양자역학이란 무엇인가? 양자, 파동함수 그리고 확률 скачать в хорошем качестве

양자역학이란 무엇인가? 양자, 파동함수 그리고 확률

양자역학은 현대 물리학 분야 중에서 가장 이상하면서도 가장 정확한 이론일 것입니다. 양자역학이 정립되던 초기의 여러 아이디어 덕분에 오해가 가장 많은 이론이기도 합니다. 고양이가 살아 있는 동시에 죽어 있다거나 인간이 관측하기 전에는 진정한 사물은 존재하지 않는다는 희안한 얘기가 떠돌죠. 이 영상은 양자역학의 핵심인 파동함수와 파동함수의 붕괴에 대해 설명해 드립니다. 양자역학 시리즈는 계속되며 슈뢰딩거의 고양이, 이중 슬릿 실험, 양자 얽힘 등을 계속 다뤄볼 예정입니다. 감사합니다. Credits: NASA/JPL Fermilab 일반적으로 물리학은 매우 직관적인 학문이었습니다. 대포를 쏘면 어디에 떨어질지 정확히 계산할 수 있었죠. 그러나 지난 세기 동안 물리학은 원자보다 작은 물체라는 익숙하지 않은 영역을 탐색했습니다. 그리고 양자역학이라고 하는, 극미한 것을 다루는 제반 물리학 분야가 탄생했죠 노벨 물리학상 수상자 리처드 파인만이 ‘양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다’고 할 정도로 양자역학 이론은 난해하기로 유명합니다 양자역학에 관심이 있다면 살아 있으면서 동시에 죽은 상태인 고양이 얘기를 들어보셨을 겁니다 현실은 관측이라는 행위를 통해 결정되므로 우리가 보기 전까지 그 어떤 것도 현실이 아니라는 애기도요 물론 둘 다 사실이 아니며, 양자역학 초기에 논의되던 아이디어일 뿐입니다. 그렇다면 양자역학이란 무엇일까요? 가장 핵심적인 내용 중에서 먼저 용어부터 살펴보겠습니다. 양자라는 단어는 연속적이지 않은 이산적인 양을 의미합니다. 연속적: 값이 단절되지 않고 계속 이어지는 것 예) 실수 1.0, 1.1, 1.11, 1.111... 실수 *이산적: 연속되는 것과 반대로 0, 1, 2, 3 같이 서로 단절되는 값 자연수 예를 들어, 사하라 사막은 모래 언덕이 끊임 없이 이어져 있는 듯 보입니다. 그러나 비단결 같은 모래 바다에도 양자의 측면이 있습니다. 사막의 양자는 모래 한 알이죠. 마찬가지로 태평양 바다도 장엄하고 유동적이지만 물이라는 단일 분자로 되어 있죠. 양자라는 말은 우리가 가장 작은 것에 대해 이야기하고 있음을 의미합니다. 역학이라는 용어는 훨씬 쉽습니다. 역학은 무언가의 행동과 움직임을 의미합니다. 따라서 양자역학은 큰 집합 속에 있는 개별 개체의 움직임과 상호작용이라 할 수 있습니다. 양자역학은 직관적이지 않은데, 이를 경험하려면 원자보다 작은 것을 봐야 합니다 양자 이론에는 아주 작은 수인 플랑크 상수가 등장하기 때문이죠. 양자역학을 처음 배울 때 원자를 둘러싼 개별 전자나 광자의 행동을 공부합니다. 대체로 그 정도가 학문적 양자역학의 영역입니다. 하지만 양자역학의 기이함은 더 큰 규모로 나타날 수도 있습니다 자, 이제 파동 함수라는 핵심 아이디어로 들어가 보겠습니다. 아원자 수준에서 파동 함수는 상황을 묘사하는 수학 함수인 것이죠. 벽에 고정된 용수철 끝에 공이 달려 있고 진동을 하고 있습니다. 이 상황을 고전 역학으로 보면 궤적을 따른 입자의 운동으로 표현할 수 있습니다. 하지만 양자 역학에는 그러한 궤적이 없고 파동으로 표현됩니다. 모두 슈뢰딩거 방정식을 따르는 파동함수입니다. 