"양자 역학, 오묘한 너란 녀석!"을 나눠 포스팅하는 겁니다.
입자이지만 파동처럼 행동하는 전자는 이런 이중성 때문에 불확정성이 생긴다. 서로 다른 성질을 동시에 가지는 전자의 운동을 어떻게 기술할 수 있을까?
우리가 '뭔가를 본다'는 의미는 원자가 내는 빛을 보는 것이다. 앞서 말한 대로, 원자가 빛을 내는 이유는 정상 상태의 전자가 양자 도약을 통해 궤도를 넘나들기 때문이다. 하지만 우리는 전자의 궤도를 알 수 없다. 그 이유는 전자가 파동성도 가지기 때문이다. 하이젠베르크는 이걸 설명하는 해석 방식을 '불확정성의 원리'라고 불렀다.
이중 슬릿 실험에서 밝혀진바, 전자는 입자이면서 파동처럼 행동한다. 근데!! 간섭무늬를 내던 실험 결과가 뒤집히기도 한다. 관측자가 존재할 때 말이다. 전자가 이중 슬릿을 어떻게 동시에 지나는지 확인하기 위해 관측 장치를 달았더니, 입자처럼 행동해서 스크린에 두 줄의 무늬가 형성되었다. 마치, 전자가 관측당하는지 아닌지를 아는 것처럼 행동했다! 이 생퀴 정말...
여기서부터 멘붕 오기 시작한다. 과학자들은 이것을 이렇게 정리한다. "입자는 이중성을 가지며 중첩된 상태로 있다가, 측정과 동시에 한 상태로 결정된다!" 뭔 개 소린가 싶었다..
(1, 2)입자는 이중성을 가지며 중첩된 상태로 있다가 (3, 4)측정과 동시에 한 상태로 결정된다. 여기서 전자가 이중 슬릿을 동시에 지나는 것은 중첩 상태(A 위치에도 있을 수 있고, B 위치에 있을 수 있다)이기 때문이다.
결론적으로, 하이젠베르크는 이걸 이상하게 느끼는 우리가 더 이상한 거라 말했다. 거시 세계에 사는 우리가 어떻게 미시 세계의 것을 거시 세계의 방법으로 설명할 수 있냐고 되물었다. 맞는 말이다. 2차원이 3차원 세계 모르고 3차원이 4차원 세계 모르듯.
하이젠베르크는 여기서 '본다(측정)는 것은 무엇인가'를 고찰했다. 위 실험에서 '보는 것' 만으로 대상에 영향을 준다고 했는데, 여기서 '본다'는 것은 무엇일까? 원리적으로 상대의 물리량을 측정할 때 상대에게 영향을 주지 않고 측정할 방법은 절대 없다. 반드시 영향을 주게 돼 있다.
우리가 대상을 본다는 것은, 빛이 그 대상에 닿아서 → 대상의 원자들을 교란한다(원자가 빛을 흡수, 방출) → 그럼 원자가 자신에게 들어온 빛의 일부를 방출하고 → 그 빛이 결국 우리 눈에 보이는 것이다.
즉, 본다는 것 자체가 빛이 대상에 닿아서 원자들이 교란을 받기 때문이라는 얘긴데!!!! 보기 위해서는 어쩔 수 없이! 반드시! 대상이 영향(교란)을 받는다는 거다. 거시 세계에서 받지 않을 교란에도 양자 역학의 세계(미시 세계의 겁나 작은 원자)에서는 빛만으로도 교란이 생긴다는 말씀! 휴- 이중 슬릿 실험에서 측정 전에는 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과한 듯 간섭무늬가 나오지만, 측정 후에는 측정이 대상을 교란해서 두 줄의 무늬로만 나오는 것이다. 측정 여부에 따라 달라지는 양자역학의 세계!! 미치고도 놀라운 세계!!!
그럼 측정으로 알아낸 전자의 위치는 무슨 의미가 있을까? 교란으로 발견된 전자의 위치이기 때문에 진짜 위치가 아니라는 걸 알 것이다. 측정하는 행위 자체가 대상을 교란하고 그 교란이 어떻게 일어날지 모른다면, 그 측정을 통해 얻은 결과물이 과연 제대로 된 위치인지 정확히 파악/확신할 수 없다. 오직 확률적 해석만이 가능하다. 이런 교란의 변화를 읽을 수 없는 데서 생겨난 하이젠베르크의 불확정성 원리!
입자의 위치와 속도(운동량)를 동시에 정확하게 알 수 없고, 어디에 존재하는지 확률만을 알 수 있다. 위치나 운동량을 측정하는 행위가 서로를 교란하기 때문이다.
- 하이젠베르크의 '불확정성 원리'
과학자들은 코펜하겐에 모여 이런 해석을 내놓는다. "입자는 A 장소에도 있을 수 있고, 동시에 B 장소에도 있을 수 있다. 하지만 우리가 그것을 확인하는 순간, 그런 중첩 상태는 깨지고 입자의 위치는 A 혹은 B 하나로만 결정된다. 그러므로 양자 역학에서 일어나는 일의 결과는 확률적인 것으로 해석해야만 한다." 이것을 코펜하겐 해석이라고 한다. 코펜하겐 해석에 따르면, 측정이 대상에 영향을 주기 때문에 위치나 운동량 같은 기본 물리량을 아는 것이 원리적으로 불가능하다.
