매질(媒質)의 교란이 전파되면서 에너지를 이동시키는 현상. 파라고도 한다.

용수철의 흔들림. 물의 운동. 공기의 진동 등과 같이 교란이 한 곳에서 다른 곳으로 퍼져 나가는 것을 파동이라고 한다.

물결파가 퍼져나갈 때 수면의 높이가 가장 높아진 마루와 가장 낮아진 골이 생긴다.

마루에서 마루 또는 골에서 골까지의 거리를 파장(波長)이라 하고, 잔잔했을 때의 수면을 기준으로 마루까지의 높이나 골까지의 깊이를 진폭(振幅)이라 한다.

매질의 한 곳에서 잠시 동안만 지나가는 파동을 펄스라 하고 오랫동안 계속 지나가는 파동을 주기적인 파동 또는 단순히 파동이라고 한다.

모든 파동은 직선이나 평면 또는 공간으로 전파해 갈 때 매질의 진동방향과 파동의 전파방향이 이루는 각이 직각이면 횡파(橫波), 나란하고 소밀하면 종파(縱派)라고 한다.

그 밖에 유체(流體) 속을 진행하는 음파(音波), 탄성체의 진동파(종파 및 횡파)인 탄성파, 진공 속이나 유전체(절연체) 속을 전파하는 전자기파(電磁氣波 : 광파도 포함) 등이 있다.

다소 성질이 다르지만 전자파(電子波)와 같은 물질파도 있다.

〔파동방정식과 파동함수〕고르게 느슨한 현을 팽팽하게 수평으로 당기고. 그 한 끝을 갑자기 옆으로 흔들면 진동이 횡파로 현을 전파해 간다.

현이 있는 장소(위치좌표 x)의 미소 부분에 작용하는 힘은 좌우에 인접하는 현이 미치는 두 장력(張力)의 합력(合力)이다.

2개의 장력은 같은 크기, 근소하게 다른 방향, 역방향을 가지므로 두 장력의 합력은 이 미소부분을 현이 팽팽하게 당겨져 정지하고 있을 때의 위치(평형위치)로 되돌리는 복원력(復元力)이 된다.

현의 미소부분의 운동방정식「질량에 가속도를 곱한 값은 힘과 같다」는 데서부터 (1차원 공간의) 파동방정식이라 하는 2계 편미분방정식이 도출된다.

즉,「파의 전파속도 c의 역수의 제곱과 현의 변위 U의 시각 t에 관한 2계 편미분 계수와의 곱은 현의 변위 U의 위치 x에 의한 2계 편미분 계수와 같다.」이 파동방정식의 해 U는 t와 x의 함수이며 파동함수라 한다.

파동함수 U의 일반적인 꼴은 (t-x/c)인 임의의 함수와 (t+x/c)인 임의의 함수의 합이다.

전자는 +x의 방향으로, 후자는 -x의 방향으로 속도 C로 진행하는 파동을 나타낸다.

현의 횡파의 전파속도C는 현의 장력과 선밀도(線密度 ; 현의 단위길이당의 질량)와의 비(比)의 제곱근과 같다.

〔사인파〕사인파는 가장 기본적인 파동이다.

파동함수u, 즉

와 진폭 U와 위상(位相)의 사인함수의 곱으로 나타낼 때, 이 파동은 +x 방향으로 속도 C로 진행하는 사인파이다.

(2 π/T)의 2π rad(라디안)은 360, T는 주기이며, (2π/T)는 각진동수(角振動數)이다.

각진동수는 진동수 (1/T)의 2π배이다.

시각 t가 T의 정수배만큼 옮겨지거나 위치 x가 파장 =cT의 정수배만큼 달라져도, 파동함수는 같은 값을 가진다.

속도 C로 진행하는 일반적인 진행파는 같은 속도를 가지며, 진동수가 어떤 범위에 걸쳐 분포하는 무수한 사인파의 중첩(푸리에 적분)으로서 나타낼 수 있다.

또 파장 , 주기 T의 주기적 함수인 진행파는 기본진동수(1/T) 및 그 정수배의 진동수(배진동수)인 사인파의 중첩(푸리에 급수)으로 표현된다.

사인파는 단색파(單色波)라고도 한다.

〔두 매질의 경계에서의 파동의 반사와 투과〕현의 횡파에서 장력의 가로방향 성분과 현의 속도의 비는 장력과 선밀도를 곱한 값의 제곱근과 같다.

이 비를 현의 특성 임피던스라 한다.

선밀도가 다른 두 종류의 현을 1점에서 이었을 때 제1의 현에 횡파가 전파해 가면, 두 현의경계에서는 파동의 반사가 일어나고, 제2의 현에는 투과파(透過波)가 전파된다.

즉, 강도(强度) 반사율, 강도 투과율은

로 주어진다.

Z, Z는 두 현의 임피던스이다.

① 정상파(定常波) : 한 끝이 고정되어 있는 현에 사인파가 전파하여 고정된 끝에 도달되면, 진폭 반사율 -1로 반사한다.

즉, 반사파와 입사파의 진폭은 같고, 위상은 π(180°)만큼 변화한다.

