종파 (물리학)

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1. 개요

종파는 매질 내 입자의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 일치하는 파동으로, 음파, 탄성파, 압력파 등이 이에 해당한다. 종파는 "L파"로 축약되기도 하지만, 지진학에서는 러브파 또는 장파를, 심전도법에서는 T파를 지칭하므로 혼동을 피해야 한다. 음파는 공기, 물, 고체 등 다양한 매질을 통해 전달되며, 탄성파는 등방성 고체와 액체에서 속도가 결정된다. 전자기파는 일반적으로 횡파이지만, 플라즈마파는 종파의 형태를 띠며, 종파는 초음파 검사, 비파괴 검사, 지진파 분석 등 다양한 분야에서 활용된다.

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종파 (물리학)
개요
종파의 시뮬레이션. 입자들은 파의 진행 방향과 같은 방향으로 움직임.
유형	파동
관련 개념	횡파 진동 주파수 파장 음파 탄성
분야	음향학 지진학
설명
정의	매질의 변위 방향이 파의 진행 방향과 평행한 파동
특징	압축과 팽창의 형태로 에너지를 전달
예시	음파: 공기 분자의 압축과 팽창 지진파 중 P파: 땅의 압축과 팽창
매질	기체 액체 고체
속도	매질의 탄성 및 밀도에 따라 달라짐
수학적 표현	파동 방정식으로 표현 가능
에너지 전달	매질 입자의 진동을 통해 전달
간섭 및 중첩	다른 파동과 간섭 및 중첩 가능
회절	장애물을 만나면 회절 현상 발생
응용 분야	초음파 검사 지진 연구 음향 기기

2. 종파의 정의 및 명칭

"종파"와 "횡파"는 일부 저자에 의해 편의상 각각 "L파"와 "T파"로 줄여 표기되기도 한다.^[1]

이 두 약어는 지진학에서 특정 의미(L파는 러브파^[2] 또는 장파^[3]), 그리고 심전도법에서 특정 의미(T파 참조)를 갖지만, 일부 저자들은 "ℓ파"(소문자 'L')와 "t파"를 대신 사용하기도 한다. 하지만 이는 일부 대중 과학 서적을 제외하고는 물리학 저술에서 흔히 찾아볼 수 없다.^[4]

2. 1. 명칭

"종파"는 영어로 "Longitudinal wave"이며, 일부 저자에 의해 "L파"로 줄여 쓰기도 한다.^[1] 하지만 지진학에서 L파는 러브파(Love wave)^[2] 또는 장파(Long wave)^[3]를 의미하므로 혼동을 피해야 한다.^[4]

3. 종파의 종류

3. 1. 음파 (Sound waves)

음파는 대표적인 종파의 예시로, 공기, 물, 고체 등 다양한 매질을 통해 전달된다. 음파의 진폭은 압력 변화로 나타나며, 속도는 매질의 밀도, 온도, 조성에 따라 달라진다.

종파형 조화 음파의 경우, 주파수와 파장은 다음 공식으로 표현할 수 있다.

: y(x,t) = y_o * cos( ω * ( t - x/c ) )

여기서:

: y 는 진행 중인 음파의 한 지점의 변위;

Graph depicting a symmetrical wave spreading outwards from the center in all directions — 2차원 그리드에서 전방향 펄스파의 전파 표현 (경험적 형태)

: x 는 파원으로부터의 거리;

: t 는 경과 시간;

: y_o 는 진동의 진폭;

: c 는 파동의 속도; 그리고

: ω 는 파동의 각주파수.

량 x/c 는 파동이 거리 x 를 이동하는 데 걸리는 시간이다.

파동의 일반 주파수( f )는 다음과 같이 주어진다.

: f = ω / 2π

파장은 파동의 속도와 일반 주파수 간의 관계로 계산할 수 있다.

: λ = c / f

음파의 경우, 파동의 진폭은 방해받지 않은 공기의 압력과 파동에 의해 발생한 최대 압력의 차이이다.

