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Physics

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Original article: w:Physics
For other uses, see Physics (disambiguation). Not to be confused with Physis.
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car crash
Various examples of physical phenomena
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Physics
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물리학(Physics)은 물질(matter),[a] 그것의 토대적 성분, 공간과 시간을 통한 그것의 운동과 행동, 및 에너지(energy)와 힘(force)의 관련 실재를 연구하는 자연 과학(natural science)입니다.[2] 물리학은 가장 토대적인 과학 분야 중 하나이며, 그것의 주요 목적은 우주(universe)가 어떻게 작동하는지를 이해하는 것입니다.[b][3][4][5] 물리학 분야를 전문으로 하는 과학자(scientist)는 물리학자(physicist)라고 불립니다.

물리학은 가장 오래된 학문 분야(academic discipline) 중 하나이고, 천문학(astronomy)을 포함하여, 아마도 가장 오래된 것입니다.[6] 지난 이 천년 동안, 물리학, 화학, 생물학, 및 수학의 특정 분야는 자연 철학의 일부였지만, 17세기에서 과학 혁명 동안, 이들 자연 과학은 독자적인 고유한 연구 노력으로 나타났습니다.[c] 물리학은 생물물리학(biophysics) 및 양자 화학(quantum chemistry)과 같은 연구의 많은 학제적(interdisciplinarity) 영역과 교차하고, 물리학의 경계는 엄격하게 정의되지 않습니다. 물리학에서 새로운 아이디어는 다른 과학에 의해 연구된 토대적 메커니즘을 종종 설명하고[3] 수학과 철학과 같은 학문 분야의 연구의 새로운 수단을 제안합니다.

물리학에서 진보는 종종 새로운 기술의 진보를 활성화합니다. 예를 들어, 전자기학(electromagnetism)과 핵 물리학(nuclear physics)의 이해에서 발전은 텔레비전, 컴퓨터, 가전 제품, 및 핵무기와 같은 현대 사회를 극적으로 변화시킨 신제품 개발에 직접적으로 이바지합니다;[3] 열역학의 발전은 산업화의 발전을 가져왔습니다; 그리고 역학에서 발전은 미적분의 발전에 영감을 주었습니다.

History

Main article: History of physics

"물리학(physics)"이라는 단어는 Ancient Greek: φυσική (ἐπιστήμη), romanized: physikḗ (epistḗmē)에서 유래했으며, "자연에 대한 지식"을 의미합니다.[8][9][10]

Ancient astronomy

Main article: History of astronomy
Ancient Egyptian astronomy is evident in monuments like the ceiling of Senemut's tomb from the Eighteenth Dynasty of Egypt.

천문학(Astronomy)은 가장 오래된 자연 과학(natural sciences) 중 하나입니다. 수메르인, 고대 이집트인, 인더스 계곡 문명과 같이 기원전 3000년 이전으로 거슬러 올라가는 초기 문명은 태양, 달, 별의 움직임에 대한 예측 지식과 기본적인 인식을 가지고 있었습니다. 신을 대표하는 것으로 여겨지는 별과 행성은 종종 숭배를 받았습니다. 관측된 별의 위치에 대한 설명은 종종 비과학적이고 증거가 부족했지만, 이들 초기 관측은 별이 행성의 위치를 설명할 수 없는 하늘을 가로질러 큰 원(great circles)을 가로지르는 것으로 밝혀졌기 때문에 후기 천문학의 토대를 마련했습니다.[6]

Asger Aaboe에 따르면, 서양 천문학의 기원은 메소포타미아(Mesopotamia)에서 찾을 수 있고, 정확한 과학(exact sciences)에 대한 서양의 모든 노력은 후기 바빌로니아 천문학(Babylonian astronomy)의 후손입니다.[11] 이집트 천문학자들은 별자리와 천체의 움직임에 대한 지식을 보여주는 기념비를 남겼고,[12] 그리스 시인 호머는 그의 일리아드(Iliad)와 오디세이(Odyssey)에서 다양한 천체에 대해 썼습니다; 나중에 그리스 천문학자들은 북반구에서 볼 수 있는 대부분의 별자리에 대해 오늘날에도 여전히 사용되는 이름을 제공했습니다.[13]

Natural philosophy

Main article: Natural philosophy

자연 철학(Natural philosophy)은 탈레스와 같은 소크라테스-이전 철학자(pre-Socratic philosopher)들이 자연 현상에 대한 비-자연주의적 설명을 거부하고 모든 각 사건에는 자연적인 원인이 있다고 선언한 고대 시대(Archaic period, 기원전 650년 – 기원전 480년)에 그리스에서 시작되었습니다.[14] 그들은 이성과 관찰에 의해 검증된 아이디어를 제안했고, 많은 가설이 실험에서 성공적으로 입증되었습니다;[15] 예를 들어, 원자론(atomism)은 Leucippus와 그의 제자 Democritus에 의해 제안된 지 약 2000년 후에 올바른 것으로 밝혀졌습니다.[16]

Medieval European and Islamic

Main articles: European science in the Middle Ages and Physics in the medieval Islamic world

서쪽 로마 제국은 5세기에 멸망했고, 이로 인해 유럽 서쪽 지역에서 지적 활동이 쇠퇴했습니다. 그에 반해 동쪽 로마 제국 (비잔티움 제국이라고도 함)은 야만족의 공격에 저항하고, 물리학을 비롯한 다양한 학문 분야를 계속 발전시켰습니다.[17]

6세기에 밀레토스의 이시도로스(Isidore of Miletus)는 Archimedes Palimpsest에 복사된 중요한 Archimedes의 연구의 모음집을 만들었습니다.

6세기 유럽에서, 비잔티움의 학자, John Philoponus는 아리스토텔레스(Aristotle)의 물리학 가르침에 의문을 제기하고 그 결함을 지적했습니다. 그는 추진력의 이론(theory of impetus)을 도입했습니다. 아리스토텔레스의 물리학은 필로포누스(Philoponus)가 나타날 때까지 면밀히 조사되지 않았습니다; 자신의 물리학을 구두 논증에 기초한 아리스토텔레스와 달리 필로포누스는 관찰에 의존했습니다. 아리스토텔레스의 물리학에 대해 필로포누스는 다음과 같이 썼습니다:

Ibn Al-Haytham (Alhazen) drawing
Ibn al-Haytham (c. 965–c. 1040), Book of Optics Book I, [6.85], [6.86]. Book II, [3.80] describes his camera obscura experiments.[18]

그러나 이것은 완전히 잘못된 것이고, 우리의 견해는 어떤 종류의 언어적 논증보다 실제 관찰에 의해 더 효과적으로 확증될 수 있습니다. 왜냐하면 만약 당신이 같은 높이에서 하나가 다른 것보다 몇 배 더 무거운 두 개의 추를 떨어뜨리면, 운동에 필요한 시간의 비율이 추의 비율에 의존하지 않지만, 시간에서 차이가 매우 작다는 것을 알게 될 것입니다. 그리고 따라서, 무게에서 차이가 크지 않으면, 즉 하나의 무게가, 말하자면, 다른 무게의 두 배이면, 한 몸체의 무게가 다른 몸체의 두 배나 되는 무게의 차이는 결코 무시할 수 없지만 시간이 지나면 차이가 없거나 감지할 수 없는 차이가 있을 것입니다.[19]

아리스토텔레스의 물리학의 원리에 대한 필로포누스의 비판은 10세기 후,[20] 과학 혁명 동안 갈릴레오 갈릴레이에게 영감을 주었습니다. 갈릴레오는 아리스토텔레스 물리학에 결함이 있다고 주장할 때 필로포누스를 그의 저서에서 실질적으로 인용했습니다.[21][22] 1300년대에 파리대학교 예술 학부 교수, 장 부리당(Jean Buridan)은 추진력이라는 개념을 발전시켰습니다. 그것은 관성과 운동량이라는 현대적 개념을 향한 발걸음이었습니다.[23]

이슬람 학문은 그리스로부터 아리스토텔레스 물리학을 물려받았고 이슬람 황금 시대 동안 특히 관찰과 선험적(a priori) 추론에 중점을 두어, 초기 형태의 과학적 방법을 발전시키면서 더욱 발전시켰습니다.

