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물리학은 가장 간단한 무기체와 자연과정, 그리고 그것에 대한 측정과 수학적 기술을 다룬다.

뉴턴의 고전역학은 유클리드 기하학을 토대로 삼았으며, 태양계를 그의 역학 공리에 종속되는 질점의 체계로 기술했다. 갈릴레오의 낙체법칙은 가장 간단한 뉴턴 공리의 논리적 결과였으며 이들의 뒤를 이은 케플러는 행성의 운동을 정확히 기술하는 법칙을 고안해 냈다. 물리학의 역사에서는 역학 법칙에 덧붙여 제임스 클럭 맥스웰의 방정식으로 요약된 전자기 현상의 영역을 빼놓을 수 없다.

지구에서 100억 광년 정도 떨어진 천체를 관측할 수 있게 된 오늘날에는 역학·음향학·고전물리학의 여러 분야들간의 전통적인 구분이 일상적인 인간의 경험세계에서부터 우주론을 통해 획득된 우주에 대한 총체적인 이해를 포괄하는 거시물리학과 원자법칙과 불연속 양자도약의 상호작용을 연구하는 미시물리학의 구분으로 대체되었다. 20세기에 들어서 독일의 물리학자 막스 플랑크는 h＝6.626×10^－27erg·s라는 소위 작용의 양자를 제안했으며 아인슈타인은 이를 빛에까지 확장시켰다.

원자의 실제 존재가 이들에 의해 검증되었고 여기서 미시물리학이 발생하게 되었다. 이후 양자론은 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, P.A.M. 디랙 등에 의해 발전되었고 양자전기역학으로 확장되었다. 1905년 처음으로 공식화된 아인슈타인의 상대성이론은 물리학의 혁명적 변화를 가져왔다. 여기서 점질량의 뉴턴 역학은 단지 더 정확한 상대론적 역학의 근사로 드러난다. 특수상대성이론의 가장 중요한 결과는 질량과 에너지의 등가로서 E＝mc²(c는 빛의 속도)이라는 것이다.

1916년 이후 아인슈타인은 상대성이론을 일반상대성이론으로 확장시켰고 중력을 국부운동이론으로 환원시키는 데 성공했지만 수학적인 복잡성을 증가시키는 결과를 가져왔다.

자연의 질서를 담아내는 기준틀과 관련하여 볼 때 제1차 세계대전 이전에 이루어진 리카르트 데데킨트의 실수에 대한 정확한 개념 규정은 뉴턴의 시공개념을 분명히 기술할 수 있게 했다. 뉴턴 물리학의 단순한 시공관계는 근대 이후 여러 방향으로 변화해왔다.

동시성의 개념은 특수상대성이론에 의해 상대화되었다. 우주론은 실제 천문학적 우주의 공간이 유클리드 기하학의 관계에 근사할 뿐임을 보여주었고 이 근사는 유클리드 공간을 일정한 양(＋)의 곡률을 가진 공간으로 대치시킴으로써 개선될 수 있는 것으로 드러난다. 이 공간은 수학적으로 3차원 초구형 '표면' R²＝x²＋y²＋z²＋u²으로 정의되며 이것은 서로 직교하는 x, y, z, u의 좌표축을 가진 가설적인 4차원 유클리드 공간이다.

이것은 프랑스의 수학자 앙리 푸앵카레에 의해 규약론적으로 지지되고 있다. 그러나 많은 과학철학자들은 천문학적 광선이 직선으로 여겨지는 한, 공간 곡률의 문제가 임의적인 규약으로 해결될 수는 없으며 경험적으로 해결되어야 할 것으로 보고 있다.

뉴턴 역학과 맥스웰의 전기역학은 유클리드 공간의 대칭성을 보여준다. 이것은 두 역학이 벡터 해석의 언어로 표현될 수 있다는 사실을 통해 드러난다(→ 색인：벡터 해석학). 벡터란 크기와 방향을 갖는 양을 나타내며 벡터장이란 예를 들면 전기장 세기, 전류밀도와 같이 공간상의 모든 점에 벡터를 결부시키는 것을 말한다.

자기장의 세기 H를 벡터장 A의 회전장으로 유도할 수 있는데 이것을 보통 벡터 퍼텐셜이라고 부른다(H＝c·curl A). 진공에서 맥스웰 방정식은 패러데이 법칙이 전기장의 회전장과 자기장의 시간에 따른 변화 사이에서 비례형태를 취함을 나타냈다(H＝c·curl E). 그러나 맥스웰 이론이 에너지 국부화로 나아가는 반면, 중력 에너지가 어떠한 국부화도 허용하지 않는다는 사실은 중력이론과 양자론 사이에 명백히 풀리지 않는 문제가 있음을 보여준다.

단순한 현상론적 물질이론에서는 모든 물리적 과정이 연속적이라는 것이 전제되어 있다. 그러나 양자론에 의하면 인과율과는 달리 불연속적인 사건의 사전결정은 통계적으로만 말할 수 있다. 상대론적 우주론에서 두 지점에서 각각의 사건은 서로 독립적으로 존재하며, 인과율적 영향은 상호의존적인 시공에서만 일어날 수 있다. 이것을 양자론에 적용할 경우 물리과정의 인과율 대신 양자변환의 통계적 확률을 도입할 수 있게 된다.

