미시상태

미시상태(영어: microstate)는 통계역학에서 열역학계를 구성하는 모든 개별 입자 또는 구성 요소의 정확한 위치와 운동량을 설명하는 열역학계의 특정한 상태를 가리킨다. 각 미시상태는 열역학계의 열 변동 과정에서 특정 확률로 발생할 수 있다.

통계역학에서 계의 상태는 크게 미시상태와 거시상태(macrostate)로 구분된다. 거시상태는 온도, 압력, 부피, 밀도 등 열역학계의 거시적 성질로 규정되는 상태이며, 미시상태는 그러한 거시상태를 실현할 수 있는 구체적인 개별 상태들을 의미한다. 즉, 하나의 거시상태는 여러 개의 미시상태로 구성될 수 있으며, 이때 각 미시상태는 계를 구성하는 모든 입자의 위치와 운동량(또는 양자역학적 상태)이 서로 다른 경우를 각각 하나의 상태로 본다.

고립된 열역학계에서 특정한 에너지 값, 입자의 수, 부피는 그 계의 특정한 거시상태를 결정한다. 이때 계의 미시상태는 그 계가 특정한 거시상태에 있을 수 있는 다양한 방법들에 해당한다. 통계역학의 기본 가정(equal a priori probabilities)에 따르면, 주어진 거시상태에서 가능한 모든 미시상태는 동일한 확률로 존재할 수 있다.

거시상태는 모든 미시상태들의 특정한 앙상블 위에 정의된 확률분포로 나타낼 수 있으며, 이 확률분포는 계가 특정한 미시상태에 있을 확률을 기술한다. 열역학적 극한에서 거시적 계가 열 변동 과정에서 갖게 되는 미시상태들은 모두 동일한 거시적 성질을 가진다.

양자역학계에서 미시상태는 계 전체의 파동함수(quantum state)로 표현된다. 양자역학에서는 상태의 수를 셀 수 있다는 점에서 고전역학과 차이가 있으며, 이는 통계역학에서 미시상태의 수를 계산하는 데 중요한 역할을 한다.

미시상태의 수(Ω 또는 W로 표기)는 엔트로피(S)와 볼츠만의 관계식 S = k ln W (여기서 k는 볼츠만 상수)로 연결된다. 이 관계는 엔트로피가 클수록 해당 거시상태에 대응하는 미시상태의 수가 많다는 것을 의미하며, 열역학 제2법칙(고립계에서 엔트로피는 증가하는 방향으로 변화한다)이 통계역학적으로는 확률이 높은 상태(미시상태의 수가 많은 거시상태)로 계가 변화하는 현상임을 설명한다.

미시상태의 개념은 통계역학, 열역학, 양자역학 등 물리학의 여러 분야에서 계의 거시적 성질을 미시적 구성 요소의 통계적 행동으로부터 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다.