비록 아리스토텔레스의 물리학 원리가 비판을 받았지만, 그가 자신의 견해를 근거로 한 증거를 식별하는 것이 중요합니다. 과학과 수학의 역사를 생각할 때, 이전의 과학자들의 공헌을 인정하는 것은 주목할 만합니다. 아리스토텔레스의 과학은 오늘날 우리가 학교에서 배우는 과학의 근간이었습니다. 아리스토텔레스는 생물학적 과학과 자연 과학에 대해서도 논의했든 The Parts of Animals를 비롯한 많은 생물학적 저작물을 출판했습니다. 역시 아리스토텔레스가 물리학과 형이상학의 발전에 미친 역할과 그의 믿음과 발견이 오늘날까지 과학 수업에서 어떻게 가르쳐지고 있는지 언급하는 것도 중요합니다. 아리스토텔레스가 자신의 발견에 대해 제시한 설명 역시 매우 간단합니다. 원소를 생각할 때, 아리스토텔레스는 각 원소 (흙, 불, 물, 공기)가 고유한 위치를 갖는다고 믿었습니다. 이들 원소의 밀도 때문에, 그것들은 대기 중에서 그것들의 특정 위치로 되돌아갈 것이라는 의미입니다.[24] 따라서, 그것들의 무게 때문에, 불은 맨 위에 있고, 불 바로 아래에는 공기가 있고, 그 다음에는 물이 있고, 마지막으로 흙이 있습니다. 그는 역시 소량의 한 원소가 다른 원소의 자연적 위치에 들어갈 때, 덜 풍부한 원소는 자동적으로 자신의 자연적 위치로 들어갈 것이라고 말했습니다. 예를 들어, 땅에 불이 났을 때 주의를 기울이면 불길은 본래 있던 자리로 돌아가려는 시도로 공중으로 곧장 올라갑니다. 아리스토텔레스는 그의 형이상학(metaphysics)을 "첫 번째 철학(first philosophy)"이라고 불렀고 그것을 "존재로서의 존재"에 대한 연구로 특징지었습니다.[25] 아리스토텔레스는 운동의 패러다임을 같은 몸체의 다른 영역을 포함하는 존재 또는 실체로 정의했습니다.[25] 몸체가 특정 위치 (A)에 있으면 그것들은 새로운 위치 (B)로 이동할 수 있고 여전히 같은 양의 공간을 차지할 것이라는 의미입니다. 이것은 운동이 연속체라는 아리스토텔레스의 믿음과 관련이 있습니다. 물질적 측면에서, 아리스토텔레스는 대상의 카테고리 (예를 들어, 위치)와 품질 (예를 들어, 색상)의 변화를 "변경(alteration)"으로 정의한다고 믿었습니다. 그러나, 물질에서 변화는 물질에서 변화입니다. 이것은 역시 오늘날 물질에 대한 우리의 생각과 매우 가깝습니다.

그는 역시 1) 더 무거운 물체는 더 빨리 낙하하며, 속력은 무게에 비례하고 2) 떨어지는 물체의 속력은 떨어지는 물체의 밀도 (예를 들어, 공기의 밀도)에 반비례한다는 자신의 운동 법칙을 고안했습니다.[26] 그는 역시 격렬한 운동 (힘이 두 번째 물체에 의해 물체에 가해질 때 물체의 움직임)의 경우 물체가 움직이는 속도는 물체에 가해지는 힘의 측정만큼만 빠르거나 강할 것이라고 말했습니다.[26] 이것은 역시 오늘날 물리학 수업에서 가르치는 속도와 힘의 법칙에서 볼 수 있습니다. 이들 규칙은 오늘날 물리학에서 반드시 볼 수 있는 것은 아니지만, 매우 유사합니다. 이들 규칙은 다른 과학자들이 와서 그의 믿음을 개정하고 편집하는 중추였다는 것이 분명합니다.

The basic way a pinhole camera works

가장 주목할만한 혁신은 Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi 및 Avicenna와 같은 많은 과학자들의 연구에서 나온 광학과 시각(vision)의 분야였습니다. 가장 주목할만한 연구는 Ibn al-Haytham에 의해 쓰인 The Book of Optics(Kitāb al-Manāẓir라고도 알려짐)로, 그는 시각에 대한 고대 그리스의 아이디어가 틀렸다는 것을 결정적으로 증명하고 새로운 이론을 내놓았습니다. 이 책에서, 그는 카메라 옵스쿠라(camera obscura, 그의 천-년-된 핀홀 카메라의 시각) 현상에 대한 연구를 발표하고 눈 자체가 작동하는 방식에 대해 더 깊이 탐구했습니다. 해부와 이전 학자들의 지식을 사용하여, 그는 빛이 어떻게 눈에 들어오는지 설명할 수 있었습니다. 그는 반직선이 초점을 맞춘다고 주장했지만, 빛이 어떻게 눈 뒤쪽에 투사되는지에 대한 실제 설명은 1604년까지 기다려야 했습니다. 그의 Treatise on Light은 사진이 현대적으로 발전하기 수백 년 전에 카메라 옵스쿠라를 설명했습니다.[27]

7권으로 구성된 Book of Optics (Kitab al-Manathir)는 600년 이상 동안 동양과 서양 모두에서 시각적 지각 이론에서 중세 예술의 원근법에 이르기까지 학문 전반에 걸쳐 사고에 막대한 영향을 미쳤습니다. Robert Grosseteste와 Leonardo da Vinci에서 René Descartes, Johannes Kepler, 및 Isaac Newton에 이르기까지 많은 후기 유럽 학자와 폴리매쓰는 그의 빚을 지고 있었습니다. 실제로, Ibn al-Haytham의 Optics의 영향은 700년 후에 출판된 같은 제목의 뉴턴의 연구와 어깨를 나란히 합니다.

The Book of Optics의 번역은 유럽에 큰 영향을 미쳤습니다. 그것으로부터, 이후의 유럽 학자들은 Ibn al-Haytham에 의해 고안된 장치를 복제하고 빛이 작동하는 방식을 이해할 수 있는 장치를 만들 수 있었습니다. 이로부터, 안경, 확대경, 망원경, 및 카메라와 같은 중요한 발명품이 개발되었습니다.

