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물리학

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수치 미분 방정식 풀이법을 이용하여 최종값 조건이 주어진 문제 풀기 : 슈팅 방법 지난 두 번의 포스팅을 통해 수치해석적인 방법을 통하여 미분 방정식을 푸는 방법을 소개하였습니다. 오일러 방법과 룽게-쿠타 방법은 연속적인 값을 갖는 시간을 불연속화 하여 $t_n = t_0 + n \cdot h$와 같이 표현하고, 이 때의 함수값이나 미분값 $y(t_n), y'(t_n), y''(n), ...$을 이용하여 수열 $\{y_{n}\}$이 만족해야 하는 점화식을 구한다는 공통점이 있었습니다. 점화식을 컴퓨터를 이용하여 반복 계산하게 되는데, 초기 상태 $t_0$에서의 초기값 $y(t_0)= y_0, y'(t_0) = y'_0 , ... $ 이 주어진다면, 이로 부터 $y_1, y'_1, y''_1, ...$을 구할 수 있고, 이 방법을 계속해서 진행하면 일반적인 $y_n$에 대한 값을 얻을 ..
수치 미분 방정식 풀이법과 이를 이용한 고전 역학 문제 해결 : 오일러 방법(Euler method)을 이용하여 조화 진동자 문제 풀기 미분 방정식을 푸는 방법에 대한 포스팅이랑 수학의 내용을 다루지만, 이 방법을 이용하여 물리 문제를 푸는 것이 포스팅의 목적이기 때문에 이 글의 카테고리를 으로 택했습니다. 물리학의 수학적 언어는 미분 방정식이라고 해도 과언이 아닐 정도로 미분 방정식은 물리학의 곳곳에서 나타납니다. 고전 역학을 설명하는 뉴턴의 운동 방정식, 고전 전자기 이론을 설명하는 맥스웰의 방정식, 양자 역학을 설명하는 슈뢰딩거 방정식은 형태는 조금씩 다르지만 모두 시간과 공간에 대한 미분 방정식이라는 것에는 차이가 없습니다. 따라서 개별 현상을 이해하기 위해서는 뉴턴 방정식, 맥스웰 방정식, 슈뢰딩거 방정식에 대한 구체적인 수식을 세우고, 미분 방정식을 풀면 됩니다. 방정식을 푸는 것은 단순한 수학적인 과정이니, 원리적(!)으로 ..
대칭성을 이용한 2차원 단조화 진동자 문제 풀이 The career of a young theoretical physicist consists of treating the harmonic oscillator in ever-increasing levels of abstraction. -Sydney Coleman 양자역학에서 대칭성은 매우 핵심적인 개념입니다. 학부 수준에서 배우는 양자물리에서의 대칭성은 단지 문제를 좀 더 쉽게 풀 수 있는 방법을 제공하는 수준에서 그치는 경우가 많지만, 양자장론이나 그 보다 심도있는 수준의 양자물리학에서 대칭성은 어쩌면 양자역학 혹은 더 과장한다면 물리학 그 자체라고도 볼 수 있습니다. 물리학에서 매우 중요한 개념중에 하나인 "보존 법칙"은 대칭성을 조금 다른 방식으로 표현한 것이라고 볼 수 있습니다. 하지만 안타깝게도..
슈뢰딩거 방정식 유도 : 슈뢰딩거의 1926년 논문의 유도 과정을 이해하자 슈뢰딩거 방정식은 아원자 세계의 "뉴턴 방정식"이라고 할 수 있습니다. 고전 역학에서 뉴턴 방정식이 시간에 따른 입자의 위치와 운동량를 알려주는 방정식이라고 한다면, 슈뢰딩거 방정식은 시간에 따른 전자의 "상태"를 기술하는 방정식 입니다. 위 문장에서 (위치, 운동량)이 "상태"가 대응이 되는데, 고전 역학에서 입자의 "상태"는 (위치, 운동량)으로 완전히 기술됩니다. 양자역학은 학부 물리학 전공 3학년 과정에서 배우게 되는데, 사용하는 교과서에 따라서 약간씩은 설명이 다르긴 하겠지만, 슈뢰딩거 방정식은 일종의 "공리" 처럼 유도 없이 받아 들이게 됩니다. 제가 교과서로 공부한 그리피스의 양자역학 책은 그 정도가 조금 심하다고 볼 수 있는데, 양자역학 태동기에 대한 설명이나 광전 효과 등의 배경 지식이 ..
