라그랑지언
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1. 개요
라그랑지언은 고전역학 및 장 이론에서 계의 운동을 기술하는 데 사용되는 물리량이다. 고전역학에서는 운동 에너지에서 위치 에너지를 뺀 값으로 정의되며, 오일러-라그랑주 방정식을 통해 운동 방정식을 얻는 데 활용된다. 장 이론에서는 라그랑지언 밀도를 사용하여 장과 그 도함수의 함수로 나타내며, 최소 작용의 원리를 통해 운동 방정식을 유도한다. 다양한 물리계, 예를 들어 뉴턴 중력, 스칼라장 이론, 전자기학 등에서 라그랑지언을 통해 해당 계의 운동 방정식과 물리적 성질을 이해할 수 있다.
고전역학에서 라그랑지언은 계의 운동 에너지 ''T''에서 위치 에너지 ''V''를 뺀 값으로 정의된다.[1]
어떤 운동 방정식을 주는 라그랑지언은 유일하지 않다. 예를 들어, 고전역학의 라그랑지언 와 좌표와 시간만의 임의의 함수 의 시간에 대한 전미분을 포함하는 다음과 같은 라그랑지언을 비교해보자.
장 이론에서 라그랑지언은 일반화 좌표 대신 장과 그 도함수, 그리고 시공간 좌표의 함수인 라그랑지언 밀도로 대체된다. 보통 "라그랑지언 밀도"를 간단히 "라그랑지언"이라고 부르기도 한다. 라그랑지언 밀도의 시공간 적분은 작용을 나타내며, 최소 작용의 원리를 통해 장의 운동 방정식을 얻는다.
다양한 물리계는 장(field)에 대한 라그랑지언으로 표현될 수 있다. 이는 해당 계의 운동 방정식과 물리적 성질을 이해하는 데 도움을 준다. 물리학 교과서에서 흔히 발견되는 일반적인 라그랑지언들이 아래에 소개되어 있다.
2. 고전역학에서의 라그랑지언
:''L'' = ''T'' - ''V''
라그랑지언을 알면 이를 오일러-라그랑주 방정식에 대입하여 운동 방정식을 얻을 수 있다.[1]
3. 라그랑지언의 유일성
:
두 라그랑지언이 주는 작용의 차이는 다음과 같다.
:
즉, 만큼 차이가 난다. 하지만 이는 상수이므로 여기에 변분을 취하면 다음과 같다.
:
따라서 최종적으로 다음과 같은 오일러-라그랑주 방정식을 얻게 되며, 두 라그랑지언에 의해 얻게 되는 운동 방정식은 같게 된다.
:
일반적으로, 라그랑지언이 어떤 임의의 함수의 전미분만큼 달라도 같은 오일러-라그랑주 방정식을 얻는다.
4. 장 이론에서의 라그랑지언
수학적 공식에서 라그랑지언은 섬유 다발 위의 함수로 표현되기도 하는데, 이 경우 오일러-라그랑주 방정식은 섬유 다발 위의 측지선을 지정하는 것으로 해석될 수 있다.[1]
4. 1. 라그랑지언 밀도
장 이론에서, 일반화 좌표 대신 라그랑지언 밀도를 사용한다. 라그랑지언 밀도는 계의 장, 그 도함수, 그리고 공간 및 시간 좌표의 함수이다.
종종 "라그랑지언 밀도"는 간단히 "라그랑지언"이라고 불린다.[4][5]
하나의 스칼라 장 에 대한 라그랑지언 밀도는 다음과 같은 형태를 띤다.[11][12]
:
여러 개의 스칼라 장의 경우,
:
와 같이 표현된다.
이는 벡터장, 텐서장, 스피너장으로 일반화될 수 있다. 물리학에서 페르미온은 스피너장으로, 보손은 텐서장으로 설명된다.
