[일상과학] 양자 물리학을 다시 생각해봐야하는 이유:죽은 사람 vs 산 사람

양자 물리학은 이상하고 이해하기 어려운 것으로 유명합니다. 이 분야에서 노벨상을 수상한 리처드 파인만(Richard Feynman)도 그의 저서 물리 법칙의 특성(Character of Physical Law )에서 다음과 같이 썼습니다 .

 

이론의 가장 기본적인 특징조차도 상식을 넘어서며, 입자와 파동이 동시에 존재하는 것과 같은 개념입니다. 사실, 더 정확하게 말하면 마치 입자이면서 파동인 것처럼 행동 하지만 이 구분은 종종 잊혀집니다.

그런 다음 입자가 측정될 때까지 한 상태 또는 다른 상태로 '붕괴'될 때까지 동시에 하나 이상의 상태(예: 부패 또는 부패하지 않음)에 존재한다는 아이디어가 있습니다. 그것은 슈뢰딩거의 고양이로 이어집니다. 고양이 의 생명이 입자가 어떤 상태에 있는지에 따라 좌우된다면 고양이는 따라서 동시에 살아 있고 죽을 수 있다고 가정하는 유명한 사고 실험입니다.

 

훨씬 더 기괴한 결과는 EPR(아인슈타인-포돌스키-로젠) 역설이라고도 알려진 양자 얽힘의 결과입니다. 각각 '스핀'이라는 양이 있는 두 개의 입자를 생성하는 것을 상상해 보십시오. 그러나 측정할 때까지 어느 것이 결정되지 않고 두 입자 모두 스핀 업 및 스핀 다운이 있습니다.

당신이 그 입자들을 반대 방향으로 발사하여 광년 떨어져 있도록 한 다음 하나를 측정한다고 상상해 보십시오. 이 입자가 스핀 업인지 스핀 다운인지 결정하도록 강제하면 다른 입자도 즉시 결정됩니다. 그러나 그 입자는 광년 떨어져 있습니다. 그렇다면 입자가 쌍둥이에 어떤 영향을 미쳤습니까? 아인슈타인은 이것을 "원거리에서 으스스한 행동"이라고 불렀습니다.

이러한 현상은 반드시 양자 물리학에 본질적인 것은 아니지만 우리가 방정식을 해석하기로 선택한 방식에서 비롯됩니다. 이 특별한 이해 방식을 코펜하겐 해석이라고 하며 양자 물리학의 논의를 지배합니다. 그것이 유일한 해석이거나 심지어 그것이 최고라는 말은 아닙니다.

 

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그다지 훌륭하지 않은 코펜하겐 해석

수십 년 동안 사물을 보는 표준 방식이 된 양자 물리학에 대한 해석은 파동의 개념에 기반을 두고 있으며 '마치'라는 경고를 크게 잊었습니다. 1920년대에 물리학자들은 양자 세계가 두 가지 수학적 방법 중 하나로 기술될 수 있다는 것을 이미 알고 있었습니다. 하나는 슈뢰딩거 방정식으로 요약되는 파동을 포함합니다. 다른 하나는 Werner Heisenberg와 Paul Dirac의 연구에서 개발된 행렬이라고 하는 배열 형태의 순수한 숫자를 포함합니다.

그들은 같은 대답을 했기 때문에 누구와 함께 일할 것인지는 선택의 문제였습니다. 그리고 대부분의 물리학자들은 이미 파동 방정식에 어느 정도 익숙했기 때문에 그것이 그들이 선택한 것이었습니다. 그러나 모든 양자 계산에서 계산하는 것은 시스템의 두 상태 사이의 관계입니다. 여기서 시스템은 전자, 두 개의 정공이 있는 실험 또는 (원칙적으로) 전체 우주 또는 전자와 전자 사이의 모든 것이 될 수 있습니다. 우주. 상태 A에 있는 시스템을 설명하는 매개변수 집합이 있는 경우 특정 시간 후에 상태 B에 있을 확률을 계산할 수 있습니다. 그러나 그 사이에 무슨 일이 일어나고 있는지 알려주는 것은 없습니다.

