이론물리학

섬네일|upright|슈바르츠칠트 웜홀의 시각적 표현. 웜홀은 한 번도 관측된 적이 없으나, 수학적 모델과 과학 이론을 통해 그 존재가 예측된다.
이론물리학(理論物理學)은 물리적 대상 및 시스템을 추상화하고 수학적 모델을 사용하여 자연 현상을 합리화하고 설명하며 예측하는 물리학의 분야이다. 이는 이러한 현상을 조사하기 위해 실험적 도구를 사용하는 실험물리학과 대조된다.

과학의 발전은 일반적으로 실험 연구와 이론 사이의 상호작용에 달려 있다. 어떤 경우에는 이론물리학이 실험과 관측에 큰 비중을 두지 않으면서 수학적 엄밀성의 기준을 따르기도 한다. 예를 들어, 알베르트 아인슈타인은 특수 상대성이론을 발전시키면서 맥스웰 방정식을 불변으로 유지하는 로런츠 변환에 관심을 가졌으나, 지구가 광양자 에테르를 통과할 때 발생하는 표류에 관한 마이컬슨-몰리 실험에는 별다른 관심을 보이지 않았던 것으로 보인다. 반대로, 아인슈타인은 이전까지 이론적 정식화가 부족했던 실험 결과인 광전 효과를 설명한 공로로 노벨상을 받았다.

 개요 
물리 이론은 물리적 사건의 모델이다. 이론의 가치는 예측이 경험적 관측과 얼마나 일치하는지에 따라 판단된다. 물리 이론의 질은 또한 새로운 관측을 통해 검증될 수 있는 새로운 예측을 내놓는 능력으로도 판단된다. 물리 이론은 수학적 정리와는 다른데, 둘 다 일종의 공리에 기초하고 있지만 수학적 적용 가능성에 대한 판단은 실험 결과와의 일치 여부에 근거하지 않기 때문이다. 물리 이론은 마찬가지로 수학적 이론과도 다른데, 수학적 용어로서의 "이론"은 그 의미가 다르기 때문이다.

물리 이론은 다양한 측정 가능한 양들 사이의 하나 이상의 관계를 포함한다. 아키메데스는 배가 자신의 질량만큼의 물을 밀어내어 물에 뜬다는 것을 깨달았고, 피타고라스는 진동하는 현의 길이와 그것이 만들어내는 음조 사이의 관계를 이해했다. 다른 예로는 보이지 않는 입자들의 위치와 운동에 관한 불확실성의 척도로서의 엔트로피, 그리고 (작용과) 에너지가 연속적으로 변하지 않는다는 양자역학적 아이디어가 있다.

이론물리학은 여러 가지 접근 방식으로 구성된다. 이와 관련하여 이론 입자물리학이 좋은 예가 된다. 예를 들어, "현상론자"들은 종종 깊은 물리적 이해 없이도 실험 결과와 일치시키기 위해 (반경험적) 공식과 휴리스틱을 사용할 수 있다. "모델 구축자"(model-builders)는 종종 현상론자와 비슷해 보이지만, (실험 데이터보다는) 특정한 바람직한 특징을 가진 추측에 근거한 이론을 모델링하거나 물리학 문제에 수학적 모델링 기법을 적용하려고 시도한다. 일부는 완전한 이론이 해결 불가능하거나 너무 복잡하다고 간주되기 때문에 유효 이론이라고 불리는 근사적 이론을 만들려고 시도한다. 다른 이론가들은 기존 이론을 통합하거나, 형식화하거나, 재해석하거나, 일반화하거나, 완전히 새로운 이론을 만들려고 시도할 수도 있다. 때때로 순수 수학적 시스템이 제공하는 비전은 물리적 시스템이 어떻게 모델링될 수 있는지에 대한 단서를 제공할 수 있다. 예를 들어, 베른하르트 리만 등이 제시한 공간 자체가 휘어질 수 있다는 개념이 그러하다. 계산적 조사가 필요한 이론적 문제는 종종 계산물리학의 영역이다.