Classical

Main article: Classical physics
Galileo Galilei (1564–1642) showed a modern appreciation for the proper relationship between mathematics, theoretical physics, and experimental physics.
Sir Isaac Newton (1643–1727), whose laws of motion and universal gravitation were major milestones in classical physics

물리학은 초기 근대 유럽인들이 현재 물리의 법칙(laws of physics)으로 고려되는 것을 발견하기 위해 실험적이고 정량적인 방법을 사용했을 때 별도의 과학이 되었습니다.[28]

이 기간의 주요 발전은 태양 시스템의 지구-중심 모델을 태양-중심의 코페르니쿠스 모델로 대체, 행성체의 운동을 지배하는 법칙 (1609년에서 1619년 사이에 케플러에 의해 결정됨), 16세기와 17세기에서 망원경과 관측 천문학에 대한 갈릴레오의 선구적인 연구, 및 아이작 뉴턴의 운동 법칙과 만유인력 (그의 이름을 갖게 된)의 발견과 통합을 포함합니다.[29] 뉴턴은 역시 연속적인 변화에 대한 수학적 연구, 미적분(calculus)을 개발하여,[d] 물리적 문제를 해결하기 위한 새로운 수학적 방법을 제공했습니다.[30]

열역학, 화학, 및 전자기학에서 새로운 법칙의 발견은 에너지 수요가 증가함에 따라 산업 혁명 기간 동안 연구 노력의 결과였습니다.[31] 고전 물리학을 구성하는 법칙은 비-상대론적 속력으로 이동하는 일상적인 규모의 물체에 매우 널리 사용되는데, 왜냐하면 그것들은 그러한 상황에서 매우 가까운 근사를 제공하고, 양자 역학(quantum mechanics)과 상대성 이론(theory of relativity)과 같은 이론은 그러한 상황에서 고전적 규모에서 동등물로 단순화되기 때문입니다. 매우 작은 물체와 매우 빠른 속도에 대한 고전 역학(classical mechanics)에서 부정확성은 20세기에 현대 물리학의 발전으로 이어졌습니다.

Modern

Main article: Modern physics
See also: History of special relativity and History of quantum mechanics
Max Planck (1858–1947), the originator of the theory of quantum mechanics
Albert Einstein (1879–1955), whose work on the photoelectric effect and the theory of relativity led to a revolution in 20th century physics

현대 물리학(Modern physics)은 막스 플랑크(Max Planck)의 양자 이론과 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 상대성 이론의 연구와 함께 20세기 초에 시작되었습니다. 이들 두 이론은 특정 상황에서 고전 역학에서 부정확성으로 인해 발생했습니다. 고전 역학(Classical mechanics)은 빛의 속도가 관찰자의 운동에 달려 있다고 예측했으며, 이는 전자기학의 맥스웰의 방정식(Maxwell's equations)으로 예측된 일정한 속력으로 해결할 수 없었습니다. 이 불일치는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의해 수정되었으며, 이 이론은 빠르게 움직이는 물체에 대한 고전 역학을 대체하고 일정한 빛의 속도를 허용했습니다.[32] 흑-체 복사(Black-body radiation)는 고전 물리학에 또 다른 문제를 제공했으며, 이는 플랑크가 물질 진동자의 여기(excitation)는 주파수에 비례하는 불연속적인 단계에서만 가능하다고 제안했을 때 수정되었습니다. 이것은 광전 효과(photoelectric effect)와 전자 궤도(electron orbitals)의 개별 에너지 수준을 예측하는 완전한 이론과 함께 매우 작은 규모에서 고전 물리학을 개선하는 양자 역학 이론으로 이어졌습니다.[33]

양자 역학은 Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, 및 Paul Dirac에 의해 개척되었습니다.[33] 이 초기 연구와 관련 분야의 연구에서, 입자 물리학의 표준 모델(Standard Model of particle physics)이 파생되었습니다.[34] 2012년 CERN에서 Higgs boson과 일치하는 속성을 갖는 입자가 발견된 후,[35] 표준 모델에 의해 예측된 모든 토대 입자(fundamental particles)가 존재하는 것으로 보입니다; 어쨌든, 초월-대칭(supersymmetry)과 같은 이론과 함께 표준 모델을 넘어서는 물리학(physics beyond the Standard Model)은 활발한 연구 분야입니다.[36] 수학(mathematics)의 영역은 일반적으로 확률(probabilities)과 그룹(groups)의 연구와 같은 이 분야에서 중요합니다.

Philosophy

Main article: Philosophy of physics

여러 면에서, 물리학은 고대 그리스 철학에서 유래합니다. 물질을 특성화하려는 탈레스의 첫 번째 시도부터, 물질이 불변 상태로 환원되어야 한다는 데모크리토스의 추론에 따라 결정체 창공(firmament)의 프톨레마이오스 천문학과 아리스토텔레스의 저서 Physics (물리학에 관한 초기 책으로, 철학적 관점에서 운동을 분석하고 정의하려고 시도함)까지, 다양한 그리스 철학자들이 그들 자신의 자연 이론을 발전시켰습니다. 물리학은 18세기 후반까지 자연 철학으로 알려져 있었습니다.[e]

19세기에 이르러, 물리학은 철학과 다른 과학과 구별되는 학문으로 실현되었습니다. 물리학은, 나머지 과학과 마찬가지로, 과학의 철학과 물리적 세계에 대한 우리의 지식을 발전시키기 위한 "과학적 방법"에 의존합니다.[38] 과학적 방법은 주어진 이론의 타당성을 측정하기 위해 사후(a posteriori) 추론과 베이즈 추론의 사용뿐만 아니라 선험적 추론(a priori reasoning)을 사용합니다.[39]

물리학의 발전은 초기 철학자들의 많은 질문에 답해 주었지만 새로운 질문도 제기했습니다. 물리학을 둘러싼 철학적 문제, 물리학의 철학의 연구는 공간과 시간의 본성, 결정론과 같은 문제와 경험주의, 자연주의, 및 실재론과 같은 형이상학적 관점을 포함합니다.[40]

예를 들어 인과적 결정론(causal determinism)을 옹호한 라플라스와[41] 양자 역학에 관해 글을 쓴 에르빈 슈뢰딩거와 같은 많은 물리학자들이 자신들의 연구의 철학적 의미에 대해 저술했습니다.[42][43] 수학적 물리학자 로저 펜로즈는 스티븐 호킹에 의해 플라톤주의자로 불렸는데,[44] 펜로즈는 그의 책 The Road to Reality에서 논한 견해입니다.[45] 호킹은 자신을 "부끄럽지 않은 환원주의자"라고 부르며 펜로즈의 견해에 문제를 제기했습니다.[46]

Core theories

Further information: Branches of physics and Outline of physics

비록 물리학은 다양한 시스템을 다룰지라도, 특정 이론은 모든 물리학자에 의해 사용됩니다. 이러한 각 이론은 수 많이 실험적으로 테스트되었고 자연에 대한 적절한 근사인 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, 고전 역학의 이론은 물체가 원자보다 훨씬 크고 빛의 속력보다 훨씬 느린 속도로 움직인다는 조건으로 하여 물체의 운동을 정확하게 설명합니다. 이들 이론은 오늘날에도 계속해서 활발한 연구 분야가 되고 있습니다. 고전 역학의 놀라운 측면, 카오스 이론(Chaos theory)은 뉴턴 (1642–1727)에 의해 고전 역학을 공식화한 지 3세기 후인 20세기에 발견되었습니다.

이들 중심 이론은 보다 전문적인 주제에 대한 연구를 위한 중요한 도구이고, 전문 분야에 관계없이 임의의 물리학자는 이에 대한 지식이 있어야 합니다. 여기에는 고전 역학, 양자 역학, 열역학과 통계적 역학, 전자기학, 및 특수 상대성 이론이 포함됩니다.