파동 함수는 여러가지 모양이 있지만 크게 보면 모양은 중요하지 않습니다 미시 세계에서 뭔가를 설명하는 유일한 방법은 파동함수입니다 파동 함수를 제곱하면 제곱이 된 파동 함수가 입자가 발견될 곳을 알려줍니다. 파동 함수가 크면 거기에서 입자를 찾을 확률이 크고, 0이면 입자를 찾을 확률이 0입니다. 파동 함수 제곱은 파동 함수가 설명하는 입자를 발견할 확률을 제공합니다. 이것이 첫 번째 혁신적인 아이디어입니다. 이 아이디어 덕분에 우리는 전자나 광자 같은 입자를 감지할 때 한 곳에서 찾을 수 있습니다. 탐지 순간에 입자의 위치가 결정됩니다. 과학자들은 이 감지 순간을 "파동 함수의 붕괴"라고 부릅니다. 주사위 한 쌍을 굴릴 때 숫자를 예측하기는 힘들지만 주사위의 속도와 굴러가는 표면의 세부 사항을 알면 어떤 면이 위로 갈지 안정적으로 예측할 수 있습니다. 양자역학에서는 다릅니다. 아원자 입자는 파동 함수의 모든 곳에서 동시에 존재합니다 마치 전자 또는 광자가 뿌려져 있는 것과 비슷하죠. 입자가 감지되면 파동 함수가 붕괴되고 아원자 입자가 어디에 있는지 100% 확실하게 알 수 있습니다. 파동함수 그리고 파동 함수가 여러 위치에서 단 하나로 붕괴되는 것이 양자역학의 두 가지 핵심 요소입니다. 사물에 대한 이러한 사고 방식이 정확한 예측을 제공한다는 것에 거의 모두 동의합니다. 그러면 대체 양자역학은 왜 이렇게 혼란스러울까요? 간단히 말하면 파동 함수가 실제로 무엇인지 아무도 모르기 때문입니다. 우리는 이것을 사용하여 예측을 할 수 있지만 진정한 본질은 정말 까다로운 문제입니다. 백 년 동안 연구했지만 아무도 그것이 무엇인지 모르는 게 현실입니다. 파동 함수가 존재론적인 것이냐, 인식론적인 것이냐에 대한 철학적 고민이 있습니다 존재론적이라는 주장은 파동함수와 확률 해석은 지식의 부족함이 아니라 실재 그 자체이며 따라서 양자역학의 근본은 결정론적이지 않으며 임의적이라는 것입니다 인식론적인 한계를 주장하는 쪽은 파동함수는 실재가 아니라 일종의 해석이며 더 깊은 진리가 있지만 우리가 아직 모르거나 근본적으로 결코 알 수 없다는 것입니다 파동이 실제로 사물을 주위로 미는 실체라고 주장하는 사람들도 있습니다. 입자는 이동하기 전에 파동을 내보내고 이후 이 파동을 타고 이동한다는 얘기죠. 이 아이디어에 대한 양자 역학의 전문 용어는 "파일럿 파동"입니다. 또 다른 사고 방식은 파동 함수는 일어날 수 있는 일을 예측하며 파동 함수가 붕괴되면 발생 가능한 결과가 여러 우주로 생겨나고 그 중 하나가 우리에게 나타나는 것으로 봅니다. 그래서 확률에 따라 가능한 경우의 수만큼 세계가 존재하며, 그 세계들 간에는 상호작용이 없다고 합니다. 이것을 다세계 해석이라고 합니다. 어떤 것이 옳을까요? 결론은 아무도 모른다는 것입니다 우리는 아원자 세계를 파동함수로 정확하게 예측할 수 있지만 파동 함수와 그것이 붕괴될 때 일어나는 일을 근본적으로 이해하지 못합니다 다시 한번 정리하면 양자역학의 최대 난제는 다음과 같습니다. 물리학의 양자역학 분야 미해결 문제 양자역학의 파동함수는 어떻게 해석해야 하는가? 양자역학의 대상은 실재하는가? 양자역학의 측정은 결정론적인가? 그렇지만 양자 기술은 이미 정보사회의 패러다임을 바꾸고 있습니다 양자역학은 마치 마술상자처럼 속은 전혀 모르지만 놀라운 미래를 만들어내죠. 오늘은 여기까지입니다 더 많은 양자역학 이야기가 궁금하시면 구독과 좋아요 부탁드립니다