물리학 전공이 아닌 대부분의 경우, 대학 학부 과정에서 배우는 물리학은 대부분은 고전물리 범위에 들어가고, 현대물리의 일부를 맛 보기로 배운다.

물리학에는 여러가지 분야가 있다. 대학 교육과목을 보면 일반물리학, 고전역학(뉴튼역학), 현대물리학, 전자기학(주로 맥스웰 방정식을 기반으로…), 열통계역학, 광학, 양자역학, 고체물리학 등이 있고, 거기에 각 단계에서 필요한 수식 전개를 위해서 배우는 수리물리학, 전자물리학(전자회로를 배움), 실험물리 등등 … 이 있다.

학교마다 다르고, 학생이 어떻게 수강신청을 하느냐에 따라 다르지만, 대개는 입학해서 첫 1년동안 또는 2학년 1학기때까지 일반물리학을 배운다. 그리고 2학년이 되면 현대물리학, 고전역학(또는 그냥 역학), 전자기학을 배운다. 3학년이 되면 전자기학, 양자역학, 열통계역학을, 4학년이 되면 광학, 고체물리학, 열통계역학 등을 배운다. 그리고 중간 중간 (교수님 전공이 무엇이었느냐에 따라서 …) 몇몇 선택과목을 배운다.

여기서 현대물리학과목은 내가 이글에서 말하고 있는 현대물리의 맛뵈기다. 아인슈타인의 상대성 이론(주로 특수성이론이 나오고 일반상대성이론에 대해서는 소개 정도가 나온다.)도 여기서 배우는 경우가 많다. (몇몇 대학은 우주론 등도 학부과정에서 배우지만 일반적이지는 않다.)

고전물리와 현대물리를 나누는 기준은 여러가지가 있다. 대충 2가지가 있는데, 시대에 따른 기준과 결정론/확률론으로 구분하는 기준이 있다. 시대적 구분으로는 대략 1920~30년대를 기준으로, 그러니깐 양자역학이 어느정도 성립된 솔베이 컨퍼런스를 기준으로 한다. 아래 사진은 1927년에 있었던 솔베이 컨퍼런스 사진이며, 우리가 교과서에서 보는 쟁쟁한 물리학자들이 많이 있다. 사진은 클릭하면 커진다. (출처 : http://mostlyphysics.wordpress.com/2012/09/07/solvay-conference-1927/ )

이 솔베이 컨퍼런스에서 아인슈타인은 양자역학에 대해서 엄청난 공격을 하고 양자역학 지지자들은 그것을 막아낸다. 결국 아인슈타인은 '신은 주사위를 던지지 않는다' 라며 패배 선언을 한다. (다른 말로 하면 마지못해 양자역학을 인정한다. 하지만, 받아들이지는 않았던 것으로 보인다.)

왜 신은 주사위를 던지지 않는다고 했을까 ? 주사위를 던지는 것은 확률이다. 1이 나올지 6이 나올지.. 확률로 계산된다. 1이 나올 확률은 1/6 이고 2가 나올 확률도 1/6 … 하지만, 주사위를 던졌을 땐 1/6 이 나오는 게 아니라 1이 나오기도, 3이 나오기도 한다. 아인슈타인은 이러한 것을 싫어했다고 한다. (이것은 아인슈타인 중력방정식을 풀면 나오는 해에서 우주가 수축 또는 팽창하는 것을 나오자, 정적인 우주를 만들기 위해서 우주상수를 도입한다. 그리고 이것을 생애 최대의 실수라고 얘기한다. 그런데.. 최근에는 이 우주 상수가 다시 부각되고 있다. 이것은 다음 기회(언제 ?)에…)

결정론은 뉴튼 이전부터 있었지만, 뉴튼이 F=ma 방정식을 만들면서 어느정도 확립되어 초기조건을 주면 그 뒤에 발생하는 것은 모두 그 초기조건에 의해서 결정된다는 식으로 굳어진다. 그러니깐 내가 지금 이 글을 쓰고 있는 것은 10분전쯤에 내가 웹브라우저를 열었기 때문이고, 그 전에 컴퓨터를 켜서 .. 그 전에 어느 시점에는 컴퓨터를 샀고, 또 그 이전에는 .. 이런 식으로 거슬러 올라가면 결국 물리학적으로는 빅뱅때 모든 것이 결정되어 지금 이때까지, 그리고 이 이후로 우주 종말때까지 모든 것이 빅뱅때의 초기조건에 의해서 결정되어 있다는 관점이다. 그러니깐 내가 만약 살인을 저질렀다고 하더라도 빅뱅때부터 그렇게 정해져 있고 내 의지와는 하등 상관없이 발생한 예정되어 있던 사건일 뿐이고, 그것은 내 잘못이 아니다. 라는 식으로 끌고 갈 수 있는 게 결정론이다.

확률론은 앞에서 잠깐 언급한대로 어떤 것이 발생할 것은 결정되어 있는 것이 아닌 확률의 형태로 나온다는 것이다. 다시 주사위를 예로 들자면 이번에 내가 주사위를 던지면 1이 나올지 4가 나올지는 알 수 없지만, 상당히 많이, 그러니깐 1이 나올 확률은 1/6 이고, 5가 나올 확률도 1/6 이이어서 백만번쯤 던지면 십육만육천육백육십육번은 1이 나온다. (물론 어느 정도 오차는 있다.) 라는 것이 확률론이다. 다시 바로 앞 문단의 뒷부분 얘기로 돌아가자면, 내가 살인을 저질렀다면 그것은 내가 살인을 저지를 확률 20%, 살인을 저지르지 않고 때릴 확률 20%, 말로 해결할 확률 20%, 속으로 꾹 참을 확률 20%, 너그럽게 용서할 확률 20% 인데, 이러한 여러가지 선택지 중에서 살인을 저질렀기 때문에 그것은 내 잘못이다. 라는 게 확률론이다.

그렇다면 현대물리(현대물리학 과목 말고..)는 ?? 확률론이다. 미친척하고 양자역학 방정식으로 당구공의 움직임을 풀이한 것과 뉴튼방정식으로 당구공의 움직임을 계산한 것은 오차범위안에서 같다. 미친척이라는 표현을 쓴 것은, 계산해 보면 안다. … (꽤 어렵다.)

아인슈타인의 중력이론 일부(일반상대성이론의 범위에 들어가는 것) 정도를 제외한다면 대부분은 양자역학적 관점에서 해석이 가능한 것이 현대물리다. 그리고 확률로 계산된다. 아직까진 일반상대성이론쪽은 양자역학과 합쳐지지 못했다. 이것을 하나로 묶는 게 통일장이론이라든가 궁극의 이론, 최후의 이론 등으로 불리는 분야다. 그 중 하나가 끈이론, 초끈이론 등으로 불리우는 분야다. 그런데, 아마 이게 되면 다른 관점의 물리학이 하나 생기지 않을까 싶은 게 내 생각이다.

좀 더 자세한 것은 다음으로 미루자…

2014/10/03 akpil