Classical

Main article: Classical physics

고전 물리학은 20세기가 시작되기 전에 인식되고 잘 발전된 전통적인 분야와 주제—고전 역학, 음향학, 광학, 열역학, 및 전자기학을 포함합니다. 고전 역학은 힘에 의해 작용하는 물체와 움직이는 물체에 관한 것으로 정역학 (가속도를 받지 않는 물체 또는 물체에 작용하는 힘에 대한 연구), 운동학 (원인에 관계없이 운동에 대한 연구), 및 동역학 (운동과 그에 영향을 미치는 힘에 대한 연구)로 나눌 수 있습니다; 역학은 고체 역학과 유체 역학 (함께 연속체 역학으로 알려짐)으로 나눌 수 있으며, 후자는 유체-정역학(hydrostatics), 유체-동역학(hydrodynamics), 공기-동역학(aerodynamics), 및 공기-역학(pneumatics)과 같은 가지를 포함합니다. 음향학은 소리가 생성, 제어, 전송, 및 수신되는 방법에 대한 연구입니다.[47] 음향학의 중요한 현대 분야에는 인간의 청력 범위를 넘어서는 매우 높은 주파수의 음파 연구, 초음파(ultrasonics); 동물의 울음소리와 청각의 물리학, 생체-음향학(bioacoustics),[48] 및 전자 장치를 사용한 가청 음파의 조작, 전기음향학(electroacoustics)을 포함합니다.[49]

빛에 관한 학문, 광학은 가시반직선(visible light) 뿐만 아니라 가시성을 제외한 가시반직선의 모든 현상, 예를 들어 빛의 반사, 굴절, 간섭, 회절, 분산, 및 편광을 나타내는 적외선(infrared)과 자외선(ultraviolet radiation)에 관한 학문입니다. 열은 물질을 구성하는 입자에 의해 보유된 내부 에너지, 에너지의 한 형태입니다; 열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다룹니다. 전기(Electricity)와 자기(magnetism)는 19세기 초에 둘 사이의 긴밀한 연결이 발견된 이후 물리학의 단일 분야로 연구되어 왔습니다; 전류(electric current)는 자기장(magnetic field)을 발생시키고, 변화하는 자기장은 전류를 유도합니다. 정전기학(Electrostatics)은 정지 상태의 전하(electric charges), 이동 전하의 전기동역학(electrodynamics), 및 정지 상태의 자극을 갖는 자기정역학(magnetostatics)을 다룹니다.

Modern

Main article: Modern physics
Modern physics

Manifold dynamics: Schrödinger and Klein–Gordon equations
Founders
Max Planck  · Albert Einstein  · Niels Bohr  · Max Born  · Werner Heisenberg  · Erwin Schrödinger  · Pascual Jordan  · Wolfgang Pauli  · Paul Dirac  · Ernest Rutherford  · Louis de Broglie  · Satyendra Nath Bose
Concepts
Topology · Space · Time · Energy · Matter · Work
Randomness · Information · Entropy · Mind
Light · Particle · Wave
Branches
Applied · Experimental · Theoretical
Mathematical  · Philosophy of physics
Quantum mechanics (Quantum field theory · Quantum information · Quantum computation)
Electromagnetism ·
Weak interaction · Electroweak interaction
Strong interaction
Atomic · Particle · Nuclear
Atomic, molecular, and optical
Condensed matter · Statistical
Complex systems · Non-linear dynamics · Biophysics
Neurophysics
Plasma physics
Special relativity · General relativity
Astrophysics · Cosmology
Theories of gravitation
Quantum gravity · Theory of everything
Scientists
Witten · Röntgen · Becquerel · Lorentz · Planck · Curie · Wien · Skłodowska-Curie · Sommerfeld · Rutherford · Soddy · Onnes · Einstein · Wilczek · Born · Weyl · Bohr · Kramers · Schrödinger · de Broglie · Laue · Bose · Compton · Pauli · Walton · Fermi · van der Waals · Heisenberg · Dyson · Zeeman · Moseley · Hilbert · Gödel · Jordan · Dirac · Wigner · Hawking · P. W. Anderson · Lemaître · Thomson · Poincaré · Wheeler · Penrose · Millikan · Nambu · von Neumann · Higgs · Hahn · Feynman · Yang · Lee · Lenard · Salam · 't Hooft · Veltman · Bell · Gell-Mann · J. J. Thomson  · Raman · Bragg · Bardeen · Shockley · Chadwick · Lawrence · Zeilinger · Goudsmit · Uhlenbeck
Categories
Category Modern physics not found

고전 물리학은 일반적으로 정상적인 관찰의 규모의 물질과 에너지에 관심이 있는 반면, 현대 물리학의 대부분은 극한 조건이나 매우 크거나 매우 작은 규모에서 물질과 에너지의 행동에 관심이 있습니다. 예를 들어, 원자 물리학(atomic physics)과 핵 물리학(nuclear physics)은 화학 원소를 식별할 수 있는 가장 작은 규모의 문제를 연구합니다. 기본 입자의 물리학은 물질의 가장 기본적인 단위와 관련되기 때문에 훨씬 더 작은 규모입니다; 이 물리학 가지는 입자 가속기(particle accelerators)에서 많은 유형의 입자를 생성하는 데 필요한 극도로 높은 에너지 때문에 고-에너지 물리학으로도 알려져 있습니다. 이 규모에서, 공간, 시간, 물질, 및 에너지에 대한 평범하고 상식적인 개념은 더 이상 유효하지 않습니다.[50]

현대 물리학의 두 주요 이론은 공간, 시간, 및 물질의 개념에 대해 고전 물리학이 제시한 것과는 다른 그림을 제시합니다. 고전 역학은 자연을 연속적인 것으로 근사하는 반면, 양자 이론은 원자와 아원자 수준에서 많은 현상의 불연속적인 본성과 이러한 현상을 설명하는 입자와 파동의 보완적 측면에 관심이 있습니다. 상대성 이론은 관찰자에 대해 움직이는 참조 틀에서 발생하는 현상의 설명과 관련이 있습니다; 특수 상대성 이론은 중력장이 없는 운동에 관한 것이고, 일반 상대성 이론은 운동과 중력과의 연관성에 관한 것입니다. 양자 이론과 상대성 이론은 모두 현대 물리학의 많은 분야에서 응용되고 있습니다.[51]

Fundamental concepts in modern physics

Difference

The basic domains of physics

물리학은 보편적인 법칙을 발견하는 것을 목표로 하지만, 물리학의 이론은 명시적인 적용 범위에 있습니다.

느슨하게 말하자면, 고전 물리학의 법칙은 중요한 길이 규모가 원자 규모보다 크고 운동이 빛의 속력보다 훨씬 느린 시스템을 정확하게 설명합니다. 이 영역 밖에서, 관찰은 고전 역학에 의해 제공된 예측과 일치하지 않습니다. 아인슈타인은 절대 시간과 공간의 개념을 시공간으로 대체하고 구성 요소의 속도가 빛의 속력에 근접하는 시스템을 정확하게 설명할 수 있게 해주는 특수 상대성 이론의 틀에 기여했습니다. 플랑크, 슈뢰딩거, 및 다른 사람들은 원자와 아원자 규모의 정확한 설명을 허용하는 입자와 상호작용의 확률론적 개념인 양자 역학을 도입했습니다. 나중에, 양자장 이론은 양자 역학과 특수 상대성 이론을 통합했습니다. 일반 상대성 이론은 우주의 거대한 시스템과 대규모 구조를 잘 설명할 수 있는 역동적인 곡선형 시공간을 허용했습니다. 일반 상대성 이론은 아직 다른 토대적 설명과 통합되지 않았습니다; 양자 중력(quantum gravity)의 여러 후보 이론이 개발되고 있습니다.

Solvay Conference of 1927, with prominent physicists such as Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Planck, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, Marie Curie, Erwin Schrödinger and Paul Dirac

Relation to other fields

This parabola-shaped lava flow illustrates the application of mathematics in physics—in this case, Galileo's law of falling bodies.
Mathematics and ontology are used in physics. Physics is used in chemistry and cosmology.

Prerequisites

수학은 자연에서 질서를 설명하기 위해 사용되는 간결하고 정확한 언어를 제공합니다. 이것은 피타고라스,[52] 플라톤,[53] 갈릴레오,[54] 및 뉴턴에 의해 주목되고 옹호되었습니다.