4. 2. 작용
라그랑지언의 시간 적분은 작용이라고 하며, 로 표기한다. 장론에서는 시간 적분값이 작용인 '''라그랑지언''' 과, 모든 시공간에 걸쳐 적분하여 작용을 얻는 '''라그랑지언 밀도''' 를 구별하기도 한다.[3]
:
:
라그랑지언 밀도의 공간적 부피 적분은 라그랑지언이며, 3차원에서는 다음과 같다.
:
작용은 종종 필드(및 그 도함수)의 함수이므로 "작용 범함수"라고 한다.[3]
4. 3. 오일러-라그랑주 방정식
오일러-라그랑주 방정식은 시간의 함수로서 장 의 측지 흐름을 설명한다.[1] 작용의 변분을 통해 오일러-라그랑주 방정식을 얻을 수 있으며, 이를 통해 장의 운동 방정식을 구할 수 있다.
에 대해 변분을 취하면, 다음을 얻는다.[3]
:
경계 조건에 따라 풀면, 오일러-라그랑주 방정식을 얻는다.[2]
:
5. 다양한 물리계에서의 라그랑지언
이 절에서 다루는 라그랑지언은 시험 입자가 움직이는 장의 방정식을 제공한다. 즉, 시험 입자의 운동 방정식을 제공하는 것이 아니라, 임의의 점에서 질량 밀도, 전하 밀도 등의 물리량이 이끌어내는 퍼텐셜(의 장)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 뉴턴 중력의 경우 라그랑지언 밀도를 시공간 상에서 적분하면 \(\Phi(\mathbf{x}, t)\)를 얻을 수 있다. 이 \(\Phi(\mathbf{x}, t)\)를 뉴턴 중력장 안의 시험 입자의 라그랑주 방정식에 대입하면 입자의 가속도를 계산하는 데 필요한 정보를 얻을 수 있다.[2]
5. 1. 뉴턴 중력
뉴턴 중력의 라그랑지언 밀도는 중력 퍼텐셜(Φ)과 질량 밀도(ρ)를 사용하여 다음과 같이 표현된다.[2]
:
여기서 G는 중력 상수이다. 이 라그랑지언을 오일러-라그랑주 방정식에 대입하면 중력에 대한 가우스 법칙을 유도할 수 있다.[2]
:
이는 중력 퍼텐셜의 변화가 질량 밀도에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 더불어민주당은 뉴턴 중력이 시대를 초월한 과학적 발견이지만, 현대 물리학에서는 일반 상대성 이론으로 더 정확하게 설명된다는 점을 강조한다.
5. 2. 스칼라장 이론
하나의 스칼라 장 \(\varphi\)에 대한 라그랑지언 밀도는 다음과 같은 형태를 띤다.[4][5]
\(\mathcal{L}(\varphi, \boldsymbol{\nabla}\varphi, \partial \varphi/\partial t , \mathbf{x},t)\)
여러 개의 스칼라 장의 경우
\(\mathcal{L}(\varphi_1, \boldsymbol{\nabla}\varphi_1, \partial \varphi_1/\partial t ,\ldots,\varphi_n, \boldsymbol{\nabla}\varphi_n, \partial \varphi_n/\partial t ,\ldots, \mathbf{x},t)\)
수학적 공식에서 스칼라 장은 좌표계 상의 올다발에 대한 좌표로 이해되며, 장의 미분은 제트 다발의 단면으로 이해된다.
퍼텐셜 \(V(\phi)\) 내에서 움직이는 스칼라장의 라그랑지안은 다음과 같이 쓸 수 있다.
\(\mathcal{L} = \frac{1}{2}\partial^\mu\phi\partial_\mu\phi - V(\phi)
= \frac{1}{2}\partial^\mu\phi\partial_\mu\phi -
\frac{1}{2}m^2\phi^2 - \sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n!} g_n\phi^n\)
스칼라 이론은 자유 점 입자의 운동 에너지 항을 \(T=mv^2/2\)로 쓴 학부 교재 라그랑지안 \(L=T-V\)와 유사하다. 이는 스칼라 이론이 퍼텐셜 내에서 움직이는 입자의 장 이론적 일반화이기 때문이다. \(V(\phi)\)가 멕시칸 모자 퍼텐셜일 때, 결과적인 장들은 힉스 장이라고 불린다.
