특히 소립자이론에서는 고전물리에 중요한 영향을 주지 않는 엄격하거나 근사적인 대칭성과 보존법칙이 존재한다. 예를 들어 좌우반사 대칭성(반전성), 시간역전 대칭성 등과 관련된 양자수들이 있다. 이 양자수들은 약한 상호작용이 아닌 모든 과정에서 보존된다. 시간과 공간에 직접 연관되지 않는 다른 대칭성은 소립자나 소립자복합체의 서로 다른 족들을 구분한다. 쿼크, 양성자, 중성자, 불안정한 쿼크 복합체 등은 중입자수를 가진다. 양성자붕괴와 같이 중입자수 보존을 위배하는 경우는 아직 확인되지 않았다. 같은 방법으로 정의된 경입자수에 대해서도 대칭성과 보존법칙이 성립한다.

기본적 힘과 장

자연에 존재하는 4가지의 기본적 힘들은 세기가 작은 것부터 ① 질량 사이의 중력, ② 전하나 자기를 가진 입자들 사이의 전자기력, ③ 약력, ④ 쿼크 사이의 강력 등이 있다.

양자장론에 의하면 4개의 기본적 상호작용들은 각각 벡터 게이지 보손(vector gauge boson)이라 부르는 양자를 교환함으로써 일어난다. 그것들은 플랑크 상수 h로 측정했을 때 모두 단위 스핀을 가진다. 게이지란 그것들이 가지고 있는 특별한 대칭성을 의미한다 . 게이지 대칭성은 전자기장의 전위(電位)에서 처음으로 보여졌고, 양자색역학의 질량이 없는 8개의 글루온도 게이지 대칭성을 갖고 있다. 그러나 전기약력이론에서는 게이지 대칭성이 부분적으로 깨어지기 때문에 광자만이 질량이 없고 다른 게이지 보손들인 W＋, W－, Z 등은 큰 질량을 가진다. 현재 이론물리학자들은 양자색역학을 포함하고, 더 나아가 양자중력이론까지도 포함하는 대통일이론을 만들려고 노력하고 있다.

물리학의 방법론

물리학은 다양한 방법론을 가지고 발전해오고 있다. 본질적으로 실험과학으로서 더욱 정교한 측정을 통해 미처 기대하지 못했던 새로운 결과들을 얻을 수 있다. 한편 기존이론을 새로운 이론분야에 적용하려는 수학적 시도, 명백해 보이지만 검증되지 않았던 가정들에 대한 엄격한 재시험, 대칭성과 근사성에 의한 논증, 미학적 판단, 우연, 직감 등의 모든 것들도 물리학의 방법론으로 의미를 가진다. 상세한 기술적 방법은 문제마다 달라지지만 물리학자들은 이상화된 모형을 만듦으로써 미해결된 문제를 쉽게 하려는 노력을 계속한다. 이렇게 만들어지는 일련의 모형들은 실제를 점점 닮아가게 되고 종국에는 실제 물리적 상황에서의 문제를 풀 수 있게 된다. 보어가 공식화한 대응원리는 양자이론적 견지에서 씌어졌는데 이론적 해석을 확장하는 데에도 유용한 원리이다. 대응원리란 어떤 정당한 이론이 좀더 넓은 영역으로 확장될 때, 새 이론과 이전 이론이 모두 적용되는 공통영역에서는 새 이론의 예측이 이전 이론의 것과 일치해야 한다는 것이다. 예를 들면 속력이 광속보다 훨씬 느릴 때 상대론적 역학은 뉴턴의 고전역학과 일치해야 한다.

물리학과 다른 학문, 사회와의 관계

관련학문에 대한 물리학의 영향

주지하듯이 물리학은 자연에 존재하는 가장 간단하고 기본적인 문제들의 해답을 밝힘으로써 다른 과학 분야, 철학, 세계관, 기술 부문에까지 심오한 영향을 미쳐왔다. 어떤 물리학 분야가 성숙하게 되면 그 분야는 기초적 연구에서 응용물리로, 또 거기서 기술 부문으로 연구가 옮겨져갔다. 또한 전혀 관계없어 보이는 분야들까지도 물리학의 실험적·이론적 방법들을 모방해가게 되어 물리학은 과학적 방법의 전형으로 인식되고 있다. 철학에 대한 물리학의 영향은 일찍이 물리학이 자연철학으로 구분된 데서도 입증된다. 오늘날의 과학철학은 주로 물리학의 기본적인 것들을 다루고 있다. 철학적 결정론은 뉴턴 역학에 근거를 두고 있다. 양자역학의 불확정성원리는 결정론 문제의 재시험을 촉구했으며 불확정성원리의 다른 함의(含意)는 아직 명확하지 않다.

물리학에 대한 관련학문의 영향

기술이 기초과학에 의해 양육된 것처럼 물리학은 그 자신의 발전을 위해 현대기술의 발달된 기술과 기구를 이용한다. 예를 들면 실험물리학자들은 점차 세련되고 정밀한 전자장치를 이용하고 있다. 수학은 항상 이론물리학자의 기본적 도구였으며 군론(群論)·미분기하학 등 심오한 수학분야도 이론물리학에 긴요히 이용되고 있다. 또한 현재 실험이든 이론이든 많은 물리연구는 고속 컴퓨터에 의존하고 있다.

사회 안에서의 물리학자

현대물리학이 점차 일상적으로 경험할 수 없는 것들을 다루고, 또 고등수학에 많이 의존함으로써 물리학자들의 연구내용은 일반인의 인식과 점차 멀어지게 되었다. 하지만 특히 제2차 세계대전 이후로 물리학자들은 점차 사회에서 중대한 역할을 맡고 있으며 또한 많은 국가차원과 국가연합차원의 연구소와 연구재단이 세계 곳곳에 세워졌다.

물리학의 기초연구는 공공의 지원과 투자에 의존한다. 물리학이 발전해감에 따라 물리학의 연구결과와 과학·사회에서 보다 일반적 문제에 대한 물리학자들의 책임인식이 점차 높아가고 있다.
내용출처 : 브리태니커 사전꾸러미