닐스 보어

 

전형적인 예는 원자의 전자입니다. 일부 계산에서 전자는 마치 다른 양의 에너지에 해당하는 궤도에 있는 것처럼 생각할 수 있습니다. 원자가 빛의 형태로 에너지를 방출하면 전자는 한 궤도에서 사라지고 원자핵에 더 가까운 다른 궤도에 나타납니다. 원자가 빛을 흡수하면 전자는 한 궤도에서 사라지고 원자핵에서 멀리 떨어진 궤도에서 나타난다. 그러나 그것은 한 궤도에서 다른 궤도로 움직이지 않습니다. 처음에는 여기에 있고 다음에는 거기에 있습니다. 이를 양자 도약(또는 양자 도약(*광고주가 생각하는 것과 달리, 양자 도약은 무작위로 이루어진 아주 작은 변화)이라고 합니다.)

슈뢰딩거는 자신의 파동 역학이 도약하는 동안 일어나는 일을 설명하려고 했지만 그렇게 하지 않았습니다. 그는 이렇게 말했습니다. 아아, 슈뢰딩거는 여기에 있었고, 지금도 있습니다. 행렬 접근 방식은 상태 A와 상태 B 사이에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알려주지 않기 때문에 더 정직하지만 슈뢰딩거 방정식보다 덜 위안을 줍니다.

수십 년 동안 양자 세계를 보는 표준 방식이 코펜하겐 해석으로 알려지게 되었는데, 그 이유는 그 도시에 기반을 둔 강력한 성격의 닐스 보어(Niels Bohr)가 이를 적극적으로 추진했기 때문입니다. 이 이름(실제로는 Werner Heisenberg에 의해 아이디어 패키지에 부여됨)은 Bohr 팀의 일원이 아니었고 코펜하겐에서 일하지 않았지만 확률에 대한 아이디어가 해석의 필수적인 부분이었던 Max Born에게 상당한 자극을 주었습니다.

보어는 1920년대 말에 양자 물리학에 대한 모든 토론을 지배했기 때문에 자신의 고향을 이런 식으로 인정받았을 뿐만 아니라 양자 역학에 대한 대안적이고 완전히 실행 가능한 해석을 철저하게 거부하여 20년 동안 무시되었습니다. 나는 그것을 Solace 2로 제시할 것이다.

Bohr는 본질적으로 그것이 의미하는 바에 대해 너무 많이 걱정하지 않고 작업 패키지를 만들기 위해 다양한 아이디어를 결합하는 것을 좋아하는 실용주의자였습니다. 결과적으로 코펜하겐 해석이 무엇인지에 대한 간단하고 결정적인 설명은 없지만 보어는 해석이 이름을 얻기 훨씬 전인 1927년 이탈리아 코모에서 한 연설에서 그러한 계시에 가까워졌습니다.

그 연설이 있었던 회의는 물리학의 획기적인 순간이었습니다. 왜냐하면 물리학자들이 '입을 다물고 계산'하기 위해 필요한 도구를 제시하고 양자 역학을 다음과 같은 실제 문제의 솔루션에 적용하는 지점을 표시했기 때문입니다. 원자와 분자(예: 화학, 레이저 및 분자 생물학)는 모든 것이 의미하는 기본 사항에 대해 생각할 필요가 없습니다.

보어의 실용적인 접근은 그의 해석으로 확장되었습니다. 실험 결과 외에는 아무것도 모른다고 했다. 이러한 결과는 실험이 측정하도록 설계된 대상, 즉 (자연의) 양자 세계에 대해 질문하기로 선택한 질문에 따라 다릅니다. 이러한 질문은 원자 및 기타 양자 실체보다 훨씬 더 큰 규모로 세계에 대한 우리의 일상적인 경험에 의해 채색됩니다.

 

그래서 우리는 전자가 입자라고 추측할 수 있고, 전자를 작은 웅덩이로 생각하면서 전자의 운동량을 측정함으로써 이것을 명백한 방법으로 테스트하도록 설계된 실험을 구축할 수 있습니다. 우리가 그렇게 할 때, 보라, 실험은 전자의 운동량을 측정하여 전자가 입자라는 우리의 개념을 확인시켜준다. 하지만 우리 친구는 생각이 다릅니다. 그녀는 전자가 파동이라고 생각하고 전자의 파장을 측정하는 실험을 설계합니다. 보라, 그녀의 실험은 파장을 측정하여 전자가 파동이라는 그녀의 개념을 확인시켜준다.

