고전물리학
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1. 개요
고전물리학은 힘의 영향을 받는 물체의 운동을 다루는 물리학의 한 분야로, 뉴턴 역학, 전자기학, 열역학, 통계역학 등을 포함한다. 양자역학이 도입되기 전까지의 물리학을 포괄하며, 뉴턴의 운동 법칙, 맥스웰 방정식 등이 핵심적인 역할을 한다. 현대 물리학에서는 양자역학 및 상대성 이론과의 관계 속에서 고전물리학의 적용 범위와 한계를 논하며, 컴퓨터 모델링에서도 중요한 역할을 한다.
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- 고전물리학 - 고전역학
고전역학은 거시적 물체의 운동을 기술하는 물리학 분야로, 뉴턴의 운동 법칙을 통해 위치, 속도, 힘 등의 관계를 분석하며, 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙 등을 포함하지만, 빛의 속도에 가깝거나 미시 세계에서는 한계를 지닌다. - 고전물리학 - 열역학
열역학은 에너지와 엔트로피를 사용하여 열과 일의 상호작용, 에너지 전달 및 변환을 다루는 물리학의 한 분야로, 네 가지 기본 법칙을 바탕으로 자연 과학 및 공학 분야에 응용되어 에너지 변환 및 시스템 최적화에 기여하며 공리적 재구축 연구가 진행 중이다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류 - 공 (악기)
공은 금속으로 제작된 타악기로, 다양한 문화권에서 의식, 신호, 음악 연주 등에 사용되며, 형태와 용도에 따라 여러 종류로 나뉜다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류 - 국무회의
국무회의는 대한민국 대통령을 의장으로, 예산, 법률안, 외교, 군사 등 국정 현안을 심의하는 중요한 기관이며, 대통령, 국무총리, 국무위원으로 구성되고, 정례회의는 매주 1회, 임시회의는 필요에 따라 소집된다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류2 - 공 (악기)
공은 금속으로 제작된 타악기로, 다양한 문화권에서 의식, 신호, 음악 연주 등에 사용되며, 형태와 용도에 따라 여러 종류로 나뉜다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류2 - 국무회의
국무회의는 대한민국 대통령을 의장으로, 예산, 법률안, 외교, 군사 등 국정 현안을 심의하는 중요한 기관이며, 대통령, 국무총리, 국무위원으로 구성되고, 정례회의는 매주 1회, 임시회의는 필요에 따라 소집된다.
| 고전물리학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 학문 분야 | 물리학 |
| 연구 대상 | 물질의 기본적인 구성 요소, 힘, 에너지, 공간, 시간 |
| 주요 이론 | 고전 역학 열역학 전자기학 광학 |
| 고전 역학 | |
| 주요 내용 | 뉴턴의 운동 법칙 라그랑주 역학 해밀턴 역학 |
| 주요 개념 | 힘 운동량 에너지 각운동량 관성 모멘트 |
| 관련 분야 | 고체역학 유체역학 음향학 |
| 열역학 | |
| 주요 내용 | 열역학 법칙 통계 역학 |
| 주요 개념 | 열 일 (물리) 엔트로피 열역학적 평형 |
| 관련 분야 | 화학 열역학 통계물리학 |
| 전자기학 | |
| 주요 내용 | 맥스웰 방정식 |
| 주요 개념 | 전하 전기장 자기장 전자기파 |
| 관련 분야 | 전기 공학 전자 공학 |
| 광학 | |
| 주요 내용 | 빛의 반사 빛의 굴절 빛의 회절 빛의 간섭 |
| 주요 개념 | 빛 파동 렌즈 거울 |
| 관련 분야 | 색 분광학 |
| 한계점 | |
| 주요 내용 | 미시 세계 현상 설명의 한계 상대성 이론과의 불일치 |
| 극복 | 양자 역학 상대성 이론 |
2. 범주
고전 물리학은 양자역학적 패러다임을 사용하지 않는 물리학 이론으로, 고전역학과 상대성 이론을 포함한다.[2] 일반 상대성 이론 및 고전 전자기학과 같은 고전장론은 양자역학을 사용하지 않는 이론이다.[3] 일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론의 맥락에서 고전 이론은 갈릴레이 상대성을 따르는 이론이다.[4]
고전 물리학에 포함되는 주요 분야는 다음과 같다.
2. 1. 역학
고전역학은 힘의 영향을 받는 물체의 운동을 다루는 물리학의 한 분야이다. 물체의 운동에 대한 연구는 매우 오래되었으며, 고전역학은 가장 오래되고 가장 큰 주제 중 하나이다.고전역학은 다음과 같이 세분화된다.