이론적 발전은 오래되고 잘못된 패러다임을 폐기하거나(예: 빛 전파의 에테르 이론, 열의 칼로릭 이론, 플로지스톤의 방출로 이루어지는 연소, 또는 지구 주위를 도는 천체), 더 정확하거나 더 널리 적용될 수 있는 답을 제공하는 대안적 모델을 제시하는 것으로 이루어질 수 있다. 후자의 경우, 이전의 알려진 결과를 회복하기 위해 대응원리가 요구된다. 그러나 때로는 다른 경로를 통해 발전이 이루어지기도 한다. 예를 들어, 본질적으로 올바른 이론이 개념적 또는 사실적 수정을 필요로 할 수 있다. 수천 년 전에 처음 가설로 세워진 원자론(그리스와 인도의 여러 사상가들에 의해)과 전기의 이액체설이 그 사례이다. 그러나 위의 모든 경우에 대한 예외는 파동-입자 이중성으로, 이는 보어 상보성 원리를 통해 서로 상충되는 모델의 측면들을 결합한 이론이다.

수학과 물리학의 관계|섬네일
물리 이론은 올바른 예측을 할 수 있고 잘못된 예측이 없거나 거의 없을 때 받아들여진다. 이론은 최소한 부차적인 목표로서 일정한 경제성과 우아함(수학적 미와 비교됨)을 가져야 한다. 이는 때때로 13세기 영국의 철학자 오컴의 윌리엄의 이름을 딴 "오컴의 면도날"이라고 불리는 개념으로, 동일한 사안을 적절하게 설명하는 두 이론 중 더 단순한 이론이 선호된다는 원칙이다(단, 개념적 단순함이 수학적 복잡함을 의미할 수도 있다). 또한 광범위한 현상을 연결할 때 수용될 가능성이 더 높다. 이론의 결과를 테스트하는 것은 과학적 방법의 일부이다.

물리 이론은 주류 이론, 제안된 이론, 비주류 이론의 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

 역사 

이론물리학은 적어도 2,300년 전 소크라테스 이전 철학 하에서 시작되었으며, 플라톤과 아리스토텔레스에 의해 이어져 천 년 동안 그 견해가 지배적이었다. 중세 대학이 부흥하는 동안 인정된 유일한 지적 학문은 삼학(문법, 논리학, 수사학)과 사과(산술, 기하학, 음악, 천문학)의 7가지 자유학문이었다. 중세와 르네상스 동안 이론의 대위법인 실험 과학의 개념은 이븐 알하이삼과 프란시스 베이컨 같은 학자들과 함께 시작되었다. 과학 혁명이 가속화됨에 따라 물질, 에너지, 공간, 시간 및 인과관계의 개념은 서서히 오늘날 우리가 알고 있는 형태를 갖추기 시작했고, 다른 과학들이 자연철학의 범주에서 분리되었다. 이로써 천문학에서 코페르니쿠스적 패러다임 전환과 함께 현대적 이론의 시대가 시작되었고, 곧이어 튀코 브라헤의 정밀한 관측을 요약한 요하네스 Kepler의 행성 궤도 표현이 뒤따랐다. 이들의 업적(갈릴레이의 업적과 함께)은 과학 혁명을 구성하는 것으로 간주될 수 있다.