보어는 말합니다. 전자 가 입자를 찾을 때 입자인 것처럼 행동 하고 , 파동을 찾을 때 전자가 파동인 것처럼 행동한다고 ​​해서 둘 모두는 고사하고 둘 중 하나라는 의미는 아닙니다 . 당신이 보는 것은 당신이 얻는 것이고, 당신이 보는 것은 당신이 찾기로 선택한 것에 달려 있습니다. 코펜하겐 해석(Copenhagen Interpretation)에 따르면, 아무도 측정하지 않을 때 전자와 원자와 같은 양자 개체가 무엇인지 또는 무엇을 하고 있는지 묻는 것은 의미가 없습니다.

지금까지는 매우 실용적이며 그다지 놀라운 것은 없습니다. 그러나 보어는 빠르게 우리를 진흙탕 속으로 데려갑니다. 여기서 확률이 등장합니다. 슈뢰딩거가 파동 방정식을 생각해냈을 때 그는 그것을 전자(또는 다른 양자 실체, 전자는 설명에 사용하기 가장 간단한 예)에 대한 문자 그대로의 설명으로 생각했습니다. 그에게 전자 는 파동이었다.

그러나 보어는 슈뢰딩거의 공을 가지고 달아났고, 확률의 역할에 대한 보른의 아이디어와 결합하여 양자 계산에 관한 한 효과가 있었던 (그리고 여전히 작동하는) 기괴하고 골치 아픈 혼합물을 생성하지만, 당신은 그것에 대해 생각하기 위해 중지합니다. 슈뢰딩거가 우리에게 준 방정식은 이 새로운 그림에서 '확률 파동'으로 간주되어야 하며, 어떤 위치에서든 전자를 찾을 확률은 '파동 함수의 제곱'에 의해 결정됩니다. 임의의 지점에서 자체적으로 파동을 설명하는 방정식.

측정을 하거나 양자 개체를 관찰할 때 파동 함수는 확률에 의해 결정되는 지점으로 '붕괴'됩니다. 그러나 일부 위치는 다른 위치보다 가능성이 높지만 원칙적으로 전자는 파동 함수가 퍼진 모든 위치에 나타날 수 있습니다. 아주 간단한 예가 이 동작의 기이함을 강조합니다.

상자에 갇힌 전자 하나를 생각해 보십시오. 확률파는 상자를 고르게 채우기 위해 퍼져 나갑니다. 즉, 상자 내부의 어느 위치에서나 전자를 찾을 확률이 동일합니다. 이제 상자 중앙에 파티션을 놓습니다. 상식에 따르면 전자는 이제 상자의 절반에 갇혀 있어야 합니다. 그러나 코펜하겐 해석(CI)에 따르면 확률 파동은 여전히 ​​상자의 각 절반을 채우고 전자는 파티션의 양쪽에서 동일한 확률로 발견될 수 있습니다. 이제 상자를 파티션 중앙 아래로 둘로 나눕니다.

에르빈 슈뢰딩거

상자 하나는 실험실에 보관하고 다른 하나는 화성으로 가는 로켓에 싣습니다. 그러나 보어에 따르면 전자가 실험실의 상자나 화성의 상자에 나타날 확률은 50:50입니다. 이제 실험실에서 상자를 엽니다. 전자를 찾거나 찾지 못하거나 둘 중 하나입니다. 그러나 어느 쪽이든 파동 함수는 붕괴되었습니다. 상자가 비어 있으면 전자가 화성에 있습니다. 전자가 있으면 다른 상자는 비어 있습니다. 이것은 전자가 상자의 반쪽이나 다른 쪽 절반에 '항상 있었다'고 말하는 것과 같지 않습니다 . CI는 실험실에서 상자의 내용물을 조사할 때만 붕괴가 발생한다고 주장합니다.

이것은 EPR '역설'의 이면에 있는 아이디어의 핵심이며, 죽은 고양이와 관련된 슈뢰딩거의 유명한 퍼즐입니다. 그러나 그 이야기로 들어가기 전에 코펜하겐 해석이 두 개의 구멍으로 실험을 '설명'하는 방법을 살펴보고 싶습니다.

내가 학생 때 배웠고 오늘날에도 너무 많은 학생들이 가르치는 CI에 따르면 양자 역학을 '이해'하는 '방법'으로 전자가 한쪽에 있는 소스(전자총)에서 방출됩니다. 그것은 즉시 실험을 통해 퍼지고 다른 쪽의 검출기 화면으로 향하는 '확률파'로 분해됩니다.

