기체분자운동 실험2

실험목적

3차원 용기 속에 들어 있는 탄성충돌을 하는 입자들의 운도으로부터 기체분자운동의 물리법칙을 이해한다.

이론

통계역학

기체를 구성하는 분자 수는 매우 많기 때문에 하나하나를 힘과 운동의 법칙을 다루는 것은 불가능하다. 세 물체가 서로 연관된 문제, 즉 3체 문제의 일반적인 해법은 없다는 것을 프랑스의 수학자이면서 물리학자인 푸앵카레(Poincare)가 증명하였지만 그래도 컴퓨터라면 아주 빠르게 풀어낼 수 있다. 그러나 기체를 구성하는 10²³개 정도가 개입된 문제는 미래에 나올 수 있는 어떤 고성능 컴퓨터라도 이 운동을 해석해내는 데는 우주의 나이보다 더 긴 시간이 필요할 것이다.

이렇게 여러 개체가 모여서 집단적인 성격이 나타나는 것을 다루는 방법을 수학에서 통계학이라 한다. 이 통계의 원리를 열역학의 계에 도입하여 여러 가지 거시적인 물리량의 행동을 알아낼 수 있게 되었다. 이때에는 오히려 계에 포함된 입자가 많으면 많을수록 더 명쾌한 결과를 나타내게 된다. 이러한 역학적인 계에 통계적인 기법을 가미하여 이 집단적인 성질이 입자 개별적인 성질과 어떻게 관련되어 있는지를 알아내는 물리학의 영역을 통계역학이라 한다.

19세기 후반부에 형성된 통계역학은 그 이전의 열역학의 모호함을 거의 완벽하게 해소할 수 있었다. 열역학은 나름대로 잘 짜여 있긴 하지만 거의 현상론, 즉 경험법칙이었기 때문에 한계를 가질 수밖에 없었던 것이다. 이 통계학의 발달은 뒤이은 양자역학의 원리가 자연스럽게 가미되어 양자통계로 발전하였고, 다체문제의 수송현상 등 20세기의 물리학에서의 혁명에서 큰 역할을 담당할 수 있었다.