설명에 대한 현대적 개념을 향한 큰 추진력은 완숙한 이론가이자 위대한 실험가였던 몇 안 되는 물리학자 중 한 명인 갈릴레오 갈릴레이와 함께 시작되었다. 르네 데카르트의 해석기하학과 역학은 최고의 이론가이자 실험가였던 또 다른 인물인 아이작 뉴턴의 미적분학과 역학에 통합되었으며, 그는 프린키피아 마테마티카를 저술했다. 이 책에는 코페르니쿠스, 갈릴레이, 케플러의 연구에 대한 거대한 종합뿐만 아니라 뉴턴의 역학 및 중력 이론이 포함되어 있었으며, 이는 20세기 초까지 세계관으로 지배했다. 동시에 뉴턴, 데카르트, 그리고 네덜란드의 빌러브로어트 스넬과 크리스티안 하위헌스 덕분에 광학(특히 색 이론과 고대 과학인 기하광학)에서도 진전이 있었다. 18세기와 19세기에 조제프루이 라그랑주, 레온하르트 오일러, 윌리엄 로언 해밀턴은 고전역학 이론을 상당히 확장했다. 그들은 2,000년 전 피타고라스에 의해 시작된 수학과 물리학의 상호 얽힘을 이어받았다.

19세기와 20세기의 위대한 개념적 성취 중에는 열, 전기 및 자기, 그리고 빛을 포함함으로써 에너지의 개념(및 전역적 보존)을 공고히 한 것이 있다. 켈빈 경과 발터 네른스트의 열역학 법칙 발견, 그리고 더 중요하게는 루돌프 클라우지우스의 독특한 엔트로피 개념 도입은 물질의 속성에 대한 거시적인 설명을 제공하기 시작했다. 통계역학(이어서 통계물리학 및 양자통계역학)은 19세기 후반 열역학의 파생물로 등장했다. 19세기의 또 다른 중요한 사건은 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론 발견으로, 이는 이전에는 분리되어 있던 전기, 자기, 빛의 현상을 하나로 통합했다.

현대물리학의 기둥이자 물리학 역사상 아마도 가장 혁명적인 이론은 알베르트 아인슈타인이 고안한 상대성이론과 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 파스쿠알 요르단, 에르빈 슈뢰딩거가 설립한 양자역학이다. 뉴턴 역학은 특수 상대성이론에 통합되었고, 뉴턴의 중력은 일반 상대성이론에 의해 운동학적인 설명을 얻게 되었다. 양자역학은 흑체 복사(실제로 이는 이론의 원래 동기였다)와 고체의 비열용량 이상을 이해하게 해주었으며, 최종적으로 원자와 분자의 내부 구조를 이해하게 해주었다. 양자역학은 곧 1920년대 후반에 시작된 양자장론(QFT)의 정식화로 이어졌다. 제2차 세계 대전 이후 더 많은 진전이 초기 노력 이후 정체되었던 QFT에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다. 같은 기간 동안 초전도 현상과 상전이 문제에 대한 새로운 공격이 이루어졌으며, 이론 응집물질 분야에서 QFT의 첫 번째 응용이 이루어졌다. 1960년대와 70년대에는 QFT를 이용한 입자물리학의 표준 모형의 정식화와 응집물질물리학의 발전(초전도체의 이론적 기초 및 임계 현상, 긴즈부르크-란다우 이론 등)이 이루어졌으며, 이와 병행하여 천문학 및 우주론의 문제에 각각 상대성이론이 응용되었다.

이 모든 성취는 기존 수학의 기발한 응용을 통해, 또는 데카르트와 뉴턴(고트프리트 라이프니츠와 함께)의 경우처럼 새로운 수학을 발명함으로써 실험을 제안하고 결과를 통합하는 원동력으로서의 이론물리학에 의존했다. 조제프 푸리에의 열전도 연구는 무한 직교 급수라는 수학의 새로운 분야로 이어졌다.

현대 이론물리학은 우주론적 규모에서 기본 입자 규모에 이르기까지 우주를 이해하려는 추가적인 시도 속에서 이론들을 통합하고 현상을 설명하려고 시도한다. 실험을 수행할 수 없는 곳에서도 이론물리학은 수학적 모델을 사용하여 계속 발전하려고 노력한다.

