[일상과학] 양자 역학으로 본 다중 우주론

양자 역학을 해석하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각각은 지금 소개할 이론보다 더 믿기 힘든 경우도 많습니다. 아무튼 현대의 이론 물리학자 Sean Carroll은 양자역학을 가장 그럴듯하게 설명할 수 있는 이론이 다중 우주론이라고 말합니다.

 

현대 물리학은 다중우주와 평행 현실에 대한 추측으로 가득 차 있습니다. 그러나 다중 우주가 발생하는 방식은 매우 다양하며 가장 놀라운 것 중 하나인 양자 물리학의 다중 세계 공식화 역시 가장 그럴듯한 것 중 하나입니다.

현대 물리학이 등장하기 훨씬 전에 의미가 정의되어 있었던, "world" 및 "universe"와 같은 단어가 지금 단계에서 모호한 의미를 갖는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 물리학자들이 "다중우주"에 대해 이야기하는 것을 들을 때, 그들은 우주론적 다중우주를 생각하고 있을 가능성이 있습니다.

그것은 꽤 거창하게 들리지만, 실제로는 별개의 우주의 모음이 아닙니다. 오히려 그것은 우리가 관찰할 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있는 공간의 영역들의 집합체를 의미하며, 조건은 각각 매우 다릅니다. 우리 주변에서 보는 것과 다른 입자, 다른 힘, 심지어 다른 수의 공간 차원이 있을 수 있습니다.

 

우주론적 다중우주가 발명되지 않은 것은 물리학자들이 저 밖에 많은 우주를 갖는 것이 멋질 것이라고 생각했기 때문입니다. 끈 이론과 우주 팽창을 포함한 다른 차원적 아이디어의 결과로 자연스럽게 발생합니다. 그러나 그 생각 자체가 사변적이기 때문에 우주론적 다중우주는 사변적 제곱으로 간주되어야 합니다. 그것은 정말 존재할 수 있지만, 지금 당장 말할 수 있는 분명한 사실은 우리가 실제로 모른다는 것입니다.

양자 역학의 다중 "세계"는 완전히 다른 것입니다. 그것들은 멀리 떨어져 있지 않습니다. 단지 그것들이 어디에도 "위치"하지 않기 때문입니다. 그리고 그것들은 가장 확실하게 검증된 물리 이론인 양자 역학의 가장 단순한 버전에서 자연스럽게 발생합니다. 양자 역학의 많은 세계가 아마도 거기에 있을 것이라고 저는 주장합니다. (모든 사람이 이에 대해 동의하는 것은 아닙니다.)

그 이유를 알아보려면 양자 역학이 어떻게 작동하는지 생각해야 합니다. 스핀이라고 하는 일정한 양의 양을 가진 소립자 전자를 생각해 보십시오. 회전을 측정할 때 가능한 두 가지 답 중 하나만 얻을 수 있습니다. 회전을 측정하는 데 사용한 축과 관련하여 회전하거나 회전하는 것입니다.

그것만으로도 충분히 이상할 것입니다. 왜 가능한 대답이 두 개뿐입니까? 그러나 더 이상한 것은 측정 결과가 어떻게 될지 항상 예측할 수 없다는 것입니다. 스핀업과 스핀다운의 "중첩"으로 전자를 준비할 수 있으므로 각 결과를 관찰할 가능성이 있습니다. 물리학자들은 전자 상태를 "파동 함수"라는 용어로 설명합니다. 이 함수는 전자 상태의 어느 정도가 스핀업 상태이고 어느 정도 스핀다운 상태인지를 알려줍니다. 파동 함수를 사용하여 각 측정 결과의 확률을 계산할 수 있습니다.

전자가 어떻게 회전하는지에 대한 답이 실제로 있다고 생각하는 것은 당연하지만, 우리는 그것이 무엇인지 모르고 파동 함수가 우리의 무지를 캡슐화합니다. 그것이 알버트 아인슈타인 같은 사람들의 원래 희망이었습니다 . 그러나 그것은 그렇게 되지 않았습니다. 우리가 실험을 많이 할수록, 그리고 양자 역학의 내부 작동을 더 많이 이해할수록 파동 함수가 실제로 존재하는 것처럼 보입니다. 그것은 단지 우리의 지식을 특징짓는 것이 아니라 전자의 실제 물리적 상태입니다.