물리학은 수학을 사용하여 실험 결과를 구성하고 공식화합니다.[55] 그것들 결과로부터, 정확한 또는 추정된 해가 얻어지거나, 새로운 예측이 만들어지고 실험적으로 확인되거나 부정될 수 있는 것으로부터 정량적 결과를 얻습니다. 물리 실험으로부터 결과는 측정의 단위(units of measure)와 측정에서 오류의 추정을 갖는 수치적 데이터입니다. 계산과 같은 수학에 기반한 기술은 계산적 물리학을 활발한 연구의 영역으로 만들어져 왔습니다.

The distinction between mathematics and physics is clear-cut, but not always obvious, especially in mathematical physics.

존재론(Ontology)은 물리학에 대한 전제 조건이지만, 수학에 대한 전제 조건은 아닙니다. 그것은 물리학이 궁극적으로 현실 세계의 설명과 관련이 있고, 반면에 수학은 현실 세계 너머의 추상적인 패턴과 관련된다는 것을 의미합니다. 따라서 물리적 명제는 종합적이고, 반면에 수학적 명제는 해석적입니다. 수학은 가설을 포함하고, 반면에 물리학은 이론을 포함합니다. 수학 명제는 논리적으로만 참이어야 하고, 반면에 물리학 명제의 예측은 관찰과 실험 데이터와 일치해야 합니다.

그 구분은 명확하지만, 항상 명확한 것은 아닙니다. 예를 들어, 수학적 물리학(mathematical physics)은 수학을 물리학에 적용한 것입니다. 그 방법은 수학적이지만, 그것의 주제는 물리적입니다.[56] 이 분야에서 문제는 "물리적 상황의 수학적 모델" (시스템)과 해당 시스템에 적용될 "물리 법칙의 수학적 설명"에서 시작됩니다. 해결에 사용되는 모든 각 수학적 명제는 찾기 어려운 물리적 의미를 가집니다. 최종 수학적 해는 해결기가 찾고 있는 것이기 때문에 찾기 쉬운 의미를 갖습니다.

순수 물리학은 토대 과학(fundamental science, 기초 과학이라고도 함)의 한 가지입니다. 물리학은 화학, 천문학, 지질학, 및 생물학과 같은 자연 과학의 모든 가지가 물리 법칙의 제약을 받기 때문에 "토대 과학(the fundamental science)"이라고도 합니다.[57] 마찬가지로, 화학은 종종 물리 과학을 연결하는 역할 때문에 중앙 과학(the central science)이라고 불립니다. 예를 들어, 화학은 물질의 속성, 구조, 및 반응을 연구합니다 (분자와 원자 규모에 대한 화학의 초점은 물리학과 구별됩니다). 입자들이 서로 전기적 힘을 가하기 때문에 구조가 형성되고, 속성에는 주어진 물질의 물리적 특성이 포함되며, 반응은 에너지, 질량, 전하의 보존과 같은 물리 법칙에 구속됩니다. 물리학은 공학과 의학과 같은 산업에 적용됩니다.

Application and influence

Main article: Applied physics
Classical physics implemented in an acoustic engineering model of sound reflecting from an acoustic diffuser
Archimedes' screw, a simple machine for lifting
Experiment using a laser

응용 물리학(Applied physics)은 특정 용도를 위한 물리학 연구에 대한 일반적인 용어입니다. 응용 물리학 교육 과정은 보통 지질학이나 전기 공학과 같은 응용 분야의 몇 가지 수업을 포함합니다. 그것은 보통 응용 물리학자가 특정한 것을 설계하는 것이 아니라 새로운 기술을 개발하거나 문제를 해결하기 위해 물리학을 사용하거나 물리학 연구를 수행한다는 점에서 공학과 다릅니다.

접근 방식은 응용 수학(applied mathematics)의 접근 방식과 유사합니다. 응용 물리학자는 과학적 연구에 물리학을 사용합니다. 예를 들어 가속기 물리학을 연구하는 사람들은 이론 물리학 연구를 위해 더 나은 입자 탐지기를 구축하려고 할 수 있습니다.

물리학은 공학에서 많이 사용됩니다. 예를 들어, 역학(mechanics)의 하위 분야, 정역학은 다리(bridges)와 다른 정적 구조물의 건설에 사용됩니다. 음향을 이해하고 사용하면 사운드 제어와 더 나은 콘서트 홀이 만들어집니다; 마찬가지로, 광학을 사용하면 더 나은 광학 장치가 만들어집니다. 물리학에 대한 이해는 보다 사실적인 비행 모의실험-장치, 비디오 게임, 및 영화를 만들고, 법의학(forensic) 조사에서 종종 중요합니다.

물리 법칙이 보편적이고 시간이 지나도 변하지 않는다는 표준 합의(standard consensus)를 통해, 물리학은 일반적으로 불확실성(uncertainty)의 수렁에 빠진 것들을 연구하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 지구의 기원에 대한 연구에서 지구의 질량, 온도, 및 회전율을 시간의 함수로 합리적으로 모델링하여, 시간을 앞뒤로 추정하여 미래 또는 이전 사건을 예측할 수 있습니다. 그것은 역시 새로운 기술의 개발 속력을 크게 높이는 공학에서 모의실험을 허용합니다.

그러나 상당한 학제간 연구(interdisciplinarity)도 있으므로, 다른 많은 중요한 분야는 물리학의 영향을 받습니다 (예를 들어, 경제 물리학과 사회 물리학의 분야).

Research

Scientific method

물리학자들은 물리적 이론(physical theory)의 타당성을 테스트하기 위해 과학적 방법을 사용합니다. 이론의 의미를 관련된 실험과 관찰에서 도출된 결론과 비교하기 위해 체계적인 접근 방식을 사용함으로써, 물리학자는 논리적, 불-편향된, 및 반복-가능한 방법으로 이론의 타당성을 더 잘 테스트할 수 있습니다. 이를 위해, 이론의 유효성 또는 무효성을 결정하기 위해 실험을 수행하고 관찰합니다.[58]

과학적 법칙은 뉴턴의 만유인력 법칙과 같은 일부 이론의 기본 원리를 표현하는 관계에 대한 간결한 언어적 또는 수학적 명제입니다.[59]

Theory and experiment

Main articles: Theoretical physics and Experimental physics
The astronaut and Earth are both in free fall. (Pictured: Astronaut Bruce McCandless.)
Lightning is an electric current.

이론가는 기존 실험과 일치하고 미래의 실험 결과를 성공적으로 예측하는 수학적 모델(mathematical models)을 개발하려고 노력하고, 반면 실험가는 이론적 예측을 테스트하고 새로운 현상을 탐구하기 위해 실험을 고안하고 수행합니다. 비록 이론과 실험은 따로따로 개발되지만, 그것들은 서로 강하게 영향을 주고 의존합니다. 물리학에서 진보는 실험 결과가 기존 이론의 설명을 무시하고 적용 가능한 모델링에 집중하도록 촉구하고 새로운 이론이 실험적으로 테스트 가능한 예측을 생성하여 새로운 실험 (및 종종 관련 장비)의 개발에 영감을 줄 때 자주 발생합니다.[60]

이론과 실험의 상호 작용을 연구하는 물리학자는 현상학자(phenomenologists)라고 불리며, 실험에서 관찰된 복잡한 현상을 연구하고 이를 토대 이론(fundamental theory)과 연관시키는 작업을 합니다.[61]

이론적 물리학은 역사적으로 철학에서 영감을 얻어 왔습니다; 전자기학은 이러한 방법으로 통합되었습니다.[f] 알려진 우주 너머, 이론적 물리학 분야는 평행 우주(parallel universes), 다중 우주(multiverse), 및 더 높은 차원(higher dimensions)과 같은 가설적 문제도 다룹니다.[g] 이론가들은 기존 이론의 특정 문제를 해결하기 위해 이러한 아이디어를 사용합니다; 그들은 그런-다음 이러한 아이디어의 결과를 탐색하고 테스트 가능한 예측을 만들기 위해 노력합니다.