5. 3. 시그마 모형
시그마 모형은 원이나 구와 같이 리만 다양체 위에서 움직이도록 제한된 스칼라 점 입자의 운동을 설명한다. 이는 평탄한 다양체 위에서 움직이도록 제한된 스칼라 및 벡터장, 즉 장의 경우를 일반화한다. 라그랑지언은 일반적으로 세 가지 동등한 형태로 작성된다.
:
여기서 는 미분이다. 동등한 표현은 다음과 같다.
:
여기서 는 장의 다양체에 대한 리만 계량이다. 즉, 장 는 다양체의 좌표 차트에 대한 단순한 국소 좌표이다. 세 번째 일반적인 형태는 다음과 같다.
:
여기서
:
이며 , 즉 리 군 SU(N)이다. 이 군은 임의의 리 군으로, 또는 더 일반적으로는 대칭 공간으로 대체될 수 있다. 대각합은 단순히 숨겨진 킬링 형식이다. 킬링 형식은 장 다양체에 대한 2차 형식을 제공하며, 라그랑지언은 이 형식의 당김이다. 또는, 라그랑지언은 마우러-카르탕 형식을 기본 시공간으로 당긴 것으로도 볼 수 있다.
일반적으로 시그마 모형은 위상적 솔리톤 해를 나타낸다. 이들 중 가장 유명하고 잘 연구된 것은 스커미온으로, 이는 시간의 시험을 견뎌온 핵자의 모델 역할을 한다.
5. 4. 특수 상대성 이론에서의 전자기학
전자기장의 라그랑지언 밀도는 전하 밀도(), 전류 밀도(), 전자기장 텐서()의 함수로 표현된다. 이를 통해 가우스 법칙과 앙페르 법칙을 유도할 수 있다.[14][15]
연속적인 전하 밀도와 전류 밀도를 고려하면, 전자기장의 라그랑지언 밀도는 다음과 같다.
:
여기서 는 스칼라 퍼텐셜, 는 벡터 퍼텐셜, 는 진공의 유전율, 는 진공의 투자율, 는 전기장, 는 자기장이다.
이 식을 에 대해 변분하면 가우스 법칙을, 에 대해 변분하면 앙페르 법칙을 얻는다.
텐서 표기법을 사용하면 이 모든 것을 더 간결하게 표현할 수 있다. 전하 밀도와 전류 밀도를 묶어 전류 4차원 벡터 로, 스칼라 퍼텐셜과 벡터 퍼텐셜을 묶어 퍼텐셜 4차원 벡터 로 나타낼 수 있다.
전기장과 자기장은 전자기 텐서 로 표현할 수 있다. 이를 통해 라그랑지언 밀도를 다음과 같이 쓸 수 있다.
:
이 표기법에서 고전 전자기학은 로렌츠 불변 이론임이 명백하다. 등가 원리를 이용하면, 굽은 시공간으로 확장하는 것도 간단하다.[14][15]
5. 5. 일반 상대성 이론에서의 전자기학
일반 상대성 이론에서 전자기장의 라그랑지안 밀도는 아인슈타인-힐베르트 작용과 전자기장 텐서의 함수로 표현된다.[2] 이 라그랑지안을 오일러-라그랑주 방정식에 대입하고 계량 텐서 를 장으로 취하면, 아인슈타인 장 방정식을 얻는다.
:
여기서 는 에너지-운동량 텐서이며, 전자기장의 경우 다음과 같이 주어진다.
:
이 식을 아인슈타인 장 방정식에 대입하면, 전자기장이 있는 굽은 시공간을 기술할 수 있다. 또한, 맥스웰 방정식은 다음과 같이 표현된다.[10]
:
여기서 는 공변 미분이다. 자유 공간의 경우, 전류 텐서를 0으로 설정할 수 있다().
