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물리학이 항상 별개의 독립된 학문이었던 것은 아니다. 물리학은 오늘날까지도 다른 과학과 연결되어 있다. 물리학이라는 단어는 '자연'을 뜻하는 그리스어에서 유래했다. 자연에 관한 연구는 ‘자연철학’이라고 불리게 되었다. 고대부터 르네상스 시대까지 자연철학은 천문학, 생물학, 화학, 물리학, 수학, 의학 등 여러 분야를 포괄했다. 지난 몇 세기 동안 지식의 성장으로 자연철학은 점점 더 전문화되고 개별 분야로 분화되었으며, 물리학은 가장 기본적인 측면을 유지했다. 르네상스부터 19세기 말까지 발전한 물리학을 고전 물리학이라고 부른다. 20세기 초부터 시작된 혁명적인 발견으로 현대 물리학으로 전환되었다.

고전 물리학은 우주에 대한 정확한 설명은 아니지만, 다음과 같은 조건에서는 훌륭한 근사치이다. 물질은 광속의 약 1% 미만의 속도로 움직여야 하고, 다루는 물체는 현미경으로 볼 수 있을 만큼 충분히 커야 하며, 지구에서 생성되는 장과 같은 약한 중력장만 관여할 수 있어야 한다. 인간은 이러한 환경에서 살아가기 때문에 고전 물리학은 직관적으로 합리적으로 보이지만 현대 물리학의 많은 측면은 기괴하게 보인다. 그래서 현대 물리학에서 모델은 우리가 평소에 경험하지 못하는 현상을 개념화할 수 있게 해주는 유용한 도구이다. 모델을 통해 물체가 빠른 속도로 움직일 때 어떤 일이 일어나는지 시각화하거나 감각으로 관찰하기에는 너무 작은 물체가 어떤 모습일지 상상할 수 있다. 예를 들어, 우리는 원자를 눈으로 본 적이 없지만 머릿속으로 원자를 상상할 수 있으므로 원자의 속성을 이해할 수 있다. 물론 새로운 도구는 우리가 볼 수 없는 현상을 더 잘 이해할 수 있게 해준다. 실제로 최근 몇 년 동안 새로운 도구를 통해 원자를 실제로 '그림'으로 그릴 수 있게 되었다.

과학의 가장 눈부신 발전 중 일부는 현대 물리학에서 이루어졌다. 고전 물리학의 많은 법칙이 수정되거나 거부되었고, 기술, 사회, 우주에 대한 우리의 관점에도 혁명적인 변화가 일어났다. 현대 물리학은 공상 과학 소설처럼 우리의 일상적인 경험을 넘어서는 매혹적인 대상들로 가득 차 있지만, 공상 과학 소설에 비해 매우 현실적이라는 장점이 있다. 그렇다면 왜 고전 물리학을 배워야 할까? 크게 두 가지 이유가 있다. 고전 물리학은 다양한 일상적 상황에서 우주를 매우 정확하게 설명하고 있으며, 현대 물리학을 이해하려면 고전 물리학에 대한 지식이 필요하다.

현대 물리학 자체는 상대성이론과 양자역학이라는 두 가지 혁명적인 이론으로 구성되어 있다. 이 이론은 각각 매우 빠른 것과 매우 작은 것을 다룬다. 상대성이론은 물체가 광속의 약 1% 이상의 속도로 이동하거나 태양 근처와 같은 강한 중력장을 경험할 때마다 사용해야 한다. 현미경으로 볼 수 있는 것보다 작은 물체에는 양자역학을 사용해야 한다. 이 두 이론을 결합한 것이 상대론적 양자역학이며, 빠른 속도로 이동하거나 강한 중력장을 경험하는 작은 물체의 거동을 설명한다. 상대론적 양자역학은 우리가 가진 이론 중 가장 보편적으로 적용할 수 있는 이론이다. 수학적 복잡성 때문에 꼭 필요한 경우에만 사용되며, 다른 이론은 충분히 정확한 결과를 도출할 수 있을 때만 사용된다.

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