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물리학

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[고전역학-7] 해밀턴 역학 : 해밀턴-야코비 방정식 정준 변환의 생성자 복습 지지난 포스팅에서는 정준 변환을, 지난 포스팅에서는 정준 변환을 비교적 쉽게 얻을 수 있는 방법중에 하나인 정준 변환의 생성자에 대해서 알아보았습니다. 정준 변환의 생성자는 말 그대로 정준 변환을 생성해 주는 함수로, 이 함수만 정의하면 위상 공간에서의 좌표 변환 $(q, p) \rightarrow (Q, P)$ 가 정준 변환이 되도록 만들어 주는 방법이 있었습니다. 그 중에서 가장 유용한 생성자는 $q, P$를 변수로 하는 함수 $F(q, P)$로, $F(q, P)$에 대해서, $$p = \frac{\partial F}{\partial Q}$$ $$Q = \frac{\partial F}{\partial P}$$ 와 같이 정준 변환을 정의하면, 이 변환은 정준 변환이 됩니다. $..
[고전역학-6] 해밀턴 역학 : 정준 변환의 생성자 (Generator) 정준 변환 복습 지난 포스팅에서는 정준 변환에 대해서 알아보았습니다. 정준 변환은 위상 공간의 좌표 변환인데, 변환된 공간의 좌표에서 해밀턴 운동 방정식의 형태를 보존하는 좌표 변환입니다. 정준 변환의 예로 (1)위치와 운동량 좌표를 바꾸는 변환과 (2)단조화진동자의 해밀토니안을 매우 간단히 변화 시키는 변환을 알아보았습니다. 아주 간단하면서도 중요한 정준 변환을 알아 보았으니, 이번 포스팅에서는 일반적으로 정준 변환을 만드는 방법을 알아 보도록 하겠습니다. 정준 변환의 조건을 변환의 야코비 행렬로 표현하면? 별다른 조건이 없는 임의의 변환 $(q, p) \rightarrow (Q, P)$가 정준 변환이 될 가능성은 거의 없습니다. (이 포스팅에서도 편의를 위해서 자유도가 1인 시스템의 위상 공간을 생각..
[고전역학-5] 해밀턴 역학 : 정준 변환 Canonical transformation 해밀턴 역학에 대해서 소개한 지난 포스팅의 결론은 "해밀턴의 방식으로 문제를 풀어야 하는 이유를 아직은 모르겠다" 였습니다. 라그랑주 방정식을 통해서 풀면 간단하게 풀리는 문제를 굳이 왜 더 복잡한 (손이 많이 가는) 방법을 통해서 풀어야 하는지에 대한 이유를 지난 포스팅에서는 할 수 없었습니다. 지난 포스팅에서 이어 다시 한 번 설명하지만, 해밀턴 방정식은 개별 문제를 푸는데는 사실 큰 도움이 되지 않습니다. 해밀턴 역학은 고전 역학의 "수학적 체계"를 이해하고 이를 통해서, 뉴턴 역학이나 라그랑주 역학에서는 다룰 수 없었던 정리를 발굴하는데 적합한 역학의 방법론 이라고 할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 해밀턴 역학을 공부하는데 가장 기초적이면서 핵심적인 개념인 정준 변환 Canonical trans..
[고전역학-4] 해밀턴 역학 : 위상 공간과 정준 방정식 고전 역학 (Classical Mechanics) 고전 역학은 물체에 작용하는 힘과 이에 대한 물체의 반응이라 할 수 있는 물체의 운동(움직임)과의 관계를 설명하는 물리학의 한 분야 입니다. 고전 역학은 물리학 뿐 아니라 모든 과학의 분과 중에서 가장 먼저 탄생한 분야이며, 수학을 이용하여 자연 현상을 기술할 뿐 아니라, 현상의 기저에 있는 원리를 밝혀내는 학문입니다. 일반인들에게 있어 가장 친숙한 물리학의 분야임과 동시에, 중고등학교 교과과정에서도 처음 접할 수 있는 분야입니다. 뉴턴 역학 (Newton(ian) Mechanics) 고전 역학은 뉴턴 역학이라는 이름으로 불리기도 하는데, 물체의 운동 법칙을 발견한 물리학자이자 수학자인 아이작 뉴턴의 이름을 딴 것 입니다. 중고등학교 시절 물리를 포기하신..
[고전역학-3]푸앵카레 재귀정리 : 과거와 현재와 미래는 반복 된다! (feat 리우빌 정리) 푸앵카레 재귀정리 (Poincare recurrence theorem, 회귀리로 번역되기도 합니다)는 실로 어마어마한 정리입니다. 수학적인 "증명" 이니 참인 명제인데, 이 명제를 가슴으로 받아들이기는 매우 어렵습니다. 이 정리가 담고 있는 의미가 실로 우리의 (적어도 나의) 직관과는 어긋나기 때문입니다. 뒤에서 정확한 수학적인 명제의 기술과, 수학적인 증명을 하겠지만, 푸앵카레 재귀정리를 일상의 용어로 옮기면 아래와 같습니다. 세계는 반복된다. 즉 매우 긴 시간 (그러나 무한하지는 않은) 이 지나면 현재의 이 순간으로 돌아온다. 입니다. 시간이 미래에서 과거로 타임머신을 탄 것 처럼 돌아 오는 것이 아니라, 닫힌 곡선을 따라서 주기적인 운동을 하는 것과 같이, 매우 긴 시간이 지나면 처음 시작 했던 그..
[고전역학-2]사이클로이드가 등시 곡선 임을 증명하는 가장 우아한(?) 방법 사이클로이드(Cycloid)는 직선 위로 원을 굴렸을 때, 원의 원주 위에 있는 한 점이 그리는 자취 입니다. 사이클로이드는 굉장히 재미난 특징을 가지는 곡선인데, 그 중에서도 유명한 것은 (1) 사이클로이드는 최단 하강 곡선이다 (2) 사이클로이드는 등시 곡선이다 입니다. 최단 하강 곡선이라는 성질은 매우 유명한데, 아마도 "등시 곡선"을 검색해서 이 글을 접하시는 분이라면, 사이클로이드가 최단 하강 곡선임을 증명하는 것은 한 번쯤 보셨을 것 입니다. 그래서 (1)의 증명은 생략 합니다. (1)에 대한 증명은 사이클로이드를 다루는 위키피디아 페이지 등 인터넷에서 쉽게 접할 수 있습니다. 그래서 이 포스팅에서는 (2)에 집중할 것 입니다. 물론 위키피디아 등의 웹 사이트에서 (2)를 증명한 것이 있지만,..

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