2. 2. 전자기학
맥스웰 방정식을 사용하는 고전 전자기학은 고전물리학의 한 분야이다.[2] 고전 전자기학은 양자역학을 사용하지 않는 이론이다.[3]2. 3. 열역학 및 통계역학
열역학 및 통계역학은 고전 물리학의 한 분야이다. 고전 열역학은 열역학적 계의 평형 상태를 다루며, 통계역학은 미시적인 입자들의 운동을 통해 거시적인 열역학적 현상을 설명한다.2. 4. 기타
혼돈 이론과 비선형 역학, 고전역학(뉴턴의 운동 법칙, 고전 라그랑주 역학 및 해밀턴 역학 형식주의), 고전 전자기학(맥스웰 방정식), 고전 열역학, 일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론이 있다.3. 현대 물리학과의 비교
고전물리학은 양자역학이나 상대성 이론과 같은 현대물리학 이론이 등장하기 이전의 물리학 이론을 통칭한다. 현대 물리학은 적용 가능한 경우 양자 이론과 상대성 이론을 모두 사용한다.
물리계는 고전 물리학의 법칙이 대략적으로 유효한 조건을 만족할 때 고전 물리학으로 설명될 수 있다. 실제로, 원자와 분자보다 큰 거시적 및 천문학적 영역의 물체는 고전 역학으로 잘 설명된다.
오늘날, 컴퓨터는 고전적인 미분 방정식을 풀기 위해 수백만 번의 산술 연산을 몇 초 만에 수행할 수 있지만, 뉴턴은 수동 계산으로 동일한 방정식을 푸는 데 몇 시간이 걸렸을 것이다.
컴퓨터 모델링은 양자 및 상대론적 물리학에 필수적이다. 고전 물리학은 많은 수의 입자에 대한 양자 역학의 한계로 간주된다. 반면에, 고전 역학은 상대론적 역학에서 파생된다. 예를 들어, 특수 상대성 이론의 많은 공식에서 보정 인자 (''v''/''c'')2가 나타나는데, 여기서 ''v''는 물체의 속도이고 ''c''는 빛의 속도이다. 빛의 속도보다 훨씬 작은 속도에서는 ''c''2 이상을 포함하는 항을 무시할 수 있다. 그러면 이 공식은 뉴턴 운동 에너지 및 운동량의 표준 정의로 축소된다. 컴퓨터 모델링은 가능한 한 현실적이어야 한다. 초유동성의 경우와 같은 오류를 발생시키지 않기 위해서는 고전 물리학을 사용할 수 없다. 양자 이론은 시간과 컴퓨터 자원을 소비하며, 고전 물리학의 방정식은 빠른 해를 제공하기 위해 사용될 수 있지만, 그러한 해는 신뢰성이 부족하다.
컴퓨터 모델링은 물체의 행동을 설명하려고 시도할 때, 상대성 이론 또는 양자 이론 중 어떤 이론을 사용할지 결정하기 위해 에너지 기준만을 사용한다. 저에너지 물체는 양자 이론으로 처리하고 고에너지 물체는 상대성 이론으로 처리한다.[5][6][7]
3. 1. 양자 역학과의 관계
현대물리학의 가장 큰 특징은 양자역학의 도입이다. 20세기 이후 발견된 현대물리학의 법칙들로 인해 고전물리학의 법칙들이 폐기되는 것은 아니다. 고전물리학이 다루는 계의 범주에서 고전물리학의 명제와 법칙들은 여전히 유효하다. 단, 분자 또는 원자 이하의 세계를 고찰할 때에는 양자역학과 같은 현대물리학의 개념 도입이 필수적이다.[2]고전물리학의 전자기파 이론은 결정론적인 개념과 법칙으로 인해 빛이 갖는 양자적 특성을 정확히 파악하는 데 한계가 있다.