[고전역학-10] 해밀턴 역학 : 시간에 무관한 해밀턴-야코비 방정식, 기하학적인 의미, 입자의 운동을 파동 처럼 생각하기 이번 포스팅에서는 해밀턴-아코비 방정식을 이용하여 입자의 역학을 파동의 역학처럼 생각할 수 있음을 알아 보도록 하겠습니다. 입자와 파동은 완전히 다른 물리량인데 해밀턴-야코비 방정식을 통해서 어렴풋이나마 이 둘을 연결 시켜 보도록 하겠습니다. 시간에 무관한 해밀턴-야코비 방정식 지난 포스팅에서 소개한 해밀턴-야코비 방정식의 형태는 아래와 같습니다. $$H\Big(q, \frac{\partial F}{\partial q}, t \Big) + \frac{\partial F}{\partial t} = 0$$ 해밀토니안 $H$가 시간에 무관한 경우, 위 식이 좌변의 첫번째 항 $H\Big(q, \frac{\partial F}{\partial q} \Big)$은 공간좌표 $q$에 대한 함수이고, 두 번째항 $\f..
학부 물리학 테크트리(feat 내가 공부한 책) 심심해서 써 보는 학사 물리학 전공 교과목 테크트리 입니다. 각 대학교에서 강의 하는 과목에 따라서 혹은 개인의 성향이나 목표에 따라서 다를 수 있겠지만, 제가 생각하는 과정은 위와 같습니다. 대학원 이상 전공 과목에서는 크게 다를 수 있겠으니, 학부 수준에서는 위 과정을 크게 벗어나지 않을 것 입니다. 각 과목에 대한 간략한 설명은 아래와 같습니다. 아무래도 테크트리에 대해서 설명하는 포스팅이니, 다른 과목들과의 관계에 집중하여 설명하였습니다. 일반물리학 일반물리는 물리학 전공 학생 뿐 아니라 이공계 1학년이면 모두 수강하는 과목입니다. 고등학교에서 배우는 물리2(고등학교 졸업한지 매우 오래 돼서, 아직도 물리2라는 이름인지는 모르겠으나...)에서 배웠던 내용을 보다 체계적이고 심도있게 배운다고 보면 ..
물리 논문 읽기 (1) <The stability of matter>(물질의 안정성) by 엘리엇 리브(Elliot H. Lieb) Ep. 01 : 원자의 안정성 엘리엇 리브가 발표한 The stability of matter, RMP, Vol48, No4 (1976)(https://ergodic.ugr.es/statphys/bibliografia/lieb3.pdf)를 이해하여 "물질의 안정성"을 양자역학적으로 어떻게 증명할 수 있는지를 알아 보도록 하겠습니다. 하나의 포스팅에서 위 논문의 내용을 모두 설명하는 것은 매우 어렵기 때문에, 여러 포스팅에 나누어서 설명하도록 하겠습니다. 첫 포스팅에서는 "원자의 안정성"에 대해서 알아 보도록 하겠습니다. 학부 전공 양자역학 수준에 대한 지식이 있다면 이해 할 수 있는 수준입니다. 미국의 물리학자 엘리엇 리브 엘리엇 리브(Elliot H. Lieb : 한국어 독음이 별로 없어서 Lieb를 [리브]로 옮겨 적는것이 적절한..
[고전역학-8] 해밀턴 역학 : 해밀턴-야코비 방정식으로 고전 역학 문제 풀기 예제 해밀턴-야코비 방정식 복습 해밀턴-야코비 방정식을 고전 역학 문제를 푸는 또 다른 방법론에 의해 도입된 방정식 입니다. 이 방법에서는 일반화 좌표와 운동량을 직접적인 미분 방정식을 통해서 구하지 않고, 시스템에 적합한 정준 변환을 찾고, 이 정준 변환으로 부터 일반화 좌표와 운동량의 시간에 따른 함수를 구합니다. 해밀턴-야코비 방정식은 이 적합한 정분 변환을 구하는 방식입니다. 해밀턴-야코비 방정식은 정준 변환의 생성자 $F$ 가 만족해야 하는 편미분 방정식으로 $$H\Big(q, \frac{\partial F}{\partial q}, t \Big) + \frac{\partial F}{\partial t} = 0$$ 입니다. 이차원 단조화진동자 문제를 라그랑주 방정식과 해밀턴-야코비 방정식을 이용해 풀기..

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