초기 조건을 알면 미래를 예측할 수 있다는 고전 역학의 '결정론'과는 달리, 양자 역학은 확률론적인 입장을 취하기 때문에 현재 상태를 정확히 알아도 미래에 일어날 사실을 정확히 예측하는 것은 불가능하다고 말한다. 이를 양자 역학의 '비결정론'이라 한다.
많은 물리학자는 양자 역학의 이런 확률적 측면에 반발했다. 특히 아인슈타인은 이를 인정하지 않았다. 관측 전에는 중첩 상태에 있지만, 관측하면 하나의 분명한 실재적 상태로 귀결된다니!!! "우리가 달을 보지 않으면 달은 없는 것인가?" "달을 보는 순간 달이 그 위치에 있게 되나?" 이것이 아인슈타인이 던진 그 유명한 질문이다.
양자 역학 101, ④ 슈뢰딩거의 고양이와 관찰자 효과
[참고 링크]
슈뢰딩거의 고양이 https://namu.wiki/w/슈뢰딩거의%20고양이
양자역학의 해석 https://namu.wiki/w/양자역학의%20해석
불확정성 원리 https://namu.wiki/w/불확정성%20원리
Is light a particle or a wave? - Colm Kelleher https://youtu.be/J1yIApZtLos
Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel https://youtu.be/Hk3fgjHNQ2Q
What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel https://youtu.be/TQKELOE9eY4
Schrödinger's cat: A thought experiment in quantum mechanics - Chad Orzel https://youtu.be/UjaAxUO6-Uw
What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani https://youtu.be/z1GCnycbMeA
양자역학 두 번째 이야기 - 입자냐, 파동이냐! https://youtu.be/a4LsdqwZEaU
양자역학 세 번째 이야기 - 불확정성 https://youtu.be/0MT1rRvXcVU
양자역학 네 번째 이야기 - 슈뢰딩거의 고양이 https://youtu.be/39pGNND9ue4
양자역학 다섯 번째 이야기 - 정리 https://youtu.be/QlbKFqZjwEQ
빛의 물리학 5부 빛과 양자 #004 광자와 전자의 이중슬릿실험 https://youtu.be/yTVCLL_v4og
빛의 물리학 5부 빛과 양자 #005 불확정성 원리와 상보성 원리 https://youtu.be/H2NvGpc0OV8
두 얼굴의 양자역학 http://dongascience.donga.com/news/view/5820
슈뢰딩거 고양이는 누가 죽였나? http://dongascience.donga.com/news/view/5869
신은 주사위를 던진다 http://dongascience.donga.com/news/view/5928
두 마리 토끼를 잡기 위한 말다툼 http://dongascience.donga.com/news/view/5975
불확정성의 원리 직관적인 설명 https://youtu.be/IlnEAEKAarw
양자역학 없는 세상 http://dongascience.donga.com/news/view/6029
빨간 약을 먹으면 양자세계가 사라질까? http://dongascience.donga.com/news/view/6167
EBS 특별기획 통찰 - 자연의 예측 가능성 양자역학_#001 https://youtu.be/EmHIKMzkLTk
EBS 특별기획 통찰 - 자연의 예측 가능성 양자역학_#002 https://youtu.be/UVgsT1nweKc
EBS 특별기획 통찰 - 자연의 예측 가능성 양자역학_#003 https://youtu.be/--AUHJ28zX8
양자 역학 이중 슬릿 https://sir.kr/cm_free/1182673
Double Slit Experiment explained! https://youtu.be/A9tKncAdlHQ
Schrodinger's Cat https://youtu.be/dZsXu5QdZtc
SCHRÖDINGER'S CAT EXPLAINED https://youtu.be/OkVpMAbNOAo
양자역학에서의 관찰자 효과에 대한 사실 정리 http://bit.ly/2eOyrYm
양자역학에 대한 잘못된 이해들 http://sophistjin.tistory.com/543
관찰자 효과는 존재하지 않습니다 http://bit.ly/2eWN2ob
신이 부리는 요술, 관찰자 효과 http://bit.ly/2xngZFP
생각의 힘으로 우주를 바꾼다? http://dl.dongascience.com/magazine/view/S201304N031
Observer effect, do this mean literally someone or just any interaction with other matter? http://bit.ly/2xdMaCt
EBS 특별기획 통찰 - 인간의 예측 가능성 - 자유의지_#002 https://youtu.be/-klSzVcQEJU
과학 수다 (1) 양자 역학에 대해서 http://sciencebooks.tistory.com/282
Superposition ft. Schrodinger's Cat | Quantum Mechanics ep 2 https://youtu.be/pTX81MwxgSs
Quantum superposition of states and decoherence ogv https://youtu.be/tAIC-FkE2rs
양자역학의 양자택일 https://youtu.be/HIupJKzMag0
양자 얽힘 https://ko.wikipedia.org/wiki/양자_얽힘
Einstein's brilliant mistake: Entangled states - Chad Orzel https://youtu.be/DbbWx2COU0E
동시성, 슈뢰딩거의 고양이, 양자얽힘 http://bit.ly/2xvutzl
Quantum Computing for Dummies https://youtu.be/lypnkNm0B4A
양자 컴퓨터 https://ko.wikipedia.org/wiki/양자_컴퓨터
Quantum Computing 101 https://youtu.be/jg8iCnQTLfM
Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology https://youtu.be/JhHMJCUmq28
아인슈타인이 틀렸다.'양자 얽힘' 실험으로 증명 http://v.media.daum.net/v/20151022134608551
양자역학 상용화 어디까지 왔나? http://bit.ly/2xw4YxA