실험적 물리학은 공학과 기술(technology)을 확장하고 그것들에 의해 확장됩니다. 기초 연구 설계에 관여하고 입자 가속기와 레이저와 같은 장비로 실험을 수행하는 실험 물리학자인 반면 응용 연구에 관여하는 사람들은 종종 자기 공명 이미지 (MRI) 및 트랜지스터와 같은 기술을 개발하는 산업 분야에서 일합니다. Feynman은 실험가들이 이론가들이 잘 탐구하지 못한 영역을 찾을 수 있다고 지적했습니다.[62]

Scope and aims

Physics involves modeling the natural world with theory, usually quantitative. Here, the path of a particle is modeled with the mathematics of calculus to explain its behavior: the purview of the branch of physics known as mechanics.

물리학은 기본 입자 (예를 들어, 쿼크, 중성미자, 및 전자)에서 은하계의 가장 큰 초은하단에 이르기까지 광범위한 현상을 다룹니다. 이들 현상에는 다른 모든 것을 구성하는 가장 기본적인 대상이 포함됩니다. 그러므로, 물리학은 때때로 "토대 과학(fundamental science)"이라고 불립니다.[57] 물리학은 자연에서 발생하는 다양한 현상을 보다 단순한 현상으로 설명하는 것을 목표로 합니다. 따라서, 물리학은 인간이 관찰할 수 있는 것을 근본 원인에 연결하고, 이들 원인을 함께 연결하는 것을 목표로 합니다.

예를 들어, 고대 중국인들은 특정 암석 (천연 자석(lodestone)과 자철광(magnetite))이 보이지 않는 힘에 의해 서로 끌어당기는 것을 관찰했습니다. 이 효과는 나중에 자기라고 불리게 되었으며, 17세기에 처음으로 엄격하게 연구되었습니다. 그러나, 중국인들이 자기를 발견하기 전에도, 고대 그리스인들은 호박과 같은 다른 물체에 대해 알고 있었는데, 모피로 문지르면 둘 사이에 비슷한 보이지 않는 인력이 생긴다는 것을 알았습니다.[63] 이것은 역시 17세기에 처음으로 엄격하게 연구되었고 전기라고 불리게 되었습니다. 따라서, 물리학은 근본 원인 (전기와 자기)의 관점에서 자연에 대한 두 가지 관찰을 이해하게 되었습니다. 어쨌든, 19세기에 추가 연구를 통해 이 두 힘은 전자기력이라는 한 힘의 두 가지 다른 측면일 뿐이라는 것이 밝혀졌습니다. 힘을 "통합"하는 이 과정은 오늘날에도 계속되고 있고, 전자기력과 약한 핵력(weak nuclear force)은 이제 전기약한 상호작용(electroweak interaction)의 두 가지 측면으로 고려됩니다. 물리학은 자연이 있는 그대로의 이유에 대한 궁극적인 이유 (모든 것의 이론)를 찾기를 희망합니다 (자세한 내용은 아래의 Current research 섹션을 참조하십시오).[64]

Research fields

물리학에 대한 현대 연구는 크게 핵 물리학과 입자 물리학; 응집 물리학; 원자, 분자, 및 광학 물리학; 천체 물리학; 그리고 응집 물리학으로 나눌 수 있습니다. 일부 물리학과는 물리학 교육 연구와 물리학 자원 활동도 지원합니다.[65]

20세기 이후, 물리학의 개별 분야는 점점 더 전문화되어 왔고, 오늘날 대부분의 물리학자는 전체 경력을 단일 분야에서 일합니다. 아인슈타인 (1879~1955)과 레프 란다우 (1908~1968)와 같이 여러 물리학 분야에서 일했던 "보편주의자"는 이제 매우 드뭅니다.[h]

물리학의 주요 분야는 하위 분야와 그들이 사용하는 이론과 개념과 함께 다음 테이블에 나와 있습니다.

Field Subfields Major theories Concepts
Nuclear and particle physics Nuclear physics, Nuclear astrophysics, Particle physics, Particle astrophysics, Particle physics phenomenology Standard Model, Quantum field theory, Quantum electrodynamics, Quantum chromodynamics, Electroweak theory, Effective field theory, Lattice field theory, Lattice gauge theory, Gauge theory, Supersymmetry, Grand unification theory, Superstring theory, M-theory Fundamental force (gravitational, electromagnetic, weak, strong), Elementary particle, Spin, Antimatter, Spontaneous symmetry breaking, Neutrino oscillation, Seesaw mechanism, Brane, String, Quantum gravity, Theory of everything, Vacuum energy
Atomic, molecular, and optical physics Atomic physics, Molecular physics, Atomic and Molecular astrophysics, Chemical physics, Optics, Photonics Quantum optics, Quantum chemistry, Quantum information science Photon, Atom, Molecule, Diffraction, Electromagnetic radiation, Laser, Polarization (waves), Spectral line, Casimir effect
Condensed matter physics Solid state physics, High pressure physics, Low-temperature physics, Surface Physics, Nanoscale and Mesoscopic physics, Polymer physics BCS theory, Bloch wave, Density functional theory, Fermi gas, Fermi liquid, Many-body theory, Statistical Mechanics Phases (gas, liquid, solid), Bose-Einstein condensate, Electrical conduction, Phonon, Magnetism, Self-organization, Semiconductor, superconductor, superfluid, Spin,
Astrophysics Astronomy, Astrometry, Cosmology, Gravitation physics, High-energy astrophysics, Planetary astrophysics, Plasma physics, Solar physics, Space physics, Stellar astrophysics Big Bang, Cosmic inflation, General relativity, Newton's law of universal gravitation, Lambda-CDM model, Magnetohydrodynamics Black hole, Cosmic background radiation, Cosmic string, Cosmos, Dark energy, Dark matter, Galaxy, Gravity, Gravitational radiation, Gravitational singularity, Planet, Solar System, Star, Supernova, Universe
Applied Physics Accelerator physics, Acoustics, Agrophysics, Biophysics, Chemical Physics, Communication Physics, Econophysics, Engineering physics, Fluid dynamics, Geophysics, Laser Physics, Materials physics, Medical physics, Nanotechnology, Optics, Optoelectronics, Photonics, Photovoltaics, Physical chemistry, Physics of computation, Plasma physics, Solid-state devices, Quantum chemistry, Quantum electronics, Quantum information science, Vehicle dynamics

Nuclear and particle

Main articles: Particle physics and Nuclear physics
A simulated event in the CMS detector of the Large Hadron Collider, featuring a possible appearance of the Higgs boson

입자 물리학은 물질(matter)과 에너지의 기본 구성 요소와 그것들 사이의 상호 작용(interactions)을 연구하는 학문입니다.[66] 게다가, 입자 물리학자들은 이 연구에 필요한 고-에너지 가속기,[67] 검출기,[68] 및 컴퓨터 프로그램(computer programs)을 설계하고 개발합니다.[69] 그 분야는 역시 많은 기본 입자가 자연적으로 발생하지 않고 다른 입자의 고-에너지 충돌 중에만 생성되기 때문에 "고-에너지 물리학"이라고도 합니다.[70]