소리의 전파 속도는 소리가 전파되는 매질의 종류, 온도 및 조성에 따라 달라진다.

3. 1. 1. 음파의 수학적 표현

종파형 조화 음파의 경우, 주파수와 파장은 다음 공식으로 표현할 수 있다.

: y(x,t) = y_o * cos( ω * ( t - x/c ) )

여기서:

: y 는 진행 중인 음파의 한 지점의 변위;

: x 는 파원으로부터의 거리;

: t 는 경과 시간;

: y_o 는 진동의 진폭;

: c 는 파동의 속도; 그리고

: ω 는 파동의 각주파수.

량 x/c 는 파동이 거리 x 를 이동하는 데 걸리는 시간이다.

파동의 일반 주파수( f )는 다음과 같이 주어진다.

: f = ω / 2π

파장은 파동의 속도와 일반 주파수 간의 관계로 계산할 수 있다.

: λ = c / f

음파의 경우, 파동의 진폭은 방해받지 않은 공기의 압력과 파동에 의해 발생한 최대 압력의 차이이다.

소리의 전파 속도는 소리가 전파되는 매질의 종류, 온도 및 조성에 따라 달라진다.

3. 1. 2. 음속

소리의 전파 속도는 소리가 전파되는 매질의 종류, 온도 및 조성에 따라 달라진다.

3. 2. 탄성파 (Elastic waves)

3. 2. 1. 등방성 매질에서의 종파

등방성 고체와 액체의 경우, 종파의 속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

\ v_\ell = \sqrt{ \frac{~ E_\ell\ }{ \rho }\ }\

여기서

:

\ E_\ell\ ~~

는 탄성 계수이며,

\ E_\ell = K_b + \frac{\ 4G\ }{ 3 }\

와 같다.

::: 여기서

\ G\ ~~

는 전단 탄성 계수이고

\ K_b\

는 체적 탄성 계수이다.

:

\ \rho ~~~

는 매질의 질량 밀도이다.

3. 2. 2. 다결정 재료에서의 종파 감쇠

다결정 재료는 벌크 재료를 형성하는 다양한 결정 입자로 구성된다. 이러한 입자의 결정 구조와 특성의 차이로 인해, 다결정을 통과하는 파동이 입계를 통과할 때 산란 현상이 발생하여 파동의 산란 기반 감쇠를 일으킨다.^[8] 또한 점탄성 재료에 대한 비율 규칙인,

:

\frac{~\ \alpha_\ell\ }{~\ \alpha_T\ } ~\geq~ \frac{~ 4\ c_T^3\ }{~ 3\ c_\ell^3\ }

가 다결정 재료에도 동일하게 적용된다는 것이 밝혀졌다.^[8]

길쭉한 입자를 가진 다결정 재료에서 파동 감쇠를 모델링하기 위한 현재 예측은 결정 시스템에서 다중 산란을 고려할 수 있도록 불균일성의 2차를 고려하는 2차 근사(SOA) 모델이다.^[9]^[10] 이 모델은 다결정에서 입자의 모양이 감쇠에 거의 영향을 미치지 않는다고 예측한다.^[9]

3. 3. 압력파 (Pressure waves)

유체 내 음파에 대한 위에 주어진 방정식은 탄성 고체 내의 음향파에도 적용된다. 고체는 또한 횡파(지진학에서 S파로 알려짐)를 지지하지만, 고체 내의 종파인 음파는 물질의 밀도와 강성에 따라 달라지는 음속과 음향 임피던스를 가지고 존재하며, 후자는 물질의 체적 탄성 계수에 의해 (기체 내의 소리와 마찬가지로) 설명된다.^[11]

2022년 5월, NASA는 페르세우스자리 은하단 중심에 있는 블랙홀의 소리화 (압력파와 관련된 천문학적 데이터를 소리로 변환)를 보고했다.^[12]^[13]