알버트 아인슈타인은 파동 함수가 아직 측정되지 않은 입자의 특징을 나타낸다고 믿었습니다.

그것은 문제를 제기합니다. 즉, 파동 함수를 볼 때와 그렇지 않을 때 파동 함수가 다르게 진화하는 이유는 무엇입니까? 교과서 양자 역학에 따르면, 파동 함수는 에르빈 슈뢰딩거가 처음 작성한 간단한 방정식에 따라 자체적으로 진화합니다. 그러나 시스템을 측정할 때 파동 함수는 중첩이 되지 않고 스핀업과 같은 특정 측정 결과로 갑자기 "붕괴"됩니다.

미친 얘기야. "측정"은 무엇을 의미합니까? 측정을 하는 것은 인간이어야 합니까, 아니면 의식이 있는 생물이 중요합니까? 비디오 카메라가 될 수 있습니까? 얼마나 빨리 발생하며 시스템은 측정과 다른 종류의 물리적 상호 작용을 어떻게 구별합니까?

양자 역학의 "측정 문제"로 통칭되는 이러한 질문은 1950년대 프린스턴 대학의 대학원생인 휴 에버렛을 괴롭혔습니다. Everett의 아이디어는 사람에서 비디오 카메라에 이르기까지 관찰자가 무엇이든 그 자체로 양자 시스템이라는 점을 염두에 두는 것이었습니다. 그것들은 파동 함수로 설명되며, 이러한 파동 함수는 중첩으로 진화할 수 있습니다.

모든 것이 양자 역학의 기본 방정식인 슈뢰딩거 방정식을 따른다고 단순히 가정하면 그들은 할 수 있을 뿐만 아니라 필연적으로 그렇게 합니다. "위" 또는 "아래"를 나타낼 수 있는 포인터로 전자의 스핀을 측정하는 어떤 종류의 장치를 고려하십시오. 그것이 정확한 장치라면, 순전히 스핀업된 전자를 공급할 때마다 포인터는 확실하게 "위쪽"을 가리킬 것입니다. 스핀다운도 마찬가지입니다.

 

스핀업과 스핀다운이 중첩된 전자를 장치에 공급하면 어떻게 될까요? 슈뢰딩거 방정식의 예측은 완전히 모호하지 않습니다. 전자와 장치의 결합 시스템은 "전자는 스핀업되고 장치는 그것을 스핀업하는 것으로 측정했습니다"와 "전자는 스핀다운했습니다"의 중첩으로 진화할 것입니다. , 그리고 장치는 그것을 스핀다운으로 측정했습니다."

장비로 끝나지 않습니다. 양자역학의 법칙을 따르므로 파동함수가 있고 중첩되어 존재할 수 있습니다. 그리고 일단 장치의 포인터를 보면 중첩의 일부가 될 것입니다. 여기에서 일부는 "전자가 스핀업되는 것을 봤습니다"라고 생각하는 부분이 있고 다른 부분은 "전자가 다음과 같이 측정되는 것을 보았습니다. 스핀다운."

이것이 슈뢰딩거 방정식이 실제로 예측하는 것이라는 데 모두 동의합니다. 사람들이 동의하지 않는 곳은 그것에 대해 어떻게 해야 하는지입니다.

양자 역학의 창시자들은 누구도 그런 중첩을 경험 한 적이 없다고 합리적으로 추론했습니다. 그래서 그들은 파동 함수의 일부가 마술처럼 사라지는 새로운 규칙을 만들었습니다. 그리고 그것이 우리가 그 이후로 우리 학생들에게 가르쳐온 것입니다.

