2020 봄호 / 학과탐방 ② / 물리학과

물리학은 자연 현상의 원리를 탐구하는 학문입니다. 물리학에서 탐구하고자 하는 자연 현상은 고등학교 물리학 교과서에서 소개하고 있는 것들뿐만 아니라, 흔히 물리학의 탐구 대상이라고 생각하기 힘들었던 것들도 포함되어 있습니다. 이번 글에서는 물리학의 탐구 대상에 어떤 것들이 있는지, 그 대상들을 탐구하기 위해 물리학과에서 어떤 준비 과정을 거치는지, 그리고 물리학과 학생들의 진로가 어떻게 되는지를 소개해 드리고자 합니다.

물리학 연구의 방법론은 크게 이론, 실험, 전산으로 나누어집니다. 이론 물리학자들은 물리학이나 다른 분야에서 나온 이론을 바탕으로 새로운 자연 현상을 예측하거나, 실험 물리학자들이 발견한 현상을 수학을 이용한 언어로 설명하는 일을 합니다. 전산 물리학자들은 컴퓨터를 통해 이미 나와 있는 이론을 적용했을 때 어떤 현상이 일어날지 예측하고, 실험 물리학자들은 이론 물리학자들이나 전산 물리학자들이 예측한 현상이 실제 자연 현상과 들어맞는지 실험을 통해 확인하는 일을 합니다. 때때로 실험물리학자들이 기존의 이론으로 설명할 수 없는 현상을 발견했을 때 새로운 분야가 개척되기도 합니다.

연구의 관심 대상은 크게 응집물리, 광학, 생물물리 및 복잡계 물리, 플라즈마 물리, 입자물리 등으로 나누어집니다. 포스텍 물리학과에서 가장 중점적으로 연구하고 있는 분야는 응집물리입니다. 응집물리에서는 원자, 분자, 전자 등이 모여있는 고체 물질에 대해 연구합니다. 현대에 와서는 입자물리학에서 사용되던 양자장론이나 위상수학 같은 이론적 도구를 이용해 응집물질의 성질을 이론적으로 예측하려는 시도도 진행되고 있습니다. 응집물리는 고체의 성질을 연구한다는 점 때문에 신소재과학과도 깊은 연관을 가지고 있기도 합니다.

광학은 빛의 성질을 연구하는 학문입니다. 빛을 양자역학적으로 이해하려는 분야인 양자광학은 양자 컴퓨팅과도 깊은 연관이 있습니다. 생물물리는 양자역학이나 통계역학 등의 물리학적 방법을 이용해 생명 현상을 탐구하는 분야입니다. 뇌와 같이 복잡한 생명 시스템을 연구하다 나온 복잡계 물리도 물리학의 연구 대상 중 하나인데, 이 복잡계 물리를 통해 사회 현상을 물리적으로 연구하기도 합니다. 플라즈마물리는 기체 상태에서 전자가 분리된 플라즈마 상태의 물질에 관해 연구하는 분야입니다. 플라즈마는 반도체 공정에서도 광범위하게 쓰이고 있고, 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 핵융합과도 깊은 연관이 있습니다. 입자물리는 우주를 이루는 기본입자들의 상호작용을 연구하는 분야입니다. 또한, 베일에 덮여있는 빅뱅 직후 초기 우주의 모습을 연구하기도 하고, 최근에는 응집물질에서 발견되는 새로운 현상을 설명하기도 합니다.

이번에는 물리학과 학부 과정에서 배우는 것을 얘기해보려 합니다. 1학년 때 일반물리나 미적분학과 같은 기초필수 과목들을 듣고 나면, 2학년부터 전공과목들을 듣기 시작합니다. 물리학과의 전공필수 과목에는 크게 역학, 전자기학, 양자물리, 열물리 등의 과목과 실험 과목들이 있습니다.

역학에서는 물체의 운동을 분석하기 위해 라그랑지안 역학이나 해밀토니안 역학을 배웁니다. 라그랑지안 역학은 전자기적 현상이나 상대성이론을 설명하는 데 쓰이기도 하고, 해밀토니안 역학은 현대 물리학의 꽃이라 할 수 있는 양자물리를 설명하는 데 중요한 역할을 하기도 합니다. 전자기학에서는 맥스웰 방정식을 통해 전자기장과 전하에 나타나는 현상들을 이해하게 됩니다. 전자기학의 응용으로 전자기파에 대해 다루기도 하고, 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 통해 전자기학을 설명하기도 합니다. 물리학과 3학년이 되면 물리학과의 꽃이라 할 수 있는 양자물리를 배우게 됩니다. 양자물리에서는 아주 작은 미시세계에서 일어나는 현상들을 배우게 되며, 응집물리와 같은 현대 물리의 연구 분야와 밀접한 연관이 있습니다. 열물리에서는 기체 상태와 같이 많은 입자로 이루어진 시스템을 통계적인 방법을 통해 분석하게 됩니다. 열물리에서 배우게 되는 통계적인 방법은 생물물리나 응집물리, 플라즈마 물리 등에서 중요하게 쓰이게 됩니다. 실험 과목들에서는 실험하는 방법이나 실험 보고서 작성 방법, 실험 결과를 발표하는 법 등을 배우게 됩니다. 또한, 물리학과에서는 다양한 전공선택 과목들을 개설하고 있습니다. 물리학에서 쓰이는 다양한 수학적 방법들을 배우는 수리물리, 현대물리를 접했을 때 고전물리와의 괴리감을 완화해 주기 위한 양자물리학입문, 상대성이론입문 등의 과목들과 물리학의 세부 연구 분야들과 관련된 고체물리, 플라즈마물리, 생물물리, 광물리학, 핵 및 입자물리 등의 전공 선택 과목들이 개설돼 있습니다.

포스텍 물리학과를 졸업하면 대다수는 대학원에 진학합니다. 그 이유는 보통 학부에서 배운 것들보다 더 깊은 내용을 연구하거나, 물리학의 전문가가 되어 전공을 살려 일을 하기 위함입니다. 대학원을 졸업하고 나면 학계에 계속 남아 대학교수가 되거나, 기업체에 소속된 연구소에 들어가 연구원이 되기도 합니다. 그 외에도 벤처 기업을 창업하거나 정계에 진출하기도 하는 등 사회의 다양한 영역에서 물리학과 졸업생들이 활동하고 있습니다. 글로만 읽어서는 아직 물리학이라는 학문이 낯설게 느껴질 수 있습니다. 또한, 물리학이 어렵고 딱딱한 과목이라는 인식이 있는 분들도 많을 것 같습니다. 하지만 물리학은 생각보다 흥미롭고 재미있는 학문이라는 것을 기억해 주셨으면 합니다. 글을 보시고 물리학이 어떤 학문인지 더 알고 싶고, 흥미롭다는 생각이 드신다면 도서관에 가서 전공 서적 같은 물리학 관련 책들을 찾아보는 것도 추천하고 싶습니다. 그리고 물리학을 배우고 싶다면, 포스텍 물리학과에 입학하는 것이 절대 후회하지 않을 선택일 것이라 말씀드리고 싶습니다. 끝으로, 여러분들의 입시를 응원합니다!

물리학과 18학번  손희준