물리학의 분야

물리학은 여러 분야로 이루어진 학문으로 발전해왔다. 행성 운동과 같은 몇몇분야는 오랜 역사를 가지고 있으며, 오늘날에는 완전히 이해되고 있다. 다른 어떤 분야는 최근에 크게 발전하고 있다; 예컨대 현재의 전자 과학기술은 물리 지식의 한계 때문에 50년 전만 하더라도 존재하지 않았다. 물질의 본질이나 우주의 기원과 같은 미해결의 근본적인 문제는 입자 물리학과 우주론 분야에서 활발한 연구가 전개되고 있으며 활기차게 논의되고 있다. 오래전에 완성된 물리학의 기초 분야라 할지라도 자연계 및 과학기술에서 새로이 응용됨으로써 끊임없이 놀라움을 자아내고 있다.

물리학은 여섯 주요 분과로 나눈다. 이 분과들에는 각각 세분된 여러 분야가 있으며 이 세분된 각 분야는 전문 서적의 제목이며 연구 영역이 된다. 더욱이 여러 최신의 분야-생물 물리학과 천체 물리학과 같은-은 여러 개의 분과에 양다리를 걸치고 있다.

운동을 논의하는 물리학의 분과를 역학(力學, mechanics)이라 한다. 승용차를 운전하거나 스케이트보드를 탈 때 또는 고층 건물을 건축할 때 역학 법칙들을 이용한다. 대부분 고전역학(古典力學, classical mechanics)을 다루었는데 고전역학은 분자에서부터 은하계들까지 광속보다 느린 속력으로 운동하는 물체에 적용된다. 나중 장에서 고전역학은 양자역학과 Einstein의 상대론을 포함하는 더욱 포괄적인 물리 법칙의 어림에 불과한 것을 알게 될 것이다. 처음 9개의 장에선 입자라고 하는 단일 물체의 운동을 다룬다. 그다음 10장부터 15장까지는 다 입자 계의 운동으로 일반화한다. 축구 경기장을 휩쓸고 서 있는 구경꾼들의 파, 해안과 부딪치는 대양의 파도 및 의사전달을 하게 되는 음파는 파동운동(波動運動, wave motion)이라고 하는 특수한 종류의 다 입자 운동의 보이기다. 지구는 그 8분의 5가 액체인 물로 덮여 있으며 기체인 대기로 완전히 둘러싸여 있다. 우리가 사는 육지도 그 밑에 있는 유체 충 위에 떠 있는 것이다. 우리 몸의 세포들은 순환계를 지나는 유체의 운동으로 영양을 공급받게 된다. 그리고 우주 내의 물질 덩어리–항성과 항성 사이의-는 유체 상태이다. 18장에서 역학 법칙들을 유체에 적용한다. 지구상의 거의 모든 생명체는 태양으로부터의 끊임없는 에너지 공급으로 잘 자라고 있다. 그리고 에너지 전달 과정의 예민한 균형으로 살기에 적당한 온도로 지구는 유지되고 있다; 인간 활동이 그 균형을 깨어 극심한 기후 변동이 생기지 않을까 계속 걱정하고 있다. 원자력 발전소, 가솔린 기관, 태양열 응집기, 기름 가마와 가스로, 그리고 이 외의 많은 여러 에너지원이 개발되었다. 지구의 에너지 균형과 에너지 기술의 가동에 관한 관심거리가 모두 열역학(熱力學, thermodynamics)-열과 그 물질과의 상호작용에 관한 학문-과 관련된다. 역학 다음으로 4개의 장에서 열역학을 배울 것이다.

물리학의 또 하나의 주요 분과 전자기학(電磁氣學, Electromagnetism)을 폭넓게 다룬다. 고대 그리스인들은 물질의 전기적, 자기적 성질에 관하여 다소 알고 있었다. 전기와 자기란 말 자체가 전기적인 그리고 자기적인 효과를 나타내는 천연물질 재료에 대한 그리스어에서 비롯되었다. 서기 12세기경에 중국인이 발명한 자기 컴퍼스로 자기의 이용이 보급되어 항해를 촉진했다. 1800년에 Alessandro Volta는 전지를 발명하였다. 이 전지로 전류와 그 자기적 효과와 관련되는 실험이 가능하게 되었다. 1800년대 후반에 전자기학의 응용으로 전신기, 전화기 그리고 전력 배전을 포함하는 실용적인 기술이 나타나게 되었다. 과학사에서 가장 포괄적인 종합 중에 하나로서 1860년대에 James Clerk Maxwell은 전자기학을 완벽하게 기술하는 공식을 완성하였다. 이 공식들은 전기학과 자기학이 밀접하게 관련된다는 것을 나타낸다. Maxwell 이론의 놀라운 예언으로서 빛은 하나의 전자기파이며 또 다른 전자기파도 있을 수 있다는 것이다. 라디오나 TV는 바로 이 예언의 결과이다. 오늘날 디지털시계, 테이프형 비디오 녹화기, 전자레인지 그리고 특히 컴퓨터가 입증하듯이 전자기 기술은 인류문화를 좌우한다. 전자기학에 12개의 장을 할애한다.

빛의 거동은 전자기학과 밀접하게 관련되어있다. 35~37장에서 광학(光學, Optics)이라는 물리학의 분과를 탐구한다. 광학에서 빛과 그리고 렌즈, 프리즘, 훼철 발과 같은 광학기구와 또한 이 광학 기구들로 조립된 장치-현미경, 망원경, 분광계 등-에 대한 이해를 쌓게 된다.

전자기 이론은 많은 실용적인 기술들을 직접 끌어냈지만, 빛의 본성, 운동, 공간 및 시간에 관한 이해할 수 없는 근본적인 의문들을 제시하였다 1905년 Albert Einstein의 특수 상대성 이론(特殊相對性理論, Special theory of Relativity)은 진실을 놀랄 정도로 간단히 묘사한다. 상대론이 물리적 사실을 고전역학보다 더 정확하게 기술하지만-1초에 일곱 번 지구를 도는- 에 가까운 속력에서만 이 두 이론은 확실한 차이를 나타낸다. 그러나 물질의 근본적인 구조를 실험하는 입자 가속기에서; 폭발하는 초신성, 중성자별, 초기의 우주 연구에서; 컬러 TV의 설계도에서도, 상대론을 감안하여야 한다. 그런데 빛이란 무엇일까? 이 물음에서 20세기에서 사상의 주요한 발전 중의 하나: 양자역학(quantum mechanics, quantum physics,  quantum theory)이 나오게 된다. 우주 내의 가장 작은 물체들을 다루는 양자역학에서는 38장에서 "상대성 이론"을 탐구한다. 빛과 물질 사이의 구별이 선명치 않다. 거시적 직관이 전혀 들어맞지 않는 원자 규모의 물체를 묘사하는데 39장에서는 양자역학의 초보와 그 철학적 뜻을 소개하고 소립자에 대하여 개발된 지식도 논의한다. 소립자는 물질의 기본 요소이며 우주의 기원을 암시하기도 한다. 그 뒤를 이어 4개의 장에서 레이저와 같은 기술 장치와 함께 원자 및 분자 물리학 그리고 고체 물리학에서의 양자역학의 응용을 포함하여 양자역학을 탐구한다. 핵물리학과 그 응용의 2개의 장이 뒤따르며 소립자 물리학, 우주론 및 물리학의 미래의 방향을 살펴봄으로써 끝을 맺게 된다.