현재, 기본 입자와 필드(fields)의 상호 작용은 표준 모델(Standard Model)에 의해 설명됩니다.[71] 그 모델은 강, 약, 및 전자기 토대 힘(fundamental forces)을 통해 상호 작용하는 12개의 알려진 물질 입자 (쿼크(quarks)와 렙톤(leptons))를 설명합니다.[71] 동역학은 게이지 보손 (각각 글루온(gluons), W와 Z 보손, 광자(photons))을 교환하는 물질 입자의 관점에서 설명됩니다.[72] 표준 모델은 역시 Higgs boson으로 알려진 입자를 예측합니다.[71] 2012년 7월 유럽 입자 물리학 연구소, CERN은 힉스 메커니즘(Higgs mechanism)의 필수 부분인 힉스 보손과 일치하는 입자를 발견했다고 발표했습니다.[73]

핵 물리학은 원자 핵(atomic nuclei)의 구성 성분과 상호 작용을 연구하는 물리학 분야입니다. 핵 물리학의 가장 공통적으로 알려진 응용 분야는 원자력 발전(nuclear power)과 핵무기(nuclear weapons) 기술이지만, 그 연구는 핵 의학(nuclear medicine)과 자기 공명 이미지, 재료 공학(materials engineering)에서 이온 주입(ion implantation), 및 지질학(geology)과 고고학(archaeology)의 방사성 탄소 연대 측정(radiocarbon dating)을 포함한 많은 분야에서 응용을 제공했습니다.

Atomic, molecular, and optical

Main article: Atomic, molecular, and optical physics

원자, 분자, 및 광학 물리학 (AMO)은 단일 원자와 분자 규모에서 물질-물질 및 빛-물질 상호 작용을 연구하는 학문입니다. 세 영역은 상호 관계, 사용된 방법의 유사성, 및 관련 에너지 규모의 공통성 때문에 함께 그룹화됩니다. 세 영역 모두 고전, 반-고전, 및 양자(quantum) 처리를 모두 포함합니다; 그것들은 (거시적 관점과 달리) 미시적 관점에서 주제를 다룰 수 있습니다.

원자 물리학은 원자의 전자 껍질(electron shells)을 연구합니다. 현재 연구는 양자 제어, 원자와 이온의 냉각 및 트래핑,[74][75][76] 저온 충돌 동역학 및 전자 상관 관계가 구조 및 동역학에 미치는 영향에 대한 활동에 중점을 둡니다. 원자 물리학은 핵의 영향을 받지만 (초미세 분할 참조), 핵분열 및 핵융합과 같은 핵 내 현상은 핵 물리학의 일부로 고려됩니다.

분자 물리학(Molecular physics)은 다원자 구조와 물질과 빛과의 내부 및 외부 상호 작용에 중점을 둡니다. 광학 물리학은 거시적 물체에 의한 고전적인 빛 필드의 제어가 아니라 광학 필드의 기본 속성 및 미시적 영역에서 물질과의 상호 작용에 초점을 맞추는 경향이 있다는 점에서 광학과 다릅니다.

Condensed matter

Main article: Condensed matter physics
Velocity-distribution data of a gas of rubidium atoms, confirming the discovery of a new phase of matter, the Bose–Einstein condensate

응집된 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 속성을 다루는 물리학 분야입니다.[77][78] 특히, 그것은 시스템의 입자 수가 극도로 많고 그것들 사이의 상호 작용이 강할 때마다 나타나는 "응집된" 상(phases)과 관련이 있습니다.[79]

응집된 상의 가장 친숙한 예제는 원자 사이의 전자기력(electromagnetic force)에 의한 결합에서 발생하는 고체와 액체입니다.[80] 보다 특이한 응집된 상은 매우 낮은 온도에서 특정 원자 시스템에서 발견되는 초유체(superfluid)와[81] 보스-아인슈타인 응축(Bose–Einstein condensate),[82] 특정 물질의 전도 전자(conduction electrons)에 의해 나타나는 초전도(superconducting) 상,[83] 및 원자 격자(atomic lattices)에서 스핀(spins)의 강자성(ferromagnetic) 및 반강자성(antiferromagnetic) 상을 포함합니다.[84]

응집된 물질 물리학은 현대 물리학에서 가장 큰 분야입니다. 역사적으로, 응집된 물질 물리학은 현재 주요 하위 분야 중 하나로 고려되는 고체 물리학에서 성장했습니다.[85] 응집된 물질 물리학(condensed matter physics)이라는 용어는 필립 앤더슨(Philip Anderson)에 의해 1967년에 자신의 연구 그룹—이전 고체 이론(solid-state theory)—의 이름을 바꾸면서 만들어낸 것으로 보입니다.[86] 1978년, 미국 물리 학회 고체 물리 학부는 응집된 물질 물리학부로 이름을 바꾸었습니다.[85] 응집된 물질 물리학은 화학, 재료 과학, 나노 기술, 및 공학과 많은 부분이 겹칩니다.[79]

Astrophysics

Main articles: Astrophysics and Physical cosmology
The deepest visible-light image of the universe, the Hubble Ultra-Deep Field

천체-물리학과 천문학은 물리학의 이론과 방법을 별의 구조, 별의 진화, 태양 시스템의 기원, 및 우주론의 관련된 문제에 적용하는 학문입니다. 천체-물리학은 광범위한 주제이기 때문에, 천체-물리학자는 전형적으로 역학, 전자기학, 통계 역학, 열역학, 양자 역학, 상대성 이론, 핵 물리학과 입자 물리학, 및 원자 물리학과 분자 물리학을 포함한 많은 물리학 분야를 적용합니다.[87]

1931년 Karl Jansky에 의해 천체에서 무선 신호가 방출된다는 사실의 발견으로부터 전파 천문학의 과학이 시작되었습니다. 가장 최근에는 우주 탐사로 천문학의 영역이 확장되었습니다. 지구 대기로부터 섭동과 간섭은 적외선, 자외선, 감마-선, 및 X-선 천문학에 필요한 우주 기반 관측을 만듭니다.

물리적 우주론은 가장 큰 규모의 우주의 형성과 진화에 대한 연구입니다. 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론은 모든 현대 우주론에서 중심적인 역할을 합니다. 20세기 초, 허블 다이어그램에서 볼 수 있듯이 우주가 팽창하고 있다는 허블의 발견은 정상 상태(steady state) 우주와 빅뱅(Big Bang)으로 알려진 경쟁 설명을 촉발했습니다.

빅뱅은 1964년 빅뱅 핵-합성(Big Bang nucleosynthesis)의 성공과 우주 마이크로파 배경(cosmic microwave background)의 발견으로 확인되었습니다. 빅뱅 모델은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 우주론적 원리(cosmological principle)라는 두 가지 이론적 기둥에 기초합니다. 우주론자들은 최근 우주 팽창(cosmic inflation), 암흑 에너지(dark energy), 및 암흑 물질(dark matter)을 포함하는 우주 진화의 ΛCDM 모델(ΛCDM model)을 확립했습니다.

향후 10년 동안 페르미 감마선 우주 망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)의 새로운 데이터에서 수많은 가능성과 발견이 나타나고 기존 우주 모델을 대폭 수정하거나 명확히 할 것으로 예상됩니다.[88][89] 특히, 암흑 물질을 둘러싼 엄청난 발견의 가능성은 향후 몇 년 동안 가능합니다.[90] 페르미는 Large Hadron Collider 및 다른 지하 탐지기로 유사한 실험을 보완하여 암흑 물질이 약하게 상호 작용하는 무거운 입자로 구성되어 있다는 증거를 찾을 것입니다.

