점입자 - Point particle

점입자 - Point particle

점 입자(이상적인 입자 또는 점 같은 입자, 종종 철자된 점 같은 입자)는 물리학에 많이 사용되는 입자의 이상화다. 그것의 결정적인 특징은 공간 확장이 부족하다는 것이다. 0차원적이기 때문에 공간을 차지하지 않는다. 점 입자는 어떤 물체의 크기, 모양, 구조가 주어진 맥락에서 무관할 때마다 그 물체를 적절하게 표현하는 것이다. 예를 들어, 충분히 멀리 떨어진 곳에서, 어떤 유한한 크기의 물체는 점처럼 보이는 물체로 보이고 행동할 것이다. 점 입자는 물리학의 관점에서 움직이는 신체의 경우에도 언급될 수 있다.

중력 이론에서 물리학자들은 종종 점 질량을 논하는데, 이는 질량이 0이 아니고 다른 성질이나 구조가 없는 점 입자를 의미한다. 마찬가지로 전자기학에서도 물리학자들은 0이 아닌 전하를 가진 점 입자, 즉 점 전하를 논한다. 때때로 특성의 특정한 조합으로 인해 확장된 물체는 가까운 곳에서도 점처럼 작용한다. 예를 들어 역제곱 법칙에 의해 상호작용이 설명되는 3차원 공간에서 상호작용하는 구형 물체는 마치 자신의 모든 물질이 질량 중심에 집중된 것처럼 행동한다. 예를 들어 뉴턴 인력과 고전적인 전자석학에서 구면 물체 외부의 각각의 장은 구의 중심에 위치한 동일한 전하/질량의 점 입자의 입자와 동일하다.

양자역학에서 점 입자의 개념은 하이젠베르크의 불확실성 원리에 의해 복잡하게 되는데, 내부 구조가 없는 기초 입자도 0이 아닌 볼륨을 차지하기 때문이다. 예를 들어 수소 원자 내 전자의 원자 궤도는 ~10^-30m³의 부피를 차지한다. 그럼에도 불구하고 내부 구조를 알 수 없는 전자나 쿼크와 같은 기본 입자와 내부 구조를 가진 양성자와 같은 복합 입자의 구별이 있다. 양성자는 세 개의 쿼크로 이루어져 있다. 기초 입자를 '점입자'라고 부르기도 하지만 이는 위에서 논의한 것과는 다른 의미로 해석된다.

단일 지점에 집중된 특성

점 입자가 질량이나 전하와 같은 첨가물 특성을 가진 경우, 이는 Dirac 델타 함수로 나타낼 수 있다.

물리적 점질

점 질량은 예를 들어 고전 물리학에서 질량이 0이 아닌 물리적 물체(일반적으로 물질)의 개념으로, 그럼에도 불구하고 명시적이고 구체적으로 그 부피나 선형 차원에 무한히 미미한(또는 무한히 작은) 것으로 생각되거나 모델링되고 있다.

적용

점 질량의 일반적인 용도는 중력장의 분석에 있다. 어떤 시스템에서 중력을 분석할 때, 질량의 모든 단위를 개별적으로 설명하는 것은 불가능해진다. 그러나, 세뇌적으로 대칭되는 신체는 그것의 질량이 모두 중심에 집중된 것처럼 중력적으로 외부 물체에 영향을 미친다.

확률점 질량

확률과 통계에서 점 질량은 물리적인 의미에서 질량을 가리키는 것이 아니라, 확률밀도함수에 불연속적인 구간이 있는 확률질량 분포의 한 지점에 집중된 유한한 0이 아닌 확률을 가리킨다. 이러한 점 질량을 계산하기 위해 연속 부품의 확률 밀도에 대해 랜덤 변수의 전체 범위에 걸쳐 통합을 수행한다. 이 적분을 1과 동일화한 후, 추가 계산을 통해 점 질량을 찾을 수 있다.

점 충전

점 전하는 전하를 가진 입자의 이상화된 모델이다. 점 전하란 치수가 없는 수학적 지점에서 전하를 말한다. 전기학의 기본 방정식은 두 점 전하 사이의 전기력을 설명하는 쿨롱의 법칙이다. 고전적인 점 전하와 관련된 전기장은 점 전하로부터의 거리가 점 전하의 0 생성 에너지(thus mass)로 감소함에 따라 무한대로 증가한다. 어니쇼의 정리에는 점 전하의 집합이 전하의 정전기적 상호작용만으로 평형 구성으로 유지될 수 없다고 명시되어 있다.

양자 역학적 관점

양자역학에서는 기초 입자(점 입자)와 복합 입자를 구별한다. 전자, 쿼크 또는 광자와 같은 기본적인 입자는 내부 구조가 없는 입자다. 반면에 양성자나 중성자와 같은 복합 입자는 내부 구조를 가지고 있다. 그러나 하이젠베르크의 불확실성 원리 때문에 초입자나 복합입자는 공간적으로 한정되지 않는다. 입자파괴는 항상 0이 아닌 볼륨을 차지한다. 전자는 기초 입자지만 양자 상태는 3차원 패턴을 형성한다.

그럼에도 불구하고, 기본적인 입자를 종종 점 입자라고 부르는 데는 그럴 만한 이유가 있다. 설사 기초 입자가 소량화된 파충류를 가지고 있다 하더라도, 파충류는 입자가 정확히 어느 한부분에만 한정된 양자 상태의 양자 중첩으로 표현될 수 있다. 더욱이, 입자의 상호작용은 한정적인 개별 상태의 상호작용의 중첩으로 표현될 수 있다. 정확히 어느 한 부분에 제한된 양자 상태의 중첩으로 결코 표현할 수 없는 복합 입자에 대해서는 그렇지 않다. 물리학자들이 입자의 본질적인 "크기"를 논할 수 있는 것은 이런 의미에서이다. 내부 구조의 크기이지 웨이브 팩트의 크기가 아니다. 이런 의미에서 기초 입자의 "크기"는 정확히 0이다. 예를 들어 전자에 대해 실험적인 증거는 전자 크기가 10^-18m 미만이라는 것을 보여준다. 이것이 바로 0의 기대 가치와 일치한다.