[일상과학] 양자 물리학에 대해 알아야 할 모든 것

양자 물리학이란 무엇입니까?

양자 물리학은 양자 역학 또는 양자 이론으로도 알려진 물리학의 한 분야입니다.

역학은 대포알에서 테니스 공, 자동차, 로켓 및 행성에 이르기까지 움직이는 물체와 관련된 물리학의 일부입니다 . 양자 역학은 광자 및 전자와 같은 분자, 원자 및 아원자 수준에서 물체의 운동을 설명하는 물리학의 한 부분입니다.

양자 역학은 현대의 기술에 집착하는 많은 생활 방식이 의존하는 매우 성공적인 과학 이론이지만 완전히 미친 것이기도 합니다.

 

이론은 분명히 효과 가 있지만 유령과 유령, 파동인 입자와 입자인 파동, 살아 있는 동시에 죽은 고양이 , 으스스한 일들이 많이 일어나고, 어두운 방에 조용히 누워.

많은 사람들을 당혹스럽게 만드는 양자 이론이 무엇인지 궁금해 한 적이 있다면 여기에 간단한 용어로 양자에 대한 간략한 요약이 있습니다.

 

양자역학의 역사

이제 우리는 모든 물질이 원자로 구성되어 있음을 압니다. 각 원자는 차례로 양성자와 중성자로 구성된 핵을 '궤도'하는 전자로 구성됩니다. 원자는 이산적입니다. 그들은 '현지화': '여기' 또는 '거기'입니다.

그러나 19세기 말까지 원자는 실제로 다소 논쟁의 여지가 있었습니다. 사실, 독일 물리학자 막스 플랑크가 이른바 '흑체' 복사의 특성과 거동을 연구하게 만든 것은 원자의 존재를 논박하려는 결의였습니다.

1900년 후반에 그가 '절망의 행위'에서 발견한 것은 그를 헌신적인 원자론자로 만들었지만, 그의 발견의 진정한 의미가 스며들기까지는 몇 년이 더 걸렸습니다.

플랑크는 복사가 자신이 양자 라고 부르는 이산 비트로 구성된 것처럼 흡수되고 방출된다는 결론을 내렸습니다 . 1905년에 알버트 아인슈타인은 한 걸음 더 나아갔습니다. 그는 양자가 실제라고 추측했습니다. 복사 자체는 빛 에너지의 개별 덩어리로 옵니다. 오늘날 우리는 이러한 덩어리 를 광자 라고 부릅니다 .

빛은 파동인가 입자인가?

아인슈타인의 가설은 약간의 문제를 제기했습니다. 빛의 파동 이론을 지지하는 이미 잘 정립된 증거가 있었습니다 . 주요 관찰은 '이중 슬릿 실험'이라고 합니다.

좁은 조리개나 슬릿을 통해 빛을 밀어 넣으면 통과하여 가장자리에서 휘어지고 그 너머로 퍼집니다. '회절'합니다.

두 개의 슬릿을 나란히 자르면 간섭 이 발생 합니다. 두 개의 슬릿에 의해 회절된 파동은 간섭 무늬 라고 하는 밝은 띠와 어두운 띠가 교대로 나타나는 패턴을 생성합니다 . 이러한 종류의 동작은 빛에 국한되지 않습니다. 이러한 파동 간섭은 물결을 사용하여 쉽게 설명됩니다.

 

그러나 파도는 본질적으로 비편재화 되어 있습니다. 즉, '여기' 와 '저기'에 있습니다. 아인슈타인의 가설은 빛의 비편재화된 파동 속성에 대한 모든 증거를 뒤집지 못했습니다. 그가 제안한 것은 완전한 설명이 어떻게든 국부적이고 입자와 같은 속성도 고려해야 한다는 것입니다.

따라서 빛은 파동과 입자처럼 작용합니다.

1923년 프랑스 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 대담한 제안을 했습니다. 광파도 입자가 될 수 있다면 전자와 같은 입자도 파동이 될 수 있을까? 이것은 단지 아이디어였지만 그는 전자의 파동과 같은 속성(파장)과 입자와 같은 속성(운동량) 사이의 직접적인 수학적 관계를 개발하는 데 사용할 수 있었습니다.

그러나 이것은 물질에 대한 완전한 '파동-입자' 이론이 아니었다. 그 도전은 Erwin Schrödinger에게 주어졌습니다. Erwin Schrödinger는 공식(1926년 초에 처음 출판되어 파동 역학이라고 함)을 오늘날에도 여전히 과학 학생들에게 가르칩니다.

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파동함수란?

슈뢰딩거의 이론은 실제로 드 브로이의 관계를 사용하여 일부 양자 조건을 도입하는 파동의 고전적인 이론입니다. 결과는 전자와 같은 입자의 운동이 파동 함수 에서 계산되는 슈뢰딩거 의 파동 방정식 입니다.

처음부터 물리학자들은 슈뢰딩거의 파동 함수에 대해 머리를 긁적였습니다.

고전 역학에서는 에너지 및 운동량( 물리적 관찰 가능 대상 이라고 함 ) 및 이를 소유하는 대상의 속성과의 관계 와 같이 이론에 표현된 개념을 해석하는 방식에 실질적인 문제가 없습니다.

 

고정된 속도로 공중을 날아다니는 물체의 고전적인 운동량을 계산하고 싶으십니까? 쉬운. 물체의 질량과 속도를 측정하고 이들을 곱하십시오. 끝!

그러나 진공에서 자유롭게 움직이는 전자의 운동량을 알고 싶다면 어떻게 해야 할까요? 양자 역학에서 우리 는 전자의 파동 함수에 대해 특정한 수학적 연산 을 수행하여 이것을 계산합니다.

