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2018 겨울호 / 학과 탐방 Ⅱ / 자연의 근본적인 원리와 법칙을 탐구하는 물리학과

2019-03-12 77

자연의 근본적인 원리와 법칙을 탐구하는 물리학과

시간, 공간, 빛, 우주와 생명현상. 이들의 공통점은 무엇일까요? 바로 물리학의 연구 대상이라는 점입니다. 물리학의 사전적 정의는 다음과 같습니다. ‘물질의 물리적 성질과 그것이 나타내는 모든 현상, 그리고 그들 사이의 관계나 법칙을 연구하는 학문’. 이처럼 물리학이란, 어떤 물리적 대상이나 그들의 관계를 연구하는 학문입니다. 여기서 물리적 대상에는 앞서 이야기한 시공간과 우주, 빛과 생명 등이 포함되어있고 그 외에도 원자핵이나 플라즈마, 심지어 사회 현상까지, 어떤 연구자가 연구하고자 하는 모든 대상이 포함된다고 볼 수 있습니다.

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포스텍 물리학과에서는 어떤 것들을 다루나요?

우선 물리학과를 지망하는 많은 학생들의 로망인 입자물리가 있습니다. 입자물리는 세상을 구성하는 기본 입자들과 기본 입자들의 상호작용에 대해서 연구하는 학문이며, 자연의 근본적인 원리와 법칙을 탐구하는 물리학 중에서도 가장 순수하게 근본을 연구하는 분야입니다. 우리가 일상적으로 겪는 세계에서는 입자물리 고유의 특성들이 잘 드러나지 않기 때문에 입자물리의 발전은 고도의 이론적, 실험적 도구가 개발된 최근에야 이루어졌습니다. 현재 입자물리에서는 표준모형이라는 이론이 근간이 되지만 아직 완벽한 이론은 아닙니다. 입자물리에서는 이를 보완하기 위한 초대칭, 끈이론 등이 연구되고 있습니다.

다음으로 빛에 대해서 다루는 광물리학이 있습니다. 광물리학에서는 우리에게 익숙한 개념인 빛의 여러가지 특성에 대해서 다루는데, 물질 안에서의 빛의 행동이나 레이저 기술, 혹은 이미징 등 빛을 이용한 다양한 응용분야를 연구합니다. 최근에는 세상에서 가장 빠른 존재인 빛을 물질 속에서 멈추게 만드는 놀라운 실험들이 성공해 왔고 이러한 실험 결과들은 양자컴퓨터와 같은 첨단 장치를 제작하기 위한 원천기술이 되기도 합니다.

포스텍 물리학과의 가장 많은 교수님들께서 연구하고 있는 분야는 응집물질물리입니다. 입자물리가 작은 소립자 하나하나에 초점을 맞춘다면, 응집물질물리는 그러한 입자가 매우 많이 모여있는 시스템을 다룹니다. 굉장히 많은 수의 입자를 다루기 때문에 각각의 입자들의 상호작용을 모두 다룰 수 없어서, 이를 해결하기 위한 방법들을 다룹니다. 대표적으로 고체 결정의 주기성을 이용하여 고체 내부 전자들의 에너지를 다룰 수 있습니다. 혹시 커피잔과 도넛이 같다는 이야기를 들어보셨나요? 이는 위상수학이라는 수학의 한 분야에서 나온 결과인데, 최근 노벨상이 수여됨으로써 화제가 되었던 물질에서의 위상수학적인 현상들도 응집물질물리 분야에서 다루고 있는 현상입니다.

그 외에도 생명현상을 물리학에서 사용하는 도구들을 이용하여 다루는 생물물리, 전하를 띈 입자들의 모임인 플라즈마에 대해 연구하는 플라즈마물리, 사회현상이나 사람의 뇌와 같이 아주 복잡합 시스템을 다루는 복잡계물리 등 포스텍의 물리학과에서는 정말 다양한 분야들에 대해서 연구하고 있습니다.

또한 앞에서는 연구 분야에 맞추어 물리학을 분류하였는데, 연구 방법을 이용해서 분류할 수도 있습니다. 이러한 분류 방법에 따르면 물리학은 크게 수학적인 방법론을 적극적으로 활용하여 물리적 대상에 대한 이론을 세우는 이론물리, 실험을 통하여 새로운 현상을 발견하거나 이론을 검증하는 실험물리로 나눌 수 있고, 그 외에도 컴퓨터를 이용해 물리적 대상을 분석하는 전산물리와 이론물리와 실험물리를 이어주는 현상론 등이 있습니다.

포스텍 물리학과에서는 어떤 과목들을 배우나요?

그렇다면 여러분이 포스텍에 입학해서 물리학과를 선택하였을 때 배우는 과목들에 대해서 알아봅시다. 일단 물리학을 공부하기 위한 가장 기본적인 과목들인 역학, 전자기학, 양자물리, 열물리를 배워야 합니다. 각각에 대해서 소개하자면,

역학은 고등학교 때 배웠던 뉴턴역학의 확장이라고 할 수 있습니다. 뉴턴의 역학을 기본으로 좀 더 수학적으로 정교해진 라그랑지 역학과 해밀턴 역학에 대해서 배우며 이러한 도구들을 이용하여 천체역학, 강체의 회전운동 등을 다루게 됩니다.

전자기학은 맥스웰방정식을 바탕으로 각종 전기적, 자기적 현상을 다루며 마지막에는 특수상대성이론까지 포괄하게 됩니다.

학부 물리학 과목의 꽃이라고 할 수 있는 양자물리는 기존 고전적인 물리학으로 설명할 수 없었던 기묘한 현상들을 설명하는 분야입니다. 기존 결정론적인 물리에서 벗어나 확률론적인 입장을 취하게 됩니다.

열물리에서는 수없이 많은 입자들이 모여있는 시스템을 다루게 되는데, 통계적인 방법을 물리학으로 가져와 사용합니다.

2, 3학년 동안 위 기본 과목들에 더불어 개인의 선택에 따라 수리물리, 전산물리 등을 추가로 배우게 되며, 추후 실험물리를 전공할 사람들을 위한 물리실험 과목들도 여럿 개설이 되어있습니다. 여러분이 4학년이 되면 핵 및 입자물리, 고체물리, 광물리학, 생물물리학 같은 다양한 분야의 선택과목들 중 관심 있는 분야를 골라서 들을 수 있습니다.

지금까지 포스텍 물리학과에서 연구하고 배우는 것들에 대해서 알아 보았습니다. 사실 구구절절 적어 놓았지만 글로만 보아서는 물리학과가 어떠한 공부를 하는 학과인지 감이 잘 오지 않을 수도 있습니다. 그럴 땐 도서관에 있는 물리학 전공서적을 펴보시기 바랍니다. 거기에 적혀있는 정체 모를 수식들이 예쁘게 보이고 그 의미를 알고 싶어진다면 주저 말고 물리학과를 선택해도 좋을 것이라고 생각합니다. 그럼 여러분들의 남은 입시를 응원합니다.

김준민 | 물리학과 16학번

김준민 | 물리학과 16학번