이 파동은 많은 구멍이 열려 있더라도 통과하여 자체 간섭을 일으키거나 적절하지 않게 하고 화면 전체에 퍼진 확률 패턴으로 감지기에 도달합니다. 그 순간, 파동은 '붕괴'되고 화면 상의 위치가 확률에 따라 무작위로 선택되는 입자로 다시 바뀝니다. 이것을 '파동 함수의 붕괴'라고 합니다. 전자는 파동으로 이동하지만 입자로 도착합니다.

 

그러나 파도는 확률 그 이상을 전달합니다. 양자 엔티티가 스핀 업 또는 스핀 다운될 수 있는 전자와 같이 있을 수 있는 상태에 대한 선택권이 있는 경우, 두 상태 모두 파동 함수, '상태의 중첩'이라고 하는 상황 및 상태에 어떻게든 포함됩니다. 개체가 탐지 지점에 정착하거나 다른 개체와의 상호 작용도 파동 함수가 붕괴되는 순간에 결정됩니다. Werner Heisenberg는 1955년 세인트앤드루스 대학에서 한 강의에서 '가능한 것'에서 '실제적인 것'으로의 이행은 관찰하는 동안 일어난다고 말했습니다.

이것은 마치 전자와 같은 것들이 실제로 이와 같이 행동하는 것처럼 양자 행동을 계산하는 방법으로 작동합니다. 그러나 그것은 또한 많은 수수께끼를 낳기도 합니다. 가장 당혹스러운 것 중 하나는 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 꿈꾸는 이른바 '지연된 선택' 실험입니다. 그는 두 개의 구멍으로 실험을 통해 광자가 한 번에 하나씩 빨간색일 때 여전히 검출기 화면에 간섭 패턴을 형성한다는 사실에서 출발했습니다. 그러나 CI에 따르면 광자가 어느 구멍을 통과하는지 모니터링하기 위해 두 개의 구멍과 검출기 화면 사이에 장치를 배치하면 간섭 패턴이 사라지고 각 광자가 실제로 구멍 중 하나만 통과했음을 보여줍니다.

'지연된 선택'이 나오는 이유는 광자 가 두 개의 구멍이 있는 화면을 통과 한 후 광자를 모니터링할지 여부를 결정할 수 있기 때문 입니다. 물론 인간의 반응은 이를 수행할 만큼 빠르지 않습니다. 그러나 광자가 구멍을 통과한 후 모니터를 켜거나 끄는 자동 모니터링 장치로 실험이 수행되어 정확히 이를 수행했습니다. 그들은 광자를 모니터링할 때 간섭 패턴이 실제로 사라지는 것을 보여줍니다. 즉, 각 광자(또는 확률 파동)는 하나의 구멍만 통과합니다. 이는 광자를 모니터링하기로 결정한 것이 구멍을 통과한 후에만 이루어졌음에도 불구하고입니다.

베르너 하이젠베르크

Wheeler는 문자 그대로 우주 규모에서 유사한 실험을 상상할 수 있다고 지적했습니다. 중력 렌즈 현상으로 알려진 현상에서 퀘이사와 같은 멀리 있는 물체의 빛은 은하와 같은 간섭 물체의 중력에 의해 초점이 맞춰져 중력 렌즈 주변의 두 개(또는 그 이상) 경로를 따릅니다. 이것은 지구에 있는 감지기에서 물체의 두 이미지를 만듭니다. 원칙적으로 두 개의 이미지를 만드는 대신 중력 렌즈 주위에서 서로 다른 방향으로 들어오는 빛을 병합하여 렌즈 주위로 양방향으로 가는 파동으로 인해 발생하는 간섭 패턴을 만드는 것이 가능합니다. 두 개의 구멍이 있는 실험의 우주 버전.