이러한 작업은 파동 기능(이 애니메이션에서는 상자로 표시됨)을 잠금 해제하고 다시 닫기 전에 관찰 가능한 항목을 해제하는 '키'로 생각할 수 있는 수학적 레시피입니다.

조작은 파동 기능을 '잠금 해제'하는 키입니다.

'운동량 키'를 사용하여 상자를 열어 운동량을 계산합니다. 다른 Observable에는 다른 키가 필요합니다.

 

입자는 실제로 파동처럼 행동합니까?

전자가 파동처럼 행동하면 회절될 수 있습니까? 두 개의 슬릿을 통해 전자 빔을 나란히 밀어 넣으면 먼 화면에 간섭 무늬가 보이나요? 평균적으로 한 번에 하나의 전자만 슬릿을 통과 하도록 빔의 강도를 제한하면 어떻게 될까요? 그럼?

우리가 보는 것은 처음에는 상당히 위안이 됩니다. 슬릿을 통과하는 각 전자는 화면의 단일 지점으로 등록되어 '전자가 여기를 쳤다'고 알려줍니다. 이것은 전자가 하나 또는 다른 슬릿을 통해 하나씩 통과하여 겉보기에 무작위 패턴으로 화면에 충돌하는 것처럼 보이기 때문에 입자로서의 전자의 개념과 완벽하게 일치합니다.

이중 슬릿 실험에서 나타나는 간섭 패턴

패턴은 무작위가 아닙니다. 더 많은 전자가 슬릿을 통과함에 따라 임계값을 넘습니다. 우리는 개별 점들이 함께 그룹화되고 겹치고 병합되는 것을 보기 시작합니다. 결국 우리는 밝고 어두운 무늬가 번갈아 나타나는 두 개의 슬릿 간섭 패턴을 얻습니다.

대안적으로, 우리는 전자의 파동 성질이 본질적인 거동이라는 결론을 내립니다. 각각의 개별 전자 는 파동 함수로 설명되는 파동처럼 행동하며, 두 슬릿을 동시에 통과하고 화면을 치기 전에 자체 간섭합니다.

그렇다면 다음 전자가 나타날 위치 를 정확히 어떻게 알 수 있을까요?

입자가 한 번에 두 위치에 있을 수 있습니까?

슈뢰딩거는 파동 함수를 '물질 파동'의 이론적 표현으로 문자 그대로 해석하기를 원했습니다. 그러나 1전자 간섭을 이해하려면 1926년 후반에 Max Born이 제안한 대안적인 해석을 찾아야 합니다.

Born은 양자 역학에서 파동 함수 제곱이 특정 지점에서 관련 전자를 '찾을' 확률 의 척도라고 추론했습니다.

전자파의 교대 피크와 골은 양자 확률의 패턴으로 변환됩니다. 이 위치(밝은 프린지가 될)에서 다음 전자를 찾을 확률이 더 높고 이 다른 위치(어두운 프린지가 될) ) 다음 전자를 찾을 확률은 매우 낮거나 0입니다.

 

전자가 화면에 충돌하기 전에 파동함수의 제곱이 0보다 큰 '여기', '거기', '가장 모든 곳'에서 전자가 발견될 확률이 있습니다. 동시에 존재하는 많은 상태의 이러한 확률은 '양자 중첩'으로 알려져 있습니다.

이것은 개별 전자가 한 번에 둘 이상의 장소에 있을 수 있다는 것을 의미합니까? 아니 정말. 한 번에 여러 곳에서 발견될 확률이 있다고 말하는 것이 사실입니다. 그리고 파동함수를 실제 물리적인 것으로 해석하고 싶다면 이것이 비편재화되거나 분산된다는 의미가 있다.

그러나 '개별 전자'에 의해 전자를 입자로 지칭하는 경우 파동 함수 가 화면과 상호 작용할 때까지 이것이 '붕괴'되고 전자는 한 곳에서만 '여기'에 나타납니다.

양자 물리학에서 확률이 중요한 이유는 무엇입니까?

하나 더. 던진 동전이 '머리'에 떨어질 확률이 50%라는 것은 단순히 양면이 있고 어떤 방향으로 떨어질지 알수있는(또는 쉽게 예측) 방법이 없다는 것을 의미합니다. 이것은 무지에서 비롯된 고전적인 확률입니다.

우리는 동전이 공중에서 회전할 때 앞면과 뒷면의 양면이 계속 있다고 확신할 수 있지만, 동전의 정확한 움직임에 대해 알지 못하므로 어느 면이 앞면을 향하게 떨어질지 확실하게 예측할 수 없습니다. . 이론적으로, 정확히 어떤 각도로 얼마나 세게 뒤집었는지, 정확히 몇 높이에서 잡을 수 있는지 정확히 안다면 할 수 있습니다.

양자 확률은 매우 다른 것으로 생각됩니다. 우리가 양자 동전을 던질 때 우리는 실제로 그 움직임의 세부 사항에 대해 꽤 알고 있을 수 있지만 동전이 떨어지기 전에 '머리'와 '꼬리' 가 존재 한다고 가정할 수는 없으며 살펴봅니다.

따라서 동전 던지기에 대해 얼마나 많은 정보를 가지고 있는지는 중요하지 않습니다. 결과가 어떻게 될지 확실하게 말할 수는 없습니다. 고전 시스템에서처럼 미리 결정되지 않기 때문입니다.

아인슈타인 은 양자 역학에서 이 순수한 우연처럼 보이는 요소를 개탄했습니다. 그는 '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'는 유명한 선언을 했습니다.

그리고 1927년에 논쟁이 시작되었습니다. 파동 함수는 무엇이며 어떻게 해석해야 합니까? 양자 역학은 물리적 현실의 본질에 대해 무엇을 말해주는가? 그리고 이것이 현실이라고 하는 것은 무엇입니까?