[학과 포커스] 물리학과, 4차 산업혁명 이끌 융합기술의 핵심축

[푸른하늘]

[학과 포커스] 물리학과, 4차 산업혁명 이끌 융합기술의 핵심축

-물리학과 학생부종합전형 준비는 어떻게? 
-물리학과 전공 관련 추천도서 
-물리학 전공에 유리한 학생은? 
-졸업 후 진로

*유럽입자물리연구소(CERN) 연구진이 새로운 입자 발견의 증거로 공개한 CMS 검출기 사진. 양성자 충돌로 인해 힉스로 추정되는 새로운 입자가 두 개의 선으로 붕괴되면서 튀어 나가는 모습이 선명하게 찍혀 있다. [사진 출처=scmp.com]

물체의 이치를 연구하는 학문 ‘물리학’ 
물리학(物理學)이란 한자 그대로 물체의 이치를 연구하는 학문이다. 세상 모든 사물이 그 대상이고 여러분 주위에 있는 모든 것이 물리학의 범주에 들어간다. 이 글을 읽고 있는 여러분의 눈은 빛이라는 파동을 받고 있고, 종이를 들고 있는 여러분의 팔은 몸속의 근육과 뼈와 관절의 도움을 받아 움직이고 있다. 정확히 물리가 관여하고 있는 영역이다. 

과거, 과학이라는 학문이 발전하기 시작할 때부터 물리학은 모든 과학의 기초로 견고히 뿌리내려 왔다. 대학에서 배우는 모든 이공계 관련 학과의 기초학문이자 더 나아가 모든 과학의 기초이기도 하다. 

그렇다면 대학교 물리학과에서는 무엇을 배울까? 또 물리학 전공을 위해 어떤 준비를 하는 것이 좋을까? 

물리학의 엔진 ‘과학적 방법론과 엄밀함’ 
물리학은 자연의 가장 기본적인 특성을 연구하고 그 결과를 이용해 복잡한 세계를 지배하는 근본 원리를 이해하려는 학문이다. 과학적 방법이란 일반적으로 관측에 기반해 가설을 세우고 객관적으로 검증하는 것을 의미한다. 

물리학도 이러한 과학적 방법에 기초를 두고 물질과 그것의 운동의 원리에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히, 물리학은 모든 학문 분야 중 정량적으로 가장 엄밀한 학문이다. 

물리학은 이론 물리학과 실험 물리학으로 나뉜다. 이론 물리학에서는 우주의 근본을 수학적으로 연구해 인간을 둘러싸고 있는 세계에 대한 이해력을 높이는 것을 목적으로 한다. 

실험 물리학에서는 이론 물리학에서 연구한 이론을 검증을 통해 자연현상에 대한 이해를 확인한다. 그리고 더 나아가 산업계에서 좀 더 물리 이론을 유용하게 사용할 수 있도록 응용해 실생활을 이롭게 하는 방법을 개발한다. 

이학과 공학의 차이는? 
과학기술은 크게 이학, 공학으로 분류하며 이학은 수학과 물리학을 말한다. 공학은 이학을 기반으로 인류의 이익을 위해 새로운 제품, 도구 등을 만드는 학문이다. 이학에서 마련된 과학적 원리, 지식을 활용해 도구화하는 것이 공학으로 우리가 흔히 말하는 응용과학이라고 이해하면 된다.

공학은 기계공학, 건축학, 조선공학, 항공공학, 우주공학, 화학공학, 에너지공학, 재료공학, 전기공학, 전자공학, 반도체공학, 통신공학, 원자력공학, 생물공학, 의공학, 환경공학, 토목공학 등 산업과 직접적으로 연계돼 있다. 

이학은 과학기술의 초석이자 공학의 기초로 물리학은 물질의 구성이나 운동에 관여하는 에너지나 힘이 작용하는 원리 등을 연구하는 자연과학이다. 자연에 대한 일반적인 분석과 우주 만물이 어떤 방식으로 존재하고
그 역학 관계를 이해하기 위한 학문이다. 