그러나 그러면 우리는 광자가 렌즈 주위에 어느 방향으로 왔는지 보기 위해 간섭 패턴을 만들 기회를 얻기 전에 광자를 모니터링할 수 있습니다. 이 경우 실험실 규모의 실험 결과에 따르면 간섭 패턴이 사라질 것입니다. 퀘이사는 100억 광년 떨어져 있고 중력 렌즈 역할을 하는 은하는 50억 광년 떨어져 있습니다. 그러나 실험을 통해 우리가 알고 있는 모든 것에 따르면, 광자가 수십억 년 전과 수십억 광년 떨어진 곳에서 무엇을 하고 있었는지는 우리가 지금 여기에서 측정하기로 선택한 것에 의해 영향을 받습니다. 무슨 일이야? Wheeler 자신이 말했듯이 'Copenhagen Interpretation'은 우리에게 그런 것을 묻지 말라고 명령합니다(*Philip Ball 인용). 그렇게 훌륭하지 않습니다.

본질적으로 코펜하겐 해석은 양자 개체가 측정될 때까지 특정 속성, 즉 어떤 속성도 갖지 않는다고 말합니다. 이는 측정을 구성하는 요소에 대한 모든 종류의 질문을 제기합니다. 인간의 지능이 관여해야 합니까? 아무도 보고 있지 않으면 달이 거기에 있습니까? 우주가 존재하는 이유는 인간이 그것을 알아차릴 만큼 지능이 있기 때문입니까? 아니면 검출기와 양자 엔티티의 상호 작용이 측정으로 간주될까요? 아니면 그러한 극단 사이에서 양자 세계와 오래된 뉴턴 물리학의 '고전적' 세계 사이의 경계를 찾을 수 있을까요?

 

슈뢰딩거가 고양이를 죽일 준비가 된 악마 같은 장치를 사용하여 방에 갇힌 고양이에 대한 그의 유명한 퍼즐(그는 독일어로 '상자'가 아니라 '방'을 의미함)을 생각해낸 것은 바로 이런 종류의 우려 때문이었습니다. , 그러나 상태의 50:50 중첩에 있습니다. 그의 예를 업데이트하여 방의 탐지기가 전자의 스핀을 측정한다고 상상해보십시오. 그것이 켜져 있으면 장치가 트리거되고 고양이가 죽습니다. 그것이 아래에 있다면 고양이는 안전합니다.

전자는 측정되기 전에 상태의 중첩 상태에 있습니다. 그러나 방 안에는 탐지기가 작동했을 때 어떤 일이 일어나는지 볼 사람이 아무도 없습니다. 그러면 파동 함수가 붕괴될까요? 그렇지 않을까요? 고양이는 누군가가 방의 문을 열어 들여다보기 전까지 죽은 상태와 살아있는 상태의 중첩 상태에 있는 것일까요?

 

이 아이디어에 대한 내 자신의 발전은 내가 슈뢰딩거의 새끼 고양이라고 부르는 고양이의 자손(살아 있다고 가정) 중 두 마리를 포함합니다. 슈뢰딩거 고양이의 이 일란성 쌍둥이 딸들은 생활에 필요한 모든 것과 가지고 노는 장난감이 제공되는 동일한 우주 캡슐에 살고 있습니다. 캡슐은 튜브로 연결되어 있으며 튜브 중앙에는 단일 전자가 들어 있는 상자가 있습니다. 전자파는 상자를 고르게 채웁니다. 칸막이를 아래로 밀어 상자를 둘로 나누고 두 캡슐을 분리합니다. 각 캡슐은 전자파의 절반을 포함하는 상자에 연결되어 있습니다. 두 개의 캡슐은 이제 정확히 같은 속도로 반대 방향으로 몇 광년 떨어져 있을 때까지 별도의 긴 여행을 합니다.

 

일정 시간이 지나면(각 경우에 동일한 시간일 필요는 없음) 각 캡슐의 하프 박스는 자동 장치에 의해 열립니다. 전자가 있으면 이제 다 자란 고양이는 죽습니다. 그렇지 않으면 고양이가 산다. 그러나 무슨 일이 일어나고 있는지 아는 지적인 관찰자는 없습니다. 그렇다면 고양이는 이제 각각 중첩되어 있습니까? 지나가는 우주선에 있는 지적인 외계인이 캡슐 중 하나를 포착하고 내부를 살펴보고 죽은 고양이나 살아있는 고양이를 봅니다. 그 시점에서 각 캡슐의 파동 함수가 붕괴되어 외계인이 보는 것이 2광년 떨어진 다른 고양이의 운명을 결정하는 것일까요?

네, 코펜하겐의 해석에 따르면 그렇습니다.