물리 8

계량 텐서로부터 아인슈타인 텐서 유도 과정

일반 상대성 이론에서 계량 텐서($g_{\mu\nu}$)는 시공간의 기하학적 구조 그 자체를 나타내는 가장 핵심적인 요소입니다. 이로부터 아인슈타인 텐서($G_{\mu\nu}$)를 유도하는 과정은 시공간이 어떻게 휘어져 있는지를 수학적으로 계산해내는 과정입니다.1. 계량 텐서 (Metric Tensor, $g_{\mu\nu}$) 란?계량 텐서는 시공간의 모든 지점에서 '거리'가 어떻게 측정되는지를 정의하는 수학적 도구입니다. 4차원 시공간(시간 1차원 + 공간 3차원)에서 계량 텐서는 4x4 대칭 행렬로 표현됩니다.핵심 역할1. 시공간 간격 (Spacetime Interval) 정의:가장 기본적인 역할입니다. 두 무한히 가까운 시공간 상의 점 $(x^\mu)$과 $(x^\mu + dx^\mu)$ 사이의 ..

텐서와 아인슈타인의 장 방정식

일반 상대성 이론을 이해하는 데 있어 텐서와 아인슈타인의 장 방정식은 핵심적인 두 기둥입니다. 간단히 말해, 텐서는 이 이론을 기술하는 '언어'이고, 아인슈타인의 장 방정식(Einstein's Field Equations)은 그 언어로 쓰인 '핵심 문장(법칙)'입니다.1. 텐서: 휘어진 시공간의 언어 일반 상대성 이론의 핵심은 중력이 힘이 아니라 시공간(spacetime)의 휘어짐(curvature) 그 자체라는 것입니다. 문제는 이렇게 휘어져 있는 시공간에서는 우리가 흔히 쓰는 직교 좌표계(x, y, z)가 제대로 작동하지 않는다는 것입니다. 텐서가 필요한 이유:텐서는 좌표계가 변하더라도 그 물리적 본질이 변하지 않는 특별한 수학적 객체입니다.쉬운 비유: '속도'라는 벡터(vector, 1차 텐서)를 ..

행렬과 텐서: 개념, 차이점, 그리고 활용

1. 행렬 (Matrix) 이란 무엇인가?행렬은 숫자를 사각형 격자 안에 배열한 2차원 배열입니다. 행렬은 $m$개의 행과 $n$개의 열로 구성되며, 이를 $m \times n$ 행렬이라고 부릅니다.예시:$$ \\ A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{pmatrix} $$(위 행렬은 $2 \times 3$ 행렬입니다.)주요 용도:선형 연립방정식의 표현 및 풀이선형 변환(Linear Transformation)의 표현: 한 벡터를 다른 벡터로 변환(회전, 확대/축소, 전단 등)하는 연산을 나타냅니다.데이터 테이블 (예: 엑셀 시트, 데이터베이스 테이블)2. 텐서 (Tensor) 란 무엇인가?텐서는 행렬의 개념을 더 높은 차원으로 일반화한 것입니다. 텐서를 이..

파동함수의 역사: 아이디어에서 양자역학의 중심으로

파동함수는 어느 날 갑자기 등장한 개념이 아니라, 20세기 초반 물리학의 혁명적인 흐름 속에서 탄생했습니다. 그 도입 과정은 크게 세 단계로 나누어 볼 수 있습니다.1단계: 드브로이의 담대한 제안 - "모든 물질은 파동이다" (1924년)파동함수의 역사는 프랑스 물리학자 루이 드브로이(Louis de Broglie)의 혁명적인 아이디어에서 시작됩니다. 당시 빛이 입자성과 파동성을 모두 가진다는 '광전 효과'와 '회절 현상'이 알려져 있었습니다. 드브로이는 여기서 더 나아가 자연의 대칭성을 믿고, 빛뿐만 아니라 전자와 같은 모든 물질 또한 입자인 동시에 파동의 성질을 가질 것이라고 주장했습니다. 이를 물질파(matter wave) 가설이라고 부릅니다. 그는 움직이는 모든 입자가 그 운동량($p$)에 반비례..