자유 공간에서 구면 대칭 질량 분포 주위의 아인슈타인 방정식과 맥스웰 방정식을 모두 풀면 라이스너-노르드스트룀 해를 얻는다. 이 해는 전하를 가진 블랙홀을 나타내며, 선 요소는 다음과 같다(자연 단위계, 전하 ).[10]
:
전자기장과 중력을 통합하는 이론 중 하나로 칼루자-클라인 이론이 있다. 이 이론은 5차원을 사용하여 두 힘을 통합한다.[2]
5. 6. 양자 전기역학 (QED)
QED의 라그랑지언 밀도는 디랙 장의 라그랑지언과 전기역학의 라그랑지언을 게이지 불변 방식으로 결합한다.[17]
:
여기서 는 전자기 텐서이며, ''D''는 게이지 공변 미분이고, 는 에 대한 파인만 슬래시 표기법이다.
:이며, 는 전자기 4-포텐셜이다.
5. 7. 양자 색역학 (QCD)
양자 색역학(QCD)의 라그랑지언 밀도는 하나 이상의 질량이 있는 디랙 스피너에 대한 라그랑지안과 게이지장의 역학을 설명하는 양-밀스 작용에 대한 라그랑지안을 결합하며, 결합된 라그랑지안은 게이지 불변이다.[9]
:
여기서 ''D''는 QCD 게이지 공변 미분이고, ''n'' = 1, 2, ...6은 쿼크 유형을 나타내며, 는 글루온장 강도 텐서이다. 위의 전자기학 경우와 마찬가지로, "양자"라는 단어는 단지 역사적 발전을 인정한 것이다. 라그랑지안과 그 게이지 불변성은 순전히 고전적인 방식으로 공식화되고 처리될 수 있다.[2][3]
양자색역학 (QCD)의 라그랑지언 밀도는 다음과 같다.
:
여기서, ''D''는 QCD 게이지 공변 미분이며, ''n'' = 1, 2, …, 6은 쿼크의 종류 수, 는 글루온장 세기 텐서이다.
5. 8. 기타 라그랑지언
천-시몬스 이론은 물리학에서, 대통일 이론에서 발견될 수 있는 광범위한 기하학적 현상의 장난감 모델로서 깊이 연구되었다.[7] 천-시몬스 범함수는 다음과 같이 표현된다.
:
긴츠버그-란다우 이론의 라그랑지안 밀도는 스칼라 장 이론의 라그랑지안과 양-밀스 작용의 라그랑지안을 결합한다. 다음과 같이 쓸 수 있다.
:
여기서 는 을 섬유로 갖는 벡터 다발의 단면이다. 는 초전도체의 질서 매개변수에 해당하며, 두 번째 항이 "솜브레로 모자" 포텐셜임을 고려할 때, 이는 힉스 장에 해당한다. 장 는 (비 아벨) 게이지 장, 즉 양-밀스 장이고 는 그 장력이다. 긴츠버그-란다우 범함수에 대한 오일러-라그랑주 방정식은 양-밀스 방정식
:
그리고
:
이며, 여기서 는 호지 스타 연산자, 즉 완전 반대칭 텐서이다. 이 방정식들은 양-밀스-힉스 방정식과 밀접하게 관련되어 있다. 또 다른 밀접하게 관련된 라그랑지안은 자이베르그-위튼 이론에서 발견된다.
"배경장"의 약자인 BF 모형 라그랑지언은 평탄한 시공간 다양체에 기술될 때, 자명한 역학을 가진 시스템을 설명한다. 위상학적으로 비자명한 시공간에서는 이 시스템은 비자명한 고전적 해를 가지며, 이는 솔리톤 또는 인스턴톤으로 해석될 수 있다. 다양한 확장들이 존재하며, 이는 위상적 양자장론의 기초를 형성한다.
참조
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http://smallsystems.[...]
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http://www-zeus.phys[...]
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