에너지
에너지와 관련한 현상은 우리 주변에서 일어나는 모든 과정이라고 하여도 과언이 아닙니다. 우리는 에너지를 질량과 등가로 표현할 수 있습니다. 질량은 에너지의 한 종류이며 물질이 가지고 있는 일반적인 특징입니다. 오랜 세월에 걸쳐 자연을 연구하는 학자들은 끊임없이 운동, 힘, 에너지가 어떻게 연결되어 있나 하는 것을 생각해 왔습니다. 19세기에는 결과적으로 이들의 연관성을 방정식으로 표현한 개념과 '에르그'라는 용어를 만들게 됩니다. 에르그는 그리스어 어르건에서 생겨난 단어입니다. 이 개념은 기계가 어떻게 기계적 일을 해내는가, 즉 힘을 써서 물체를 움직이는 방식에 관한 탐구에서 얻어졌습니다. 오늘날 과학자들은 에너지란 어떤 일을 해내는 기계나 유기체 또는 그 밖의 계의 역량이라고 정의합니다. 예컨대 연료를 에너지로 가득 채운 자동차는 사람이나 사물을 운송할 수 있고, 지구의 중력에너지는 물을 아래로 흘려 대양으로 이동시키고 사과나무의 사과를 땅으로 떨어지게 하며 공중을 가르는 스키 선수들을 가뿐히 착지시킵니다. 에너지의 종류는 여러 가지입니다. 운동에너지, 열에너지, (생) 화학에너지, 방사능에너지, 원자핵에너지, 전자기에너지, 중력에너지. 우주의 모든 행성, 바위분자, 유리게에는 이런저런 유형의 에너지들이 작용하고 있고, 동시에 여러 에너지가 작용할 때가 많습니다. 이 우주에서 일어나는 모든 과정들은 한 형태에서 다른 형태로의 에너지 교환이나 에너지 전달이 동반됩니다. 물리학에서는 물리량들을 정의하여 사용하고, 이들은 대개 어떤 특성을 대표하며 측정가능한 단위가 딸려있습니다. 가장 중요한 물리량인 에너지는 줄이라는 단위로 측정됩니다. 질량은 파운드로, 시간은 초, 공간은 피트, 속도는 초당 피트로 측정됩니다.
상호작용
상호작용하는 에너지라는 것은 우리 눈에 쉽게 보이지는 않지만 '힘'이라는 개념은 우리에게 더욱 친숙합니다. 물리학자들은 속도에 변화를 주는 것을 힘의 작용으로 간주합니다. 예를 들어서 피겨스케이터들은 근력을 사용해 몸을 공중에 날리고, 중력의 끌어내림에 이끌려 다시 빙판 위에 착지합니다. 이 선수들은 빙판의 힘, 중력과 스케이트 간의 상호작용을 이용하여 능숙하게 스케이트를 탑니다. 힘은 태양과 행성 간에도 작용합니다. 지금껏 알려진 모든 힘, 예컨대 근력, 폭발력, 마찰력, 부력, 전자기력은 사실 4종류의 근본 힘에서 파생한 것들입니다. 그 4가지의 힘은 중력, 전자기력, 그리고 매우 짧은 거리에서 작용하는 서로 다른 두 핵력입니다. 중력은 4가지 힘 중 우루만물의 모든 사물에 영향을 미치는 유일한 힘이자, 시간과 공간 구조의 직접적 결과물이기도 합니다. 이와 대조적으로 전자기적 상호작용은 전기적으로 하전 된 입자(전자)나 사물(자석)에만 영향을 미칩니다. 열, 일, 지진해일(쓰나미) 같은 주제를 논의하기에 앞서, 에너지와 힘이 아닌 제3의 개념 '장'을 이야기할 필요가 있습니다. 장이란 몰리적 과정을 기술하기 위해 존재하는 개념입니다. 전기장, 자기장, 중력장은 어디에나 있습니다. 어느 한 지점에서 힘이 어떻게 어느 한 입자에 영향을 미치는지에 대해 알기 쉽게 정리해 줍니다. 에너지, 힘, 장의 상관관계를 가장 잘 성명해 주는 예시는 이러합니다. 하전 된 전자가 고속으로 10센티미터 길이의 케이블을 타고 건전지의 양극 쪽으로 이동합니다. 그동안 전자는 전기장과 상호작용하면서 더욱 세지고 빨라집니다.
역학
무게중심이라는 개념은 역학에서 발견한 가장 중요한 개념입니다. 이것은 모든 자연현상에서 동일하게 존재합니다. 이 개념으로 인해 인류의 지성에 많은 발전이 이어졌습니다. 이로 인해 학자 들은 운동에 대한 연구를 할 수 있었고, 이 연구결과를 이용해서 다른 영역으로 응용할 수 있었습니다. 운동학은 사물의 운동을 연구하는 기계학의 한 분야입니다. 운동학에서 가장 중요한 한 법칙은 속도란 거리를 시간으로 나눈 몫입니다. 가속도는 속도를 다시 시간으로 나누어 구합니다. 운동과정에서 운동학적 측정값의 크기와 방향이 바뀌면 이를 구하는 것이 한층 복잡해집니다. 이때는 미적분 같은 특수한 수학적 계산법이 필요합니다. 이러한 계산법 또한 영국인 뉴턴과 독일인 라이프니츠 같은 학자들에 의해 마침내 개발되었습니다. 탄환의 궤적을 수학적으로 설명하는 데 성공함으로써 역학은 당당한 과학의 한 분야로 인정받았습니다. 다만 운동의 원인은 물리학자들이 설명해 냈습니다. 이 과정에서 '힘'의 개념이 발전하게 된 것입니다. 탄환을 비롯한 사물은 질량이 작을수록 더 큰 힘으로 가속됩니다. 질량과 속도를 곱한 운동량을 생각해 보면 매 충격은 운동량을 변화시키는데, 이때 변화량은 정확히 사물에 가해지는 힘의 세기에 비례합니다. 운동량은 에너지와 비슷하게 운동량보존법칙을 따릅니다. 수학적으로 몇 가지 변환을 거치면, 회전하는 물체에 대한 운동량, 즉 각운동량도 구할 수 있습니다. 보존법칙은 여러모로 중요한 도구입니다. 매 입자의 충돌, 빙판 위를 도는 각각의 움직임 등을 연구할 때, 이러한 과정의 상세조건을 고려하지 않고서도 보존법칙으로 식을 세우고 답을 구할 수 있습니다.