물리/양자역학 2025.10.08

04. 해밀턴 역학 개요

뉴턴의 운동 법칙 F=ma는 '어떤 힘이 가해졌을 때, 물체는 다음 순간 어떻게 움직이는가?'라는 질문에 답하며 운동을 순간적으로 설명합니다. 하지만 '물체는 왜 시작점에서 도착점까지 바로 그 경로를 따라가야만 했는가?'라는 더 근본적인 질문에 답하는 우아한 관점이 있습니다. 바로 '최소 작용의 원리'와 이를 바탕으로 전개되는 '해밀턴 역학'입니다. 이들은 "자연은 가장 효율적인 경로를 선택한다"는 하나의 대원칙으로부터 운동 법칙을 유도해냅니다.1. 최소 작용의 원리 (Principle of Least Action)자연 현상의 근본에는 '경제성'이 있다는 철학적인 아이디어에서 출발합니다. 물체가 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때, 가능한 무수히 많은 경로 중에서 실제 자연이 선택하는 경로는 '작용(A..

물리/고전역학 2025.10.08

03. 물체의 낙하 운동: 라그랑주 역학적 접근

뉴턴 역학에서는 힘($F=ma$)을 이용하여 물체의 운동을 기술하지만, 라그랑주 역학에서는 에너지(운동 에너지와 위 에너지)를 이용하여 운동 방정식을 유도합니다. 이 방법은 특히 복잡한 시스템을 분석할 때 매우 강력합니다. 여기서는 가장 간단한 예시 중 하나인, 중력의 영향 아래에서 자유 낙하하는 물체의 운동을 라그랑주 역학으로 풀어보겠습니다.1단계: 일반화 좌표 (Generalized Coordinates) 설정가장 먼저 시스템의 움직임을 완전히 기술할 수 있는 최소한의 독립적인 좌표를 설정해야 합니다.물체는 수직 방향으로만 움직이므로, 지면으로부터의 높이를 나타내는 좌표 $y$ 하나면 충분합니다.일반화 좌표: $q=y$ 일반화 속도: $\dot{q}​=\dot{y}​=\frac{dy}{dt}​=v\..

물리/고전역학 2025.09.26

02. 최소 작용의 원리: 자연의 가장 깊은 효율성

물리학에서 최소 작용의 원리(Principle of Least Action)는 자연 현상이 마치 '최소한의 노력'으로 가장 효율적인 경로를 선택한다는 아이디어에서 출발한 심오하고 근본적인 원리입니다. 물체가 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때, 가능한 무수히 많은 경로 중에서 실제 운동 경로는 '작용(Action)'이라는 물리량을 최소화(정확히는 극소화)하는 단 하나의 경로를 따른다는 것입니다.핵심 개념: '작용(Action)'이란 무엇인가?최소 작용의 원리를 이해하기 위한 핵심은 작용(Action)이라는 개념입니다. 작용은 단순히 거리나 시간이 아닌, 운동 과정 전체의 '총 노력'을 나타내는 물리량입니다. 이는 경로의 각 순간에서 운동 에너지(T)에서 위치 에너지(V)를 뺀 값, 즉 라그랑지안(Lag..

물리/고전역학 2025.09.26

01. 라그랑주 역학 개요

라그랑주 역학은 뉴턴 역학을 새롭게 재구성한 고전 역학의 한 분야입니다. 힘과 가속도를 직접 다루는 대신, 에너지를 기반으로 계의 운동을 분석하는 것이 가장 큰 특징입니다. 이 접근 방식은 특히 여러 물체가 복잡하게 얽혀 있거나, 특정 조건(구속 조건) 하에서 움직이는 계를 훨씬 더 간결하고 우아하게 풀어낼 수 있게 해줍니다.핵심 개념: 라그랑지안 (Lagrangian)라그랑주 역학의 심장은 라그랑지안(Lagrangian)이라고 불리는 물리량 L입니다. 라그랑지안은 계의 운동 에너지(T)에서 위치 에너지(V)를 뺀 값으로 정의됩니다.$$L = T - V$$운동 에너지 (T): 물체가 움직이기 때문에 갖는 에너지입니다. 질량이 $m$이고 속도가 $v$인 물체의 운동 에너지는 $T = \frac{1}{2}m..

물리/고전역학 2025.09.26