Everett의 움직임은 간단하고 치료적이었습니다. 그는 단순히 "슈뢰딩거 방정식에서 예측한 대로 파동 함수의 두 부분이 모두 존재합니다. 그러나 그것들은 두 개의 별개의 상호작용하지 않는 세계를 나타냅니다.” 다시 말해, 양자 측정이 일어난다고 생각할 때마다 실제로 우주는 측정 결과를 제외하고 정확히 동일한 여러 세계로 분기된다는 것입니다.

강조해야 할 중요한 것은 Everett이 모든 추가 세계를 넣지 않았다는 것입니다. 그들은 이미 거기에 있었고, 물리학자들이 중첩과 파동 함수에 대해 이야기하기 시작하자마자 그들의 존재 가능성이 열렸습니다. Everett이 한 일은 "괜찮습니다."라고 말하는 것뿐이었습니다. 모든 사람이 괜찮다는 데 동의하는 것은 아닙니다. 양자 이론의 수많은 다른 공식이 있으며, 각각은 다른 모든 세계를 제거하기 위해 매우 열심히 노력합니다.

 

근데 왜 귀찮아? 세계가 생성되면 더 이상 그 세계와 상호 작용할 수 없습니다. 어떤 이유로 우리가 전자 스핀 측정에 대한 중요한 삶의 결정을 내리기로 결정했다면, 파동 함수의 다른 지점에 있는 우리 자신의 버전이 다른 선택을 했고 그에 따라 삶을 살고 있다는 생각을 숙고할 수 있습니다. 그러나 우리는 메모를 비교하기 위해 그들과 이야기할 수 없습니다. 다른 세계는 우리가 접근할 수 없습니다. 그것들의 존재는 수학을 단순화하는 데 도움이 되지만 우리가 삶을 살아가는 방식에 영향을 주어야 합니다.

에버렛의 양자 역학의 다세계 공식화에 대해 다양한 정도의 존경을 받는 것에 대해 많은 반대가 있습니다. 어떤 사람들은 그것이 너무 사치스럽다고 주장합니다. 그 모든 세계는 어떻습니까? 그러나 세계에 대한 잠재력은 파동 함수가 현실을 나타내는 모든 버전의 양자 이론에 있습니다. Many-Worlds는 실제로 우리가 상상할 수 있는 양자 역학의 가장 단순하고 가장 덜 정교한 버전입니다. 그것은 슈뢰딩거 방정식을 따르는 파동 함수일 뿐입니다. 그 이상도 이하도 아닙니다.

또 다른 반대는 우리가 다른 세계를 관찰할 수 없기 때문에 이론이 반증될 수 없다는 것입니다. 그러나 세계는 이론이 아닙니다. 그것들은 이론의 예측이다. 이론을 반증하려면 그 예측 중 하나와 양립할 수 없는 실험을 하면 됩니다. Everett의 경우 간단합니다. 파동 함수가 상호 작용하지 않을 때에도 슈뢰딩거 방정식을 따르지 않는 예를 찾으십시오. 양자 역학의 다른 공식에서는 그런 일이 일어날 수 있지만 다세계에서는 그렇지 않습니다. 과학적 이론은 반증이 가능해야 한다는 생각을 대중화한 칼 포퍼(Karl Popper)는 다세계(Many-Worlds)에 깊은 인상을 받았습니다.

그러나 아직 완전히 해결되지 않은 열린 질문이 남아 있습니다. Many-Worlds는 희박하고 비열한 이론이지만 너무 희박하고 비열할 수 있습니다. 의존할 수 있는 구조가 거의 없기 때문에 "왜 확률이 그렇게 행동하는가?"와 같은 질문이 필요합니다. "고전 역학이 우리가 보는 세계에 왜 그렇게 좋은 근사치인가?" 답변하기 어렵습니다.

좋습니다. 물리학자들은 어려운 문제를 푸는 것을 좋아합니다. 우리는 Hugh Everett이 우리에게 풍부한 평행 우주 세트를 물려준 것에 대해 감사해야 하며, 그래서 우리는 그들 중 적어도 일부에서 그들 모두에 답할 것입니다.

 

 

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