3. 3. 1. 블랙홀의 소리화

2022년 5월, NASA는 페르세우스자리 은하단 중심에 있는 블랙홀의 소리화(압력파와 관련된 천문학적 데이터를 소리로 변환)를 보고했다.^[12]^[13]

3. 4. 전자기파 (Electromagnetic waves)

맥스웰 방정식은 진공에서의 전자기파를 예측하는데, 이는 엄밀히 횡파이다. 즉, 파동을 구성하는 전기장과 자기장은 파동의 진행 방향에 수직이다.^[14] 그러나 플라즈마파는 종파인데, 이는 전자기파가 아니라 전하 입자의 밀도파이며, 전자기장과 결합할 수 있다.^[14]^[15]^[16]

헤비사이드가 맥스웰 방정식을 일반화하려 시도한 후, 헤비사이드는 전자기파가 "''자유 공간''" 또는 균질 매질에서 종파로 발견되지 않는다고 결론지었다.^[17] 현재 우리가 이해하는 맥스웰 방정식은 그 결론을 유지한다. 자유 공간 또는 다른 균일한 등방성 유전체에서 전자기파는 엄밀히 횡파이다. 그러나 전자기파는 복굴절 물질을 통과할 때, 또는 제네크파와 같이 경계면(예: 표면파)에서 특히 비균질 물질을 통과할 때 전기장 및/또는 자기장에 종파 성분을 나타낼 수 있다.^[18]

현대 물리학의 발전에서 알렉산드루 프로카(1897–1955)는 자신의 이름을 딴 상대론적 양자장 방정식(프로카 방정식)을 개발한 것으로 알려져 있으며, 이는 질량이 있는 스핀-1 벡터 중간자에 적용된다. 최근 수십 년 동안, 장-피에르 비지에와 스웨덴 왕립 학회의 보 레네르트와 같은 일부 다른 이론가들은 프로카 방정식을 사용하여 광자 질량^[19]을 맥스웰 방정식의 종파 전자기적 성분으로 증명하려 시도했으며, 종파 전자기파가 디랙 편극 진공에서 존재할 수 있음을 시사했다. 그러나 광자 정지 질량은 거의 모든 물리학자들에 의해 강하게 의심받고 있으며, 물리학의 표준 모형과 양립하지 않는다.

3. 4. 1. 플라즈마파

맥스웰 방정식은 진공에서의 전자기파를 예측하게 하는데, 이는 엄밀히 횡파이다. 즉, 파동을 구성하는 전기장과 자기장은 파동의 진행 방향에 수직이다.^[14] 그러나 플라즈마파는 종파인데, 이는 전자기파가 아니라 전하 입자의 밀도파이며, 전자기장과 결합할 수 있다.^[14]^[15]^[16]

헤비사이드가 맥스웰 방정식을 일반화하려 시도한 후, 헤비사이드는 전자기파가 "''자유 공간''" 또는 균질 매질에서 종파로 발견되지 않는다고 결론지었다.^[17] 현재 우리가 이해하는 맥스웰 방정식은 그 결론을 유지한다. 자유 공간 또는 다른 균일한 등방성 유전체에서 전자기파는 엄밀히 횡파이다. 그러나 전자기파는 복굴절 물질을 통과할 때, 또는 제네크파와 같이 경계면(예: 표면파)에서 특히 비균질 물질을 통과할 때 전기장 및/또는 자기장에 종파 성분을 나타낼 수 있다.^[18]

3. 4. 2. 종파 전자기파에 대한 논의

맥스웰 방정식은 진공에서의 전자기파를 예측하게 하는데, 이는 엄밀히 횡파이다. 즉, 파동을 구성하는 전기장과 자기장은 파동의 진행 방향에 수직이다.^[14] 그러나 플라즈마파는 종파인데, 이는 전자기파가 아니라 전하 입자의 밀도파이며, 전자기장과 결합할 수 있다.^[14]^[15]^[16]