상대성이론과 양자역학을 이론적으로 결합시키는 문제는 양자전기역학을 낳았지만 이것은 아직 완결되지 않은 상태이다. 하이젠베르크는 소위 세계공식화의 해답을 찾으려 노력했지만 여전히 더 많은 연구가 요구되고 있다.

현대물리학은 중성자·중간자·중핵자 등 다양한 기본입자를 다루고 있다. 입자와 파동의 이중성은 모든 종류의 기본입자가 갖는 공통성이다. x방향을 움직이는 전자가 x에만 의존하는 파장길이를 가질때 전자는 Δx와 같은 간격의 파장길이를 갖고 Δp가 불연속적 운동량의 값이라면 불확정성의 산물인 Δx와 Δp는 플랑크의 기본 양자 상수 h보다 작을 수 없다.

이것이 유명한 하이젠베르크의 불확정성 관계이며, 이는 닐스 보어가 설명했듯이 위치와 운동량의 '상보성'을 표현하는 것이다. 불확정성 원리에 따르면 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것은 불가능하다. 디랙과 요르단에 의한 양자역학의 일반 통계 변형이론은 미시적 질점의 측정 가능한 물리적 양들을 총체적으로 검토하고 있다. 회전체에 관한 뉴턴 역학의 이론들(즉 원심력에 대한 역학적 법칙과 코리올리 힘)이 아인슈타인의 일반상대성이론 위에 확립될 수 있다는 것을 밝히기는 간단한 일이 아니다.

에른스트 마흐는 원심력이 절대적인 물체 회전의 결과라는 뉴턴의 생각에 반대하면서 매우 멀리 떨어진 우주의 거대 질량과 관련된 물체의 회전이 원심력의 진정한 원인이라고 주장했다. 아인슈타인의 이론에서 이러한 마흐의 원리를 이끌어내는 것은 우주 전체의 기하학적·역학적 성질이 밝혀졌을 때에나 가능할 것이다.

거시물리학에 대한 우주론적 관련은 열역학에도 영향을 끼쳤다.

열역학에서 비역과정의 존재는 시간의 양(＋)과 음(－)의 방향을 지시해준다. 엔트로피는 시간의 양의 방향에서만 증가할 수 있다. 그러나 원자에 관한 양자이론에서는 시간의 양과 음의 방향은 동시에 정당한 것으로 인정할 수 있다(CPT[charge parity time] 대칭의 원리). 통계열역학이론에서 엔트로피는 열역학적 개연성의 로그에 비례적인 것으로 간주되었고, 학자들은 그것을 자연의 과정이 낮은 개연성에서 높은 개연성으로 진행되어간다는 사고의 필연성으로 보았다.

이러한 해석은 엔트로피가 최대치에 이르지 않은 이상적인 기체 속에서 엔트로피는 증가할 수밖에 없다는 것을 보여주었다고 생각한 유명한 볼츠만의 수학 정리에 의해 지지되었다. 그러나 시간의 양의 방향은 충돌률 계산에 의해 CPT 원리에 맞지 않는 것으로 드러났다. 문제는 충돌률의 원리가 CPT 원리와 모순된다고 할 때 그것을 타당한 것으로 여기는 것을 어떻게 물리적으로 정당화할 수 있는가 하는 것이다. 수학자이자 천문학자인 헤르만 본디는 이 패러독스에 답을 제시하고 있다.

그는 엔트로피 원칙이 우주 전체에서 한 가지 시간 방향을 골라낸 것으로, 즉 팽창하는 우주의 시간을 골라낸 것으로 이해되어야 한다고 보았다. 거시적인 차원에서는 증가하는 엔트로피를 가지고 그리고 미시적인 차원에서는 충돌률의 계산을 통해 시간의 양의 방향을 열역학적으로 구분해내는 것은 우주팽창의 결과로 드러난다.

한편 알렉산더 프리드만의 수학적 발견은 아인슈타인의 일반상대성이론에서 우주론적 모델을 수학적으로 이끌어내는 데 중요한 역할을 했다.

프리드만에 의하면 평균 질량 밀도가 전공간에 걸쳐 일정한다면 중력장 방정식은 시간 좌표 t를 가진 일정한 곡률의 3차원 공간을 포함하는 행렬에 의해 충족된다. 이런 우주론은 공간곡률이 양이냐 음이냐 또는 0이냐에 의존한다. 이 이론은 본디에 의해 프리드만 모델에 적용되기도 했는데, 우주의 가장 보편적인 특징은 모든 시공간에서 동일하다는, 소위 가장 완전한 우주론적 원칙을 채택함으로써 이 이론은 일정한 시간을 가진 3차원 공간뿐만 아니라 전체 시공간의 다양성에 관한 고도의 대칭성이나 동질성의 요구를 충족시켰다.

그러나 이 이론은 우주 시초의 '대폭발'의 잔여물로 해석되는 절대 온도 3K을 가진 배경 복사의 발견으로 인해 더이상 유지될 수 없게 되었다. 따라서 정상우주론 대신 프리드만 모델이나 우주상수 λ를 도입하는 르메트르 모델을 택할 수밖에 없다. 중력 상수 G는 우주의 발달과정에서 변하기 쉽다는 디랙의 추측 이후 많은 논의가 진행되고 있지만 이 주제에 관해서는 아직 어떠한 결론에도 도달하지 못했다.