힘과 운동
뉴턴의 세 가지 운동 법칙은 모든 물체의 움직임을 설명하는 기초 원리입니다. 제1법칙(관성의 법칙)은 외부 힘이 작용하지 않으면 정지 상태나 등속 운동을 유지한다는 것이며, 제2법칙(가속도의 법칙)은 힘이 물체에 가해지면 질량에 비례해 가속도가 생긴다는 것을 의미합니다. 제3법칙(작용과 반작용의 법칙)은 어떤 물체에 힘을 가하면 반대 방향으로 같은 크기의 힘이 되돌아온다는 원리입니다.
에너지 전환
탈탄소화는 에너지 시스템에서 온실가스 배출을 줄이기 위해 화석연료 의존을 줄이고 청정 에너지로 전환하는 과정입니다. 특히 전력 생산 부문에서 석탄, 석유, 천연가스 사용을 줄이고, 태양광, 풍력 등 재생에너지의 비중을 높이는 것이 핵심입니다. 이는 탄소중립 달성과 기후위기 대응의 가장 중요한 전략으로 여겨집니다.
중력
중력은 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 인력으로, 우주에서 가장 기본적인 힘 중 하나다. 지구 위에서 우리가 땅에 발을 디딜 수 있고, 사과가 나무에서 떨어지는 현상도 모두 중력의 영향이다. 뉴턴의 만유인력 법칙에 따르면, 두 물체 사이의 중력은 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다. 이 개념은 현대 물리학의 중요한 기반이 되었으며, 이후 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 더욱 정교하게 설명되었다.
열역학 법칙
에너지 보존의 법칙이라고 불리는 제1법칙은 에너지는 생성되거나 소멸되지 않으며, 단지 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있다는 것을 말합니다. 예를 들어, 연료가 연소될 때 화학 에너지가 열 에너지와 운동 에너지로 바뀌는 것은 이 법칙의 대표적인 사례입니다. 열역학 제1법칙은 내부 에너지의 변화는 시스템에 공급된 열과 외부에 한 일의 차이로 정의됩니다. 이는 에너지 흐름을 정량적으로 분석할 수 있는 기초를 제공합니다.
파동
파동은 공간을 통해 에너지가 전달되는 현상으로, 매질의 진동이나 전자기장을 통해 에너지가 이동합니다. 대표적으로 소리, 빛, 물결 등이 파동에 해당하며, 진동 자체는 매질을 따라 움직이지 않지만 에너지는 전파됩니다. 파동은 주기성과 방향성을 가지며, 매질이 필요 없는 파동(예: 전자기파)도 존재합니다.
빛의 성질
빛은 본질적으로 직선 경로로 진행하는 성질이 있습니다. 이 성질 덕분에 그림자가 생기며, 우리가 물체를 똑바로 볼 수 있는 것도 이 때문입니다. 예를 들어, 손전등을 켜면 빛이 넓게 퍼지지 않고 일정한 방향으로 쭉 뻗어 나가는 것을 볼 수 있습니다. 이 직진성은 광학기기 설계나 레이저 기술에서도 매우 중요한 역할을 합니다.
전기와 자기
전기는 정지된 전하와 이동하는 전하, 즉 전류로 나뉩니다. 전하는 양전하와 음전하로 구분되며, 같은 전하끼리는 서로 밀고, 반대 전하는 서로 끌어당깁니다. 전류는 이러한 전하가 도선이나 회로를 따라 이동하면서 흐르는 것이며, 전압이라는 전기적 압력에 의해 만들어집니다. 전류의 방향은 역사적으로 양전하가 이동하는 방향으로 정의되어 있지만, 실제로는 음전하인 전자가 이동합니다.
상대성 이론
1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 관측자에 상관없이 일정하다는 사실을 전제로 한다. 이 이론은 고전 물리학으로 설명되지 않던 고속 입자의 운동을 설명하며, 시간과 공간이 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 결론에 도달한다. 핵심 공식인 E=mc²은 질량이 에너지로 전환될 수 있다는 사실을 알려주었고, 이는 원자력 발전과 같은 현대 물리학의 토대가 되었다.
양자역학
양자역학의 기본 개념 중 하나로, 전자나 광자와 같은 미시적인 입자들이 동시에 입자의 성질과 파동의 성질을 가진다는 이론입니다. 대표적인 실험으로는 이중 슬릿 실험이 있으며, 입자가 슬릿을 통과할 때 간섭 무늬가 나타나는 현상은 그들이 파동처럼 행동하고 있다는 증거로 간주됩니다. 이 개념은 고전 물리학과는 전혀 다른 직관을 요구합니다.
입자 물리학
입자 물리학은 우주를 구성하는 가장 근본적인 단위인 '기본 입자(fundamental particles)'를 연구합니다. 이들은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자이며, 대표적으로 쿼크(quarks), 렙톤(leptons), 그리고 게이지 보손(gauge bosons)이 있습니다. 전자는 렙톤의 일종이고, 쿼크는 양성자와 중성자 같은 핵자의 구성 요소입니다. 이 기본 입자들은 스핀, 질량, 전하 등의 고유한 특성을 가지고 상호작용하며 물질을 구성합니다.
우주론
우주론에서 가장 널리 받아들여지는 이론으로, 약 138억 년 전 '특이점'에서 시작된 초고온·초고밀도의 폭발로 우주가 탄생했다는 가설입니다. 이후 우주는 팽창하고 냉각되었으며, 현재까지도 그 팽창은 계속되고 있습니다. 우주배경복사(CMB)와 은하들의 적색편이 현상은 이 이론을 뒷받침하는 주요 증거입니다.
플라즈마
플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 물질 상태로, 전자와 이온이 분리된 상태의 이온화된 기체입니다. 자연계에서는 번개, 북극광, 태양 같은 천체에서 관찰되며, 인공적으로는 네온사인, 플라즈마 TV, 플라즈마 절단기 등 다양한 산업에서 활용됩니다. 플라즈마는 높은 에너지 상태와 전도성 특성으로 인해 전자기파에 민감하게 반응합니다.
진자운동
진자란 일정한 축을 중심으로 흔들리는 물체를 말합니다. 대표적인 예로는 시계추, 그네, 줄에 매달린 공 등이 있습니다. 이러한 시스템은 일정한 주기성을 가지며 진동 운동을 하게 되며, 이는 단순 조화 운동의 대표적인 예입니다. 진자의 움직임은 물리학에서 주기 운동과 에너지 보존 법칙을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
물질의 상태
고체는 일정한 형태와 부피를 가진 물질의 상태로, 분자들이 고정된 위치에서 진동만 하는 구조입니다. 분자 간 결합력이 매우 강해서 흐르지 않고 단단한 형태를 유지합니다. 대표적인 예로 얼음, 철, 나무 등이 있으며, 외부에서 힘이 가해지지 않는 이상 그 형태가 변하지 않습니다. 또한 고체는 일반적으로 압축이 어렵고, 일정한 온도에서 녹아 액체로 변하는 ‘융해’ 과정을 겪습니다.
응용물리학
반도체 물리는 현대 전자기기의 핵심이 되는 기술로, 실리콘, 갈륨 아르세나이드 등의 물질 특성을 이해하고 응용하는 분야입니다. 전자의 밴드 구조, 도핑, PN 접합 등의 개념을 바탕으로 트랜지스터, 다이오드 등 반도체 소자의 설계와 제조에 기초가 됩니다. 응용물리학자는 이러한 소자의 물리적 동작 원리를 연구하여 효율을 높이거나 새로운 전자 소자를 개발합니다