물리학이란 무엇일까요? 물리학이 오늘날 인류가 누리고 있는 첨단 과학기술 문명을 가능하게 만들었습니다. 스마트폰, 첨단 의학 진단장비, 핵폭탄, 인공위성, 우주선 등, 셀 수 없이 많은 과학기술의 성과가 사실은 우리가 살고 있는 자연이 어떤 원리에 의해 동작하는지를 인간이 알게 됨으로써 구현될 수 있었습니다. 그리고 그 원리에 대해 연구하는 분야가 바로 물리학입니다. 그리고 그런 물리학은 우리 우주가 어떻게 창조되었느냐는 인류의 궁극적인 질문에 대한 답변까지도 알아내게 해 주었습니다.

그렇지만 물리학 시간에, 스마트폰이 어떻게 만들어졌는지, CT나 MRI와 같은 의학 진단장비의 원리가 무엇인지, 핵폭탄은 어떻게 동작하는지, 인공위성이나 우주선은 어떻게 만드는지, 우주의 기원을 설명하는 대폭발이론은 무엇인지 등을 배운다면, 그것은 물리학을 배우는 것이라고는 할 수 없습니다. 그것은 물리학을 이용해서 얻은 결과입니다. 물리학이란 그런 결과를 얻는데 이용된 기본 이치를 말합니다. 물리학자들은 우주의 기원이 무엇인지 알려고 노력하다가 대폭발이론에 도달한 것이 아니라, 자연의 이치를 추구하다가 대폭발이론에 저절로 도달했습니다. 대폭발이론에만 저절로 도달한 것이 아닙니다. 자연의 이치를 논리적으로 추구해나가다가 전자기파를 발견했고, E=mc²을 발견했고, 반물질을 발견했습니다. 여기서 누구도 처음부터 전자기파를 발견하려고 노력한 것이 아니고, 처음부터 E=mc²을 발견하려고 노력한 것도 아니고, 처음부터 반물질을 발견하려고 노력한 것도 아닙니다.

오늘날 우리가 공부하는 물리학은, 지금으로부터 겨우 3세기보다 조금 더 전인, 1687년에 뉴턴이 그의 저서 프린키피아를 통하여 운동법칙과 만유인력 법칙을 발표하면서 시작되었습니다. 뉴턴은 원래 케플러가 발표한 행성의 운동에 관한 세 가지 법칙이 왜 성립하는지를 설명하기 위하여 운동법칙을 제안하였습니다. 그런데 곧 뉴턴의 운동법칙은 행성들의 움직임뿐 아니라 자연을 구성하는 모든 물체들의 운동을 설명하는 자연의 기본 이치임을 알게 되었습니다. 그뿐 아니라, 뉴턴의 운동법칙은 자연에서 관찰되는 어떤 물체의 운동이든지 모두 다 성공적으로 적용되었습니다. 그리하여 사람들은 자연에 대한 올바르고 궁극적인 진리를 찾아내었다고 믿게 되었고 19세기 말에는 물리학이 완성되었다고 확신하는 학자들도 많았습니다.

그러나 20세기로 들어서기 직전부터 당시 알고 있던 물리학으로는 도저히 설명되지 않는 현상들이 우연히 관찰되기 시작하였습니다. 그것은 마치 19세기 말에 이르기까지 자연법칙을 구성하는 많은 조각으로 이루어진 퍼즐 맞추기 놀이를 순조롭게 진행하다가 마지막 한두 개가 맞지 않아서 마침내 전체적으로 조각들이 약간씩 비틀어져 있다는 것을 깨닫게 되는 것과 비슷하였습니다. 이러한 물리학 퍼즐은 마지막까지 다 맞춰보기 전 까지는 그동안 제대로 맞지 않았다는 것조차도 전혀 눈치 챌 수가 없었지만, 20세기 중반에 이르러 물리학자들은 왜 퍼즐이 정확히 맞지 않았는지 그 이유를 찾아내었습니다. 그리고 그렇게 해서 다시 맞춘 퍼즐은 아주 잘 들어맞았는데, 그것은 바로 새로 알게 된 물리학이 틀리지 않다는 증거가 되었습니다. 그렇게 밝혀진 물리학이 원자와 분자 세계의 운동법칙에 대한 양자역학과, 그동안 잘못 이해하고 있었던 공간과 시간을 제대로 알게 해준 상대성이론인데, 이 둘을 현대물리학이라고 부르고, 그 이전 19세기 말까지 완성되었던 물리학을 고전물리학이라 부릅니다.

이처럼 물리학은 단편적인 지식들의 모임으로 구성된 과목이라기보다는 전체적인 줄거리가 잘 짜인 과목입니다. 또한 이 줄거리는 자연현상이 돌아가는 기본 이치를 인간이 깨달아가는 과정을 설명하는 감명 깊은 성공 스토리이기도 합니다. 그뿐 아니라, 이 줄거리는 물리적 개념을 논리적으로 발전시킴에 따라 구성된 것으로, 복잡해 보이는 자연현상이 돌아가는 이치를 간단하고도 아름다운 단지 몇 개의 기본법칙으로 이야기해주며, 무척 많아 보이는 물리학 법칙들도 실은 단지 몇 개 안 되는 기본법칙의 다른 표현 방법에 불과하다는 것을 알려주기도 합니다.