이 경우에는 2개의 파동이 겹쳐 정상파가 생긴다.

정상파에서는 현의 각 점이 입사사인파의 진동수로 진동한다.

고정된 끝부터의 거리가 반 파장의 정수배가 되는 위치에 마디, 즉 진동의 진폭이 항상 0이 되는 부분이 생긴다.

서로 이웃한 마디와 마디의 중간에 배, 즉 진폭이 최대가 되는 부분이 생긴다.

정상파의 마디와 배에서는 에너지 흐름이 항상 0이며, 가장 근접한 마디와 배 사이에 있는 현에서 파동의 에너지 흐름이 왕복하고 있다.

② 합성파(合成波) : 2종류의 현이 이어져 있을 때, 제2의 현의 선밀도가 매우 큰 경우에는 현의 접속점을 고정단(固定端)으로 하는 정상파가 생긴다.

제2의 현의 선밀도가 대단히 작은 경우에도, 제2의 현에 투과하는 파동의 강도는 0에 가깝고, 현의 접속점은 배로 되는 정상파가 생긴다.

이것은 접속점을 자유단(自由端)으로 한 경우의 정상파와 가깝다.

한편, 입사 사인파와 반사 사인파의 진폭의 크기가 다를 경우에는 정상파 마디에서의 진동의 진폭은 최소가 되기는 하지만, 0이 되지는 않는다.

③ 평면파(平面波) · 구면파(球面波) : 3차원 공간을 전파하는 파동에서는 파동의 위상이 일정한 값을 취하는 평면이 전파되어 간다.

이 곡면을 파면(波面)이라고 하며, 파면이 평면이면 파동은 평면파이다.

파면이 1점을 중심으로 하는 구면일 때의 파동은 구면파이다.

구면파의 진폭은 구면의 반지름에 반비례하여 감소하고, 강도는 반지름의 제곱에 반비례하여 감소한다.

따라서 구면을 통해 흐르는 에너지 흐름의 총량의 시간 평균은 구면의 반지름에 의존하지 않는다.

〔파동의 간섭〕하나의 파원(波源)으로부터 나온 파동이 다른 경로로 동일한 장소에 도달하면, 2개의 파동은 서로 보강하거나 상쇄하여 파동의 세기에 따른 무늬가 공간적으로 생긴다.

이 현상이 파동의 간섭이며, 이 무늬가 간섭무늬이다.

일반적으로 두 파동의 파동함수의 합과 같은 파동함수로 표현되는 파동이 존재한다.

따라서 2개의 파동이 그대로 겹친 경우로 생각해도 된다.

이것이 파동의 중첩원리이며, 파동광학(波動光學)의 기초가 된다.

마이켈슨과 몰리는 마이켈슨 간섭계로 빛의 매질이라고 여겼던 정지(靜止) 에테르에 대한 지구의 공전운동에서 간섭무늬의 층밀림을 관측했는데, 이것은 아인슈타인의 특수상대성이론의「광속 불변의 원리」와 일치하는 결과였다.

마이켈슨 간섭계, 파브리-페로 간섭계는 원자스펙트럼광의 파장에 의한 미터 원기(原器)의 교정(측정기의 보정값을 결정하는 일)에도 이용되었다.

파동이 매질 속을 전파해 가는 현상은 파면의 각 점을 원천으로 하는 2차파의 중첩이 일어나고, 이들 2차파가 서로 간섭한다는 논리로 설명할 수 있다.

이것을「호이헨스-프레넬의 원리」라고 한다.

〔파동의 회절〕광파가 개구(開口)된 차광판에 부딪치면, 광파는 기하광학적(幾何光學的)인 그림자의 공간으로 돌아가고, 또 직사광이 비추는 부분에는 개구의 가장자리에 평행한 회절무늬가 생긴다.

광파의 파장에 비해 개구의 크기가 충분히 크면, 차광판의 개구에 도달한 광파의 파면에서 나오는 2차파의 간섭을「호이헨스-프레넬의 원리」에 따라 계산함으로써 광파의 회절현상을 정량적(定量的)으로 설명할수 있다.

프레넬 대판(帶板)의 렌즈 작용, 홀로그래피의 원리, 현미경의 분해능(分解能), 위상차(位相差) 현미경의 원리 등도 광파의 회절을 응용하고 있다.

〔관내를 전파하는 파동〕음파 · 전자기파 · 광파를 전송하기 위해 관을 이용하는 일이 종종 있다.

이때 쓰이는 관을, 음파 · 전자기파의 경우에는 도파관(導波管), 광파의 경우에는 광학섬유 또는 광섬유라고 한다.

광섬유는 특수한 구조로 된 일종의 유리섬유이며, 그 내벽(內壁)의 반복 반사로 광파가 전파된다.

광섬유는 위(胃)나 그 밖의 내장의 의학적 검사에 쓰이는 내시경(內視鏡)에 사용된다.

유리섬유 재질을 잘 선택하면 흡수에 의한 광파의 감쇄를 극히 작게 할 수 있으므로 광섬유는 장거리간의 통신에 널리 쓰인다.