헤비사이드가 맥스웰 방정식을 일반화하려 시도한 후, 헤비사이드는 전자기파가 "''자유 공간''" 또는 균질 매질에서 종파로 발견되지 않는다고 결론지었다.^[17] 현재 우리가 이해하는 맥스웰 방정식은 그 결론을 유지한다. 자유 공간 또는 다른 균일한 등방성 유전체에서 전자기파는 엄밀히 횡파이다. 그러나 전자기파는 복굴절 물질을 통과할 때, 또는 제네크파와 같이 경계면(예: 표면파)에서 특히 비균질 물질을 통과할 때 전기장 및/또는 자기장에 종파 성분을 나타낼 수 있다.^[18]

현대 물리학의 발전에서 알렉산드루 프로카(1897–1955)는 자신의 이름을 딴 상대론적 양자장 방정식(프로카 방정식)을 개발한 것으로 알려져 있으며, 이는 질량이 있는 스핀-1 벡터 중간자에 적용된다. 최근 수십 년 동안, 장-피에르 비지에와 스웨덴 왕립 학회의 보 레네르트와 같은 일부 다른 이론가들은 프로카 방정식을 사용하여 광자 질량^[19]을 맥스웰 방정식의 종파 전자기적 성분으로 증명하려 시도했으며, 종파 전자기파가 디랙 편극 진공에서 존재할 수 있음을 시사했다. 그러나 광자 정지 질량은 거의 모든 물리학자들에 의해 강하게 의심받고 있으며, 물리학의 표준 모형과 양립하지 않는다.

4. 종파의 활용

4. 1. 초음파 검사

4. 2. 비파괴 검사

4. 3. 지진파 분석

5. 더불어민주당과 종파 관련 정책

6. 결론

참조

_[1] 서적 Stone in Architecture: Properties, durability https://books.google[...] Springer Science & Business Media
_[2] 서적 A Dictionary of Earth Sciences http://www.oxfordref[...] Oxford University Press
_[3] 서적 Abbreviations Dictionary https://books.google[...] CRC Press
_[4] 서적 The Tuning Fork https://books.google[...]
_[5] 웹사이트 Attenuation https://wiki.seg.org[...]
_[6] 간행물 Scattering of elastic waves in simple and complex polycrystals https://doi.org/10.1[...] 2008-04
_[7] 간행물 An inequality for longitudinal and transverse wave attenuation coefficients https://pubs.aip.org[...]
_[8] 간행물 Bounds on the longitudinal and shear wave attenuation ratio of polycrystalline materials https://pubs.aip.org[...] 2017-04-01
_[9] 간행물 Longitudinal wave attenuation in polycrystals with elongated grains: 3D numerical and analytical modeling 2021-04-01
_[10] 간행물 Elastic wave velocity dispersion in polycrystals with elongated grains: Theoretical and numerical analysis https://pubs.aip.org[...] 2020-12-01
_[11] 웹사이트 "P-Wave" http://scienceworld.[...] Eric Weisstein's World of Science
_[12] 뉴스 New NASA Black Hole Sonifications with a Remix https://www.nasa.gov[...] 2022-05-04
_[13] 뉴스 Hear the Weird Sounds of a Black Hole Singing – As part of an effort to "sonify" the cosmos, researchers have converted the pressure waves from a black hole into an audible … something. https://www.nytimes.[...] 2022-05-07
_[14] 서적 Introduction to Electrodynamics
_[15] 서적 Classical Electrodynamics
_[16] 서적 Force-free Magnetic Fields World Scientific
_[17] 문서 "Electromagnetic theory" Appendices: D. On compressional electric or magnetic waves Chelsea Pub Co
_[18] 문서 "The Zenneck surface wave", Nikola Tesla, Lightning Observations, and stationary waves, Appendix II
_[19] 간행물 Experimental Limits on the Photon Mass and Cosmic Magnetic Vector Potential
_[20] 문서

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