임계점과 질서변수

대부분의 경우 질량, 총 에너지, 자기 모멘트 등을 부피로 나누어 밀도로 나타낸 것을 역학적 변수라고 한다. 여기에 압력, 온도, 자기장과 같은 것들은 어떤 물리계가 놓인 외부적 상황을 나타낸다. 이런 것들을 외부 장이라 한다. 대부분의 경우, 외부장이 하나의 값으로 결정된다면 역학적 변수들은 그 값이 유일하게 결정될 수 있다. 하지만 몇 가지 특별한 역학적 변수들은 외부 장이 결정 되더라도 그 값을 결정 할 수 없다. 다음은 그러한 경우의 예이다.

물($H_2O$)이 온도 $T = 273~\text{K}$, 기압 $p = 1~\text{atm}$인 경우에는 물의 밀도 $\rho$를 결정할 수 없다. 이 경우, 물은 액체 상태로 있을 수 있거나(water) 기체 상태로 있을 수도 있다(vapor). 즉 두 상태 중 한 상태를 선택할 수 있는 상황에 놓인다.

이러한 현상은 그림에서 보는 것과 같이 점 $(T_c,p_c)$까지 계속해서 일어나며 이 점을 '임계점'이라고 부른다. 외부 환경이 임계점에 도달했을 때는 이러한 선택할 수 있는 상황이 사라진다.

다른 예로는 철과 니켈과 같은 강자성체의 임계 현상이 있다. 자기화 벡터 $\boldsymbol{m}$은 외부 자기장 $\boldsymbol{h}$가 $0$일 경우 하나의 값으로 결정될 수 없고 모든 방향에 대해 가리킬 수 있다. 이러한 현상은 $T>T_c$인 경우 멈추게 되는데 이 때의 $T_c$를 퀴리 온도라고 한다.

점 $(T=T_c, h=0)$을 강자성 임계점이라고 부르고 $T>T_c$일 때 강자성체는 상자성체가 되어 $m=0$이 된다$(h=0)$.

위와 같이 임계점 근처에서 일어나는 현상을 '임계 현상'이라 부른다. 그리고 예에서 나온 물의 밀도 $\rho$, 강자성체의 자화 $\boldsymbol{m}$과 같이 결정될 수 없는 변수들을 '질서변수'라고 한다.