고전물리학의 방정식들은 플랑크 상수를 발견하기 이전에 수립되었다. 대응원리와 에렌페스트 정리에 따르면 계가 충분히 클 때에만(작용 >> 플랑크 상수) 초유체 현상 같은 고전 역학으로는 설명할 수 없는 예외적인 현상이 일어난다. 때문에 일상 생활의 범주에서는 고전물리학의 개념과 법칙이 여전히 유효하며 양자역학적 개념은 무시할 수 있다. 한편, 현대물리학에서는 고전역학과 양자역학의 상응에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 이러한 연구에서는 어떻게 고전물리학 법칙이 적용되는 계의 한계점에서 양자역학적 법칙이 작동되는지를 고찰한다.[3]
현대물리학의 기본 이론 중 하나인 양자역학은 매우 높은 정밀도의 결과를 제공하며, 물성물리학에서 발생하는 문제의 대부분은 원리적으로 양자역학으로 완전히 기술될 수 있다고 생각된다. 양자역학적 효과는 특히 분자·원자 수준이나 더 작은 스케일에서 본질적인 효과를 가지며, 양자역학을 고려하지 않는 경우에는, 예를 들어 원자가 안정적으로 존재할 수 없는 등, 현실과 크게 다른 결과가 나타난다. 원자·분자 수준 현상의 고전론적 취급과 양자론적 취급에 따른 결과의 큰 차이는 양자론과 자연의 본질을 이해하는 데 중요하다.
하지만 양자역학은 수학적인 처리가 매우 어려우며, 현실의 복잡한 계를 양자역학을 사용하여 묘사하는 것은 불가능한 경우가 대부분이다. 반면, 양자역학적 효과는 원자 수준에서는 본질적인 효과를 가지지만, 거시적인 계에 미치는 영향은 그렇게 크지 않아서, 실용적인 이론·수법으로는 양자역학적 효과를 무시하거나, 고전역학의 범위 내에서 처리 가능한 형태로 포함시키는 것이 이루어진다.
수학적으로, 고전물리학의 방정식에는 플랑크 상수가 나타나지 않는다. 대응 원리와 에렌페스트 정리에 따르면, 계를 플랑크 상수에 비해 충분히 크고 무겁게 함으로써, 양자물리학으로부터 고전물리학이 유도된다. 이것이 일상생활 수준의 거시적인 계에서는 양자적인 효과를 신경 쓰지 않아도 되는 이유이다.
3. 2. 상대성 이론과의 관계
현대물리학과 비교했을 때 고전물리학의 가장 큰 특징은 양자역학의 도입 여부이다. 20세기 이후 발견된 현대물리학의 법칙들이 고전물리학의 법칙을 대체하는 것은 아니다. 고전물리학이 다루는 계의 범주에서는 고전물리학의 명제와 법칙들이 여전히 유효하다. 그러나 분자 또는 원자 이하의 세계를 다룰 때는 양자역학과 같은 현대물리학의 개념 도입이 필수적이다.[2]고전물리학의 전자기파 이론은 결정론적인 개념과 법칙 때문에 빛이 갖는 양자적 특성을 정확히 파악하는 데 한계가 있다.
고전물리학의 방정식들은 플랑크 상수를 발견하기 이전에 수립되었다. 대응원리와 에렌페스트의 정리에 따르면 계가 충분히 클 때에만(작용 >> 플랑크 상수) 초유체 현상 같은 예외적인 현상이 나타난다. 따라서 일상 생활의 범주에서는 고전물리학의 개념과 법칙이 여전히 유효하며 양자역학적 개념은 무시할 수 있다. 한편, 현대물리학에서는 고전역학과 양자역학의 상응에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있으며, 이러한 연구에서는 고전물리학 법칙이 적용되는 계의 한계점에서 양자역학적 법칙이 어떻게 작동되는지를 탐구한다.[4]
상대성 이론 또한 양자역학을 고려하지 않는 한 고전 이론에 포함된다. 물리학에서 "고전 이론"은 "양자 이론"의 반대말이며, 전통적/현대적의 대비로 사용하는 것은 일반적이지 않다.
4. 주요 개념
고전물리학의 주요 개념은 다음과 같다:
고전물리학은 특정 조건을 만족하는 경우 근사적으로 기술할 수 있다. 고전물리학의 법칙이 적용되는 범위는 우주의 크기에서 원자나 분자의 크기 수준까지이다. 원자 내 또는 원자 간에서는 고전물리학의 법칙이 깨지며 현상을 정확하게 기술할 수 없다.
현대물리학의 기본 이론 중 하나인 양자역학은 매우 높은 정밀도의 결과를 제공하는 이론이며, 물성물리학에서 발생하는 문제의 대부분은 원리적으로 양자역학으로 완전히 기술될 수 있다고 생각된다. 양자역학적 효과는 특히 분자·원자 수준이나 더 작은 스케일에서 본질적인 효과를 가지며, 양자역학을 고려하지 않는 경우에는, 예를 들어 원자가 안정적으로 존재할 수 없는 등, 현실과 크게 다른 결과가 나타난다. 원자·분자 수준 현상의 고전론적 취급과 양자론적 취급에 따른 결과의 큰 차이는 양자론과 자연의 본질을 이해하는 데 중요하다.