물리학에도 수많은 분야가 있다. 입자 및 장 물리학, 핵물리학, 응집물질물리학, 응용물리학, 통계물리학, 플라즈마물리학, 광학, 양자전자학, 원자 및 분자물리학, 반도체물리학, 천체물리학 등 다양한 분과가 존재하고 각 분과의 하위 개념에 해당하는 수많은 갈래들이 바로 그것이다. 

물리학의 비전 
물리학은 우주를 구성하는 물질의 근본적인 상호작용을 탐구하는 학문이다. 이에 자연과학뿐만 아니라 과학적 접근법의 근본이 되는 학문으로서 각 시대의 첨단 지식을 생산하며 인류에게 경제적 풍요를 제공해왔다. 

또한 우주의 생성과 물질의 기본 구조에 대한 이해는 물론 무선 통신, TV, 컴퓨터, 그리고 모바일 통신에 이르기까지 현재 우리가 당연하게 받아들이고 누리고 있는 수많은 것들이 물리학 연구에 기반을 두고 있다. 

가상현실, 클라우드 컴퓨팅, 그리고 자율주행차로 대변되는 4차 산업혁명을 맞이하고 있는 현재, 우리가 겪어온 엄청난 혁신들은 물리학 연구 결과로부터 시작됐다고 해도 과언이 아니다. 

21세기 기술의 발전은 물리학의 영역을 더 깊고 넓게 확장하고 있다. 거대 강입자 충돌기(LHC)에서 질량의 기원을 설명할 수 있는 신의 입자 힉스(Higgs boson)를 찾아내면서, 극한의 미시세계의 현상으로부터 크고 무한한 우주의 구조에 이르는 수많은 비밀을 캐낼 수 있게 됐다. 

물리학은 지금까지의 인류 역사상 경험할 수 없었던 새로운 시대의 새로운 문제를 해결하는 방법을 익히는 데 가장 적합한 학문이다. 그리고 그 주역은 바로 물리학도들이 될 것이다. 

물리학 전공에 유리한 학생은? 
자연 현상에 대해 끊임없는 호기심과 열정을 가진 사람이면 좋다. 물리계의 운동을 이해할 수 있는 논리적인 사고와 수리력과, 눈에 보이지 않는 세계를 이해할 수 있는 창의적인 사고도 필요하다. 주위 현상에 대한 관찰력을 갖춘 학생에게 유리하며, 흥미 있어 하는 특정한 분야를 깊게 파고드는 성향의 학생에게 적합하다. 

□ 자연의 근본원리를 알고 싶다. 
□ 직관적으로 판단하는 능력이 뛰어나다. 
□ 겉보기가 서로 다른 현상의 상관관계를 잘 파악한다. 
□ 처음 보는 문제에 대한 답을 체계적인 접근방법으로 해결할 줄 안다. 
□ 답지를 보지 않고 혼자서 문제를 해결하는 버릇이 있다. 
□ 궁금한 것이 생기면 답을 알아낼 때까지 오로지 한 문제에 집중한다. 

물리학과 학생부종합전형 준비는 어떻게? 
고등학교 <물리> 교과는 입시위주의 암기과목은 아니지만, 수능이나 교과 내신을 위해서 문제를 더 풀어보고, 더 많은 답안을 외우면 되는 그런 과목이라고 느껴질지도 모른다. 

그러나 학생부종합전형으로 물리학과 입학을 준비하는 학생들은 성적 상승만큼 공부 방식을 특화하려는 노력에 신경 써야한다. 대학교 물리학과에 입학하면 물리 속의 다양한 대칭성과 그것을 활용한 그룹화를 통해 좀 더 체계적이고 통합적인 학문으로서의 물리학을 배우게 되기 때문이다. 

