통계역학 이론 기초

열역학은 유상의 이론입니다. 열 현상의 본질을 깊이 연구하면 통계 역학이 생깁니다. 통계역학은 물질의 미시적 구성과 상호작용에 근거하여, 다량의 입자로 구성된 거시물체의 성격과 행위의 통계 법칙을 연구하는 것으로, 이론물리학의 중요한 갈래입니다. 열역학은 열의 발생과 전도를 연구하고, 물질이 열상태에 있는 성질과 이러한 성질이 열의 상태에 따라 어떻게 변화하는지를 연구합니다. 사람들은 일찍부터 냉열이라는 개념을 가지고 있었습니다. 불을 이용하는 것은 인류 문명 발전사의 중요한 이정표입니다. 열현상에 대한 연구는 열에 대한 모호한 개념(예를 들어 온도와 열량을 구분해 보면 서로 밀접하게 연관되어 있고 또 구별되는 두 개념)을 밝혀냈습니다.

매크로 물체 내부에 대량의 입자가 포함되어 있습니다. 그 중의 모든 분자가 매시간의 상태에서는 실제로 처리할 수 없다는 것을 연구해야 합니다. 열현상의 법칙을 인식하기 위해서도 그렇게 자세한 지식은 필요 없습니다. 통계 역학은 통계가 종합된 방법을 응용하여 대량의 입자의 평균 행위를 연구합니다. 20세기 초, J.W. 기브스는 균형상태의 통계역학의 기초를 다졌습니다. 통계 분포에 관한 기본 가설은 정해진 에너지를 주는 주어진 물리적 시스템에 대해 여러 가지 가능한 상태들이 나타날 확률은 동등하다는 것입니다. 열역학에서의 각종 물리량과 그것들의 관계는 모두 이런 통계 분포의 평균치로 표현할 수 있습니다. 온도는 한편으로는 물체 내부의 각 분자가 무질서하게 움직이는 부분의 에너지와 관계가 있지만, 다른 한편으로는 이러한 내부 에너지가 물체 내부에서 운동하는 상태 사이의 분포를 결정하게 됩니다.

 

비균형 통계 역학은 문제가 복잡해 20세기 중반 이후 큰 진전을 이뤘습니다. 많은 입자를 포함하고 있는 거시적 물리적 시스템의 경우 무질서한 상태의 수가 질서 있는 상태의 숫자보다 훨씬 크며 실제로는 비교할 수 없을 정도로 많습니다. 시스템이 무질서 상태에 있을 확률이 질서 있는 상태에 있을 확률을 초과합니다. 고립 물리적 시스템은 항상 비교적 질서 있는 상태의 경향에서 비교적 무질서한 상태를 지향합니다. 열역학에서는 엔트로피의 증가에 상응합니다.

평형 상태 근처에 있는 비평형 시스템의 주요 경향은 평형 상태로의 이행입니다. 평형태 부근의 주요 비균형 과정은이완 , 운송, 등락입니다. 이 방면의 이론은 점차 발전되어 이미 성숙해졌습니다. 최근 20~30년 동안 균형 상태와는 거리가 먼 물리적 시스템의 산실구조 등에 대한 광범위한 연구가 진행돼 왔으나 아직 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 일정 기간 객관 세계에 대한 인식은 한계가 있을 수밖에 없고 상대적 진리만 인식할 뿐이며, 경전역학과 경전역학에 기초한 경전통계역학도 그렇습니다. 경전역학은 원자분자거시물체의 미시적 구조에 적용될 때 그 한계가 나타나 양자역학을 발전시켰습니다. 이와 더불어 경전통계역학은 양자역학에 기초한 양자통계역학으로 발전하였습니다.