하지만 양자역학은 수학적인 처리가 매우 어려우며, 현실의 복잡한 계를 양자역학을 사용하여 묘사하는 것은 불가능한 경우가 대부분이다. 반면, 양자역학적 효과는 원자 수준에서는 본질적인 효과를 가지지만, 거시적인 계에 미치는 영향은 그렇게 크지 않아서, 실용적인 이론·수법으로는 양자역학적 효과를 무시하거나, 고전역학의 범위 내에서 처리 가능한 형태로 포함시키는 것이 이루어진다. 이처럼 양자역학을 직접적으로 다루는 것을 피한 이론·수법도 고전론이라고 불린다.
수학적으로, 고전물리학의 방정식에는 플랑크 상수가 나타나지 않는다. 대응 원리와 에렌페스트 정리에 따르면, 계를 플랑크 상수에 비해 충분히 크고 무겁게 함으로써, 양자물리학으로부터 고전물리학이 유도된다. 이것이 일상생활 수준의 거시적인 계에서는 양자적인 효과를 신경 쓰지 않아도 되는 이유이다.
5. 공식화
- '''뉴턴의 운동 법칙'''
- '''해석역학''' (라그랑주 역학, 해밀턴 역학, 루스 역학, 해밀턴-야코비 방정식, 아펠의 운동 방정식, 쿠프만-폰 노이만 역학)
6. 주요 과학자
7. 컴퓨터 모델링과의 관계
오늘날 컴퓨터는 고전적인 미분 방정식을 풀기 위해 수백만 번의 산술 연산을 몇 초 만에 수행한다. 하지만 미분법의 아버지 중 한 명인 뉴턴은 그 특정 방정식을 발견했더라도 수동 계산으로 동일한 방정식을 푸는 데 몇 시간이 걸렸을 것이다.
컴퓨터 모델링은 양자 및 상대론적 물리학에 필수적이다. 고전 물리학은 많은 수의 입자에 대한 양자 역학의 한계로 간주된다. 반면에, 고전 역학은 상대론적 역학에서 파생된다. 예를 들어, 특수 상대성 이론의 많은 공식에서 보정 인자 (''v''/''c'')2가 나타나는데, 여기서 ''v''는 물체의 속도이고 ''c''는 빛의 속도이다. 빛의 속도보다 훨씬 작은 속도에서는 ''c''2 이상을 포함하는 항을 무시할 수 있다. 그러면 이 공식은 뉴턴 운동 에너지 및 운동량의 표준 정의로 축소된다. 이것은 특수 상대성 이론이 낮은 속도에서 뉴턴 역학과 일치해야 하기 때문에 그래야 한다. 컴퓨터 모델링은 가능한 한 현실적이어야 한다. 고전 물리학은 초유동성의 경우와 같은 오류를 발생시킬 것이다. 세계의 신뢰할 수 있는 모델을 만들기 위해서는 고전 물리학을 사용할 수 없다. 양자 이론은 시간과 컴퓨터 자원을 소비하고, 고전 물리학의 방정식은 빠른 해를 제공하기 위해 사용될 수 있지만, 그러한 해는 신뢰성이 부족하다.[5][6][7]
컴퓨터 모델링은 물체의 행동을 설명하려고 시도할 때, 상대성 이론 또는 양자 이론 중 어떤 이론을 사용할지 결정하기 위해 에너지 기준만을 사용할 것이다. 물리학자는 더 정확한 모델이 적용되고 해당 계산이 진행되기 전에 고전 모델을 사용하여 근사값을 제공할 것이다.
컴퓨터 모델에서는 고전 물리학이 제외된 경우 물체의 속도를 사용할 필요가 없다. 저에너지 물체는 양자 이론으로 처리하고 고에너지 물체는 상대성 이론으로 처리한다.[5][6][7]
참조
[1]
서적
Elementary Modern Physics
unknown
1968
[2]
서적
Introduction to Classical Mechanics
https://archive.org/[...]
Cambridge University Press
[3]
서적
Electrodynamics and Classical Theory of Fields & Particles
Dover Publications
[4]
서적
Relativity
Barnes & Noble
[5]
논문
Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical
2003
[6]
간행물
Decoherence and the transition from quantum to classical
1991
[7]
문서
Decoherence and the Transition from Quantum to Classical—Revisited
https://arxiv.org/ab[...]
[8]
백과사전
고전물리학
글로벌 세계 대백과
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