 주류 이론 
주류 이론(때때로 중앙 이론이라고도 함)은 사실적 및 과학적 견해 모두의 지식 체계이며, 반복 가능성, 기존의 확고한 과학 및 실험과의 일관성이라는 통상적인 과학적 질을 갖추고 있다. 광범위한 데이터를 설명하는 효과에만 근거하여 일반적으로 받아들여지는 주류 이론들이 존재하지만, 그 탐지, 설명 및 가능한 구성은 논쟁의 대상이다.

 예시 

 상대성이론
 고전 전자기학
 장 방정식
 고전역학
 긴즈부르크-란다우 이론
 기체 분자 운동론
 다이너모 이론
 대폭발
 물리 우주론
 상대론적 양자역학
 산란 이론
 섭동 이론 (양자역학)
 양자 색역학
 양자 전기역학
 양자 정보 이론
 양자 복잡성 이론
 양자역학
 양자 열역학
 양자장론
 장론
 통계물리학
 파동-입자 이중성
 표준 모형
 휘어진 시공간의 양자장론
 혼돈 이론

 제안된 이론 
물리학에서 제안된 이론은 대개 과학적 접근 방식, 모델의 타당성을 결정하는 수단, 이론에 도달하는 데 사용되는 새로운 유형의 추론을 포함하는 물리학 연구를 다루는 비교적 새로운 이론들이다. 그러나 일부 제안된 이론 중에는 수십 년 동안 존재해 왔으면서도 발견 및 테스트 방법을 피해간 이론들도 포함된다. 제안된 이론에는 확립되는 과정에 있는(그리고 때로는 더 널리 받아들여지는) 비주류 이론이 포함될 수 있다. 제안된 이론은 대개 테스트되지 않았다. 아래 나열된 것과 같은 이론 외에도 양자역학의 해석들이 있는데, 이들이 원칙적으로라도 물리적 실험에 대해 서로 다른 예측을 내놓는지 여부는 논쟁의 여지가 있기 때문에 서로 다른 이론으로 간주될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어, AdS/CFT 대응성, 천-사이먼스 이론, 중력자, 자기 홀극, 끈 이론, 모든 것의 이론 등이 있다.

 비주류 이론 
비주류 이론은 확립되는 과정에 있는 과학적 노력의 새로운 영역과 일부 제안된 이론들을 포함한다. 여기에는 추측 과학이 포함될 수 있다. 이는 알려진 증거에 따라 제시된 물리학 분야 및 물리 이론을 포함하며, 해당 이론에 따라 일련의 관련 예측이 이루어진 상태이다.

일부 비주류 이론은 나중에 물리학의 널리 받아들여지는 부분이 되기도 한다. 다른 비주류 이론들은 결국 반증된다. 일부 비주류 이론은 원시과학의 한 형태이고 다른 것들은 유사과학의 한 형태이다. 원래 이론의 반증은 때때로 이론의 재정식화로 이어진다.

 예시 

 디지털 물리학
 스토캐스틱 전자기학
 아이테르 (원소설)
 광양자 에테르
 전기중력학
 테슬라의 동역학적 중력 이론

 사고 실험 vs 실제 실험 

"사고" 실험은 사람의 마음속에서 만들어진 상황으로, "이러한 상황에 있다고 가정하고, 이것이 사실이라면, 무엇이 뒤따르겠는가?"와 유사한 질문을 던지는 것이다. 이는 대개 일상적인 상황에서 쉽게 경험할 수 없는 현상을 조사하기 위해 만들어진다. 이러한 사고 실험의 유명한 예로는 슈뢰딩거의 고양이, EPR 사고 실험, 시간 팽창의 간단한 예시 등이 있다. 이들은 보통 사고 실험의 결론(따라서 가정)이 옳은지 확인하기 위해 설계된 실제 실험으로 이어진다. EPR 사고 실험은 벨 부등식으로 이어졌고, 이는 다양한 정도의 엄밀함으로 테스트되어 현재의 양자역학 정식화와 확률론이 작동 가설로서 수용되는 결과로 이어졌다.

 같이 보기 
 물리학의 철학
 이중 장론

 각주 

 내용주

 외부 링크