따라서 좀 더 많은 공식을 배우고 문제풀이 방법을 암기하기보다 어떠한 문제가 주어졌을 때, 물리학적 사고방식으로 접근할 수 있는 능력을 보여야 한다. 공부할 때, 덮어 두고 외우기만 했던 공식들이 왜 그렇게 되는지 좀 더 근본적 원리에 중점을 두고 학습하는 것이다. 

스스로 가설을 세웠을 때, 그 가설이 왜 옳은 것인지 혹은 그 가설이 틀릴 가능성은 없는 것인지 등 이런 모든 질문에 답하며 모든 사물이나 현상의 근본을 파헤쳐 보자. 

이러한 차별적이고 엄밀한 사고방식을 학교생활기록부에 기록하는 것이 핵심이며, 이런 사고를 하는 학생이야말로 급변하는 미래 사회의 어떤 분야에서도 빛을 발할 수 있는 물리학 전공생으로 적합하다. 

물리학과 전공 관련 추천도서 
토마스 쿤 <과학혁명의 구조>, 미치오 카쿠 <미래의 물리학>, 이종필 <물리학 클래식>, 데이비드 린들리 <불확정성>, 이강영 <LHC, 현대물리학의 최전선>, 칼 세이건 <코스모스> 등 

물리학과 전공수업 및 학년별 전공과목 
물리학의 기초는 고전 역학, 전자기학, 양자역학, 상대성이론, 양자장론 등으로 구성된다. 

현대 물리학은 가장 근본적인 기본입자의 상호작용을 연구하는 입자물리학, 핵력이 지배하는 영역에 관한 핵물리학, 빛과 원자의 전자기적 상호작용을 연구하는 양자광학 및 원자물리학, 전자기적 상호작용으로 응집된 물질의 특성을 연구하는 응집물질 물리학, 거대한 규모의 입자 집단의 통계적 특성을 연구하는 다체계 물리학, 생명체 내부의 물리현상을 연구하는 생명 물리학 등으로 분류된다. 

전공 수업 
입자/핵 물리학, 원자 분자 물리학 및 광학, 응집물질 물리학, 통계 물리학, 생명 물리학 

1학년: 미적분학 및 연습, 일반물리학, 일반화학, 지구환경과학, 일반생물학 
2학년: 기초물리학 실험, 일반역학, 수리물리학, 전자기학 
3학년: 양자역학, 현대물리학 및 실험, 전자 물리학 및 실험, 통계물리학 
4학년: 현대광학, 고체물리학, 핵 및 입자 물리학, 생물물리학, 전산물리학 및 실습, 고급물리실험 

졸업 후 진로는? 
물리학은 기초과학이기 때문에 여러 가지 방향으로 진로를 정할 수 있다. 첨단 산업사회에서 사회현상을 설명하는 물리학 전공자들은 대학에서 얼마나 폭넓게 사고하고 공부하느냐에 따라 길은 얼마든지 넓혀갈 수 있다. 

물리학 전공자는 화학, 생물, 공학, 의학 등 모든 이공계 분야로 진출할 수 있다. 특히 공학과 정보통신공학 등의 분야는 물리학 졸업생을 선호한다. 복잡한 수학 이론을 다루는 미국의 월스트리트와 같은 증권가나 은행에서도 물리학 전공자 채용은 흔한 일이다. 또한 본인의 희망에 따라 다양한 기술사 자격증을 취득한 후 변리사 등으로 활동하기도 한다. 

기업계: 전기·전자, 반도체, 신소재, 광학, 컴퓨터, 정보통신, 재료, 방사선, 비파괴, 항공, 원자력 등 관련 기업체, IT, 은행, 금융 등 
연구소: 전자통신연구소, 국방과학연구소, 표준과학연구소, 과학기술연구소, 원자력·에너지 관련 연구소 등 
학계·교육계: 중·고등학교 물리교사, 대학교수, 대기업 연구소 책임 연구원, 의학전문대학원 등 
기술자: 재료공학기술자, 전자공학기술자, 기계공학기술자, 에너지공학기술자, 시스템소프트웨어개발자 등