IBEX는 이미 새로운 천체-물리학적 발견을 하고 있습니다: 어느 누구도 무엇이 태양풍의 종료 충격을 따라 활성 중성 원자(energetic neutral atoms, ENA) 리본을 만들고 있는지 알지 못하지만, "모두가 그것이 헬리오스피어의 교과서적인 그림이 틀렸다는 것을 의미한다는 데 동의합니다—헬리오스피어에서 태양풍의 하전 입자로 가득 찬 태양계의 주머니가 혜성 모양의 성간 매질의 돌진하는 '은하풍'을 뚫고 지나가고 있습니다."[91]

Current research

Further information: List of unsolved problems in physics
Feynman diagram signed by R. P. Feynman
A typical phenomenon described by physics: a magnet levitating above a superconductor demonstrates the Meissner effect.

물리학에서 연구는 많은 분야에서 지속적으로 진행되고 있습니다.

응집된 물질 물리학에서 중요한 미해결 이론적 문제는 고온 초전도성(high-temperature superconductivity) 문제입니다.[92] 많은 응집된 물질 실험은 실행 가능한 스핀트로닉스(spintronics)와 양자 컴퓨터(quantum computers)를 제작하는 것을 목표로 하고 있습니다.[79][93]

입자 물리학에서, 표준 모델을 넘어서는 물리학에 대한 첫 번째 실험적 증거가 나타나기 시작했습니다. 이들 중 가장 중요한 것은 중성미자(neutrinos)가 비-영 질량(mass)을 가진다는 표시입니다. 이들 실험 결과는 오랫동안 지속되어 온 태양 중성미자 문제(solar neutrino problem)를 해결한 것으로 보이고, 거대한 중성미자의 물리학은 활발한 이론과 실험 연구 분야로 남아 있습니다. Large Hadron Collider는 이미 Higgs boson을 발견했지만, 향후 연구는 입자 물리학의 표준 모델을 확장하는 초-대칭을 입증하거나, 반증하는 것을 목표로 합니다. 암흑 물질과 암흑 에너지의 주요 미스터리에 대한 연구도 현재 진행 중입니다.[94]

고-에너지, 양자, 및 천문학적 물리학에서 많은 진전이 있었지만, 복잡성,[95] 혼돈,[96] 또는 난기류와[97] 관련된 많은 일상적인 현상은 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다. 동역학과 역학을 영리하게 적용하여 해결할 수 있는 것처럼 보이는 복잡한 문제는 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다; 예를 들면 모래더미의 형성, 살수하는 물의 노드, 물방울의 모양, 표면 장력 재앙의 메커니즘, 및 흔들린 이질적인 컬렉션의 자체 분류 등이 있습니다.[i][98]

이들 복잡한 현상은 복잡한 시스템을 새로운 방식으로 모델링할 수 있게 해주는 현대 수학적 방법과 컴퓨터의 가용성을 포함하여 여러 가지 이유로 1970년대 이후 점점 더 많은 관심을 받아오고 있습니다. 복잡한 물리학은 공기 역학의 난기류 연구와 생물학적 시스템의 패턴 형성 관찰에서 예시된 것처럼 점차 학제 간 연구의 일부가 되었습니다. 1932년 Annual Review of Fluid Mechanics에서, Horace Lamb은 다음과 같이 말했습니다:[99]

나는 이제 늙었고, 죽어서 천국에 가면 깨달음을 바라는 두 가지 일이 있습니다. 하나는 양자 전기-동역학이고, 다른 하나는 유체의 난기류 운동입니다. 그리고 전자에 대해서는 다소 낙관적입니다.

See also

Notes

  1. ^ At the start of The Feynman Lectures on Physics, Richard Feynman offers the atomic hypothesis as the single most prolific scientific concept.[1]
  2. ^ The term "universe" is defined as everything that physically exists: the entirety of space and time, all forms of matter, energy and momentum, and the physical laws and constants that govern them. However, the term "universe" may also be used in slightly different contextual senses, denoting concepts such as the cosmos or the philosophical world.
  3. ^ Francis Bacon's 1620 Novum Organum was critical in the development of scientific method.[7]
  4. ^ Calculus was independently developed at around the same time by Gottfried Wilhelm Leibniz; while Leibniz was the first to publish his work and develop much of the notation used for calculus today, Newton was the first to develop calculus and apply it to physical problems. See also Leibniz–Newton calculus controversy
  5. ^ Noll notes that some universities still use this title.[37]
  6. ^ See, for example, the influence of Kant and Ritter on Ørsted.
  7. ^ Concepts which are denoted hypothetical can change with time. For example, the atom of nineteenth-century physics was denigrated by some, including Ernst Mach's critique of Ludwig Boltzmann's formulation of statistical mechanics. By the end of World War II, the atom was no longer deemed hypothetical.
  8. ^ Yet, universalism is encouraged in the culture of physics. For example, the World Wide Web, which was innovated at CERN by Tim Berners-Lee, was created in service to the computer infrastructure of CERN, and was/is intended for use by physicists worldwide. The same might be said for arXiv.org
  9. ^ See the work of Ilya Prigogine, on 'systems far from equilibrium', and others.

References

  1. ^ Feynman, Leighton & Sands 1963, p. I-2 "If, in some cataclysm, all [] scientific knowledge were to be destroyed [save] one sentence [...] what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is [...] that all things are made up of atoms – little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another ..."
  2. ^ "Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events." (Maxwell 1878, p. 9)
  3. ^ a b c "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves.Young & Freedman 2014, p. 1
  4. ^ "Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns that relate these phenomena."Young & Freedman 2014, p. 2
  5. ^ "Physics is the study of your world and the world and universe around you." (Holzner 2006, p. 7)
  6. ^ a b Krupp 2003
  7. ^ Cajori 1917, pp. 48–49
  8. ^ "physics". Online Etymology Dictionary. Archived from the original on 24 December 2016. Retrieved 1 November 2016. {{cite web}}: Unknown parameter |deadurl= ignored (|url-status= suggested) (help)
  9. ^ "physic". Online Etymology Dictionary. Archived from the original on 24 December 2016. Retrieved 1 November 2016. {{cite web}}: Unknown parameter |deadurl= ignored (|url-status= suggested) (help)
  10. ^ φύσις, φυσική, ἐπιστήμη. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  11. ^ Aaboe 1991
  12. ^ Clagett 1995
  13. ^ Thurston 1994
  14. ^ Singer 2008, p. 35
  15. ^ Lloyd 1970, pp. 108–109
  16. ^ Gill, N.S. "Atomism – Pre-Socratic Philosophy of Atomism". About Education. Archived from the original on 10 July 2014. Retrieved 1 April 2014.
  17. ^ Lindberg 1992, p. 363.
  18. ^ Smith 2001, Book I [6.85], [6.86], p. 379; Book II, [3.80], p. 453.
  19. ^ "John Philoponus, Commentary on Aristotle's Physics". Archived from the original on 11 January 2016. Retrieved 15 April 2018.
  20. ^ Galileo (1638). Two New Sciences. in order to better understand just how conclusive Aristotle's demonstration is, we may, in my opinion, deny both of his assumptions. And as to the first, I greatly doubt that Aristotle ever tested by experiment whether it be true that two stones, one weighing ten times as much as the other, if allowed to fall, at the same instant, from a height of, say, 100 cubits, would so differ in speed that when the heavier had reached the ground, the other would not have fallen more than 10 cubits.
    Simp. - His language would seem to indicate that he had tried the experiment, because he says: We see the heavier; now the word see shows that he had made the experiment.
    Sagr. - But I, Simplicio, who have made the test can assure[107] you that a cannon ball weighing one or two hundred pounds, or even more, will not reach the ground by as much as a span ahead of a musket ball weighing only half a pound, provided both are dropped from a height of 200 cubits.
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Sources

External links

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