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안녕하세요.

이 글에서는 약 2주동안 찾아본 양자역학에 대해 설명하겠습니다.

1. 5차 솔베이 회의와 그 이후

 

 

 

아주 유명한 사진이죠. 마리퀴리, 닐스보어, 디랙, 슈레딩거, 아이슈타인 등이 침석한 5차 솔베이 회의입니다.( 출처: 구글 이미지검색)

참가한 29명 사람들 중 무려 17명이 노벨상 수상자였던 5차 솔베이 회의

보어는 여기서 양자역학을 발표하지만, 아무도 그 이론을 이해하지 못했습니다.

그러자 보어는 일대일 설득 전략을 펼쳤습니다.

한명씩 붙잡아서 설명하는 방법으로 마침내 (거의) 모든 학자들에게 양자 역할을 설명하고 설득했습니다.

 

그러나 천재 물리학자, 아인슈타인은

보어, 하이젠브르크가 주장한 '코펜하겐 해석' 을 반박합니다.

('코펜하겐 해석'은 양자역학 해석중 하나로 이 글의 전체 내용입니다.)

그래서 그는 '변형이중슬릿 실험' 사고실험을 제기합니다.

 

이중슬릿 실험이란?

두 개의 슬릿을 만들어놓고 그 속으로 (빛/전자)가 쏘아집니다. 그러면 마지막에 스크린을 두어서 전자가 떨어진 위치를 계산합니다.

그러면, 스크린에는 간섭무늬 모양이 뜹니다.

 

'변형이중슬릿 실험'이란? 이중슬릿과 비슷하지만 진회된 실험입니다.

슬릿(틈(구멍))이 용수철로 연결되 있어 움직이게 하여 입자가 위로 가는 경로를 알 수 있게 되고

거기에서 생기는 간섭무늬를 볼 수 있게 됩니다.

이것은 보어의 상보성원리에 위배됩니다.

하지만 이중슬릿이 정지해 있다면 위치의 불확정성과 운동량의 불확정성은 0이 되는데

이는 불확정성의 원리에 위배됩니다.

 

변형이중슬릿실험에 대한 반박을 받자,

아인슈타인은 무려 3년을 연구해 다시 반격합니다.

 

2. 6차 솔베이 회의와 그 이후

아인슈타인은 상자 속의 시계 실험을 새롭게 고안합니다.

 

'상자속의 시계 실험이란?'

금속 상자 안에 시계가 움직이고 상자를 열고닫는 셔터가 연결되어 있습니다.

그리고 위에는 민감한 용수철이, 아래에는 추가 있습니다.

그리고 옆에는 눈금자가 있어서 질량을 정확하게 알 수 있습니다.

 

이 상태에서, 광자 (원자로 치면 전자 같은 것)하나가 상자에 들어 있습니다.

그 셔터가 딱 광자 하나만 빼고 닫습니다.

 

그러면 우리는 광자가 빠져나간 시간과 에너지(질량을 아니까 e=mc^2에 따라서)를 동시에 알 수 있습니다.

이것은 불확정성원리에 위배됩니다.

 

 

불확정성의 원리란 ( + 상보성의 원리)

이 글에서 여러 번 나옵니다.

이 원리는 위치의 불확정성에 운동량의 불확정성을 곱하면 플랑크 상수보다 작을 수 없다는 것입니다.

플랑크 상수는 전자의 움직임이 보이는 최소거리입니다. (약 6.6)

만약에 우리가 파장이 긴 전파를 쏜다면 그 안에 있는 입자가 움직인 거리는 알 수 있지만 공간이 넓어서 정확하게 측정하지 못합니다.

만약에 우리가 파장이 짧은 전파를 쏜다면 그 안에 있는 입자가 부딪인 곳은 알 수 있지만 곧 튕겨나가서 운동량을 정확히 알지 못합니다.

(여기서 입자는 전자라고 묘사했으나 전자는 항상 입자는 아닙니다.)

여기서 상보성의 원리가 생겨났는데 전자는 입자와 파동의 성질을 둘 다 가지고 있고 우리는 그중 하나밖에 측정하지 못한다는 것입니다.

 

3. 아인슈타인이 제안한 상자 속의 시계 실험의 허점

보어는 이 실험을 보고 놀라서 6차 솔베이 회의 거의 내내 불안해했고 이 실험을 반박하기 위해 밤을 샜습니다.

그렇게 밝혀낸 허점은 아래와 같습니다.

 

- 허점 1:우리가 관측하기 위해서는 빛이 필요한데 우리가 그 시계를 볼 때 빛이 들어가 질량을 정확히 알 수 없다.

- 허점 2:눈금자는 빛의 의해 아주 미세하게 흔들려서 질량을 정확하게 잴 수 없다.

- 허점 3:아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 질량이 있으면 시간은 느리게 가니 시계의 시간은 느리게 간다.

 

이렇게 양자 역학이 시작되었습니다.

 

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주요 용어 설명 (양자중첩, 양자도약, 양자얽힘)

1) 양자중첩이란?

양자중첩을 예를 들어 보겠습니다.

상자 안에 전자가 있다고 하면 우리는 그 전자가 어디 있는지 모릅니다.

양자역학은 그 상태를 이렇게 설명합니다.

'전자는 상자 안의 모든 곳에 확률로 중첩된 채 존재하고 우리가 관측되는 순간 하나의 상태로 정해진다.'이것이 양자중첩이고요,

 

2) 양자 도약

양자도약은 순간이동입니다.

불확정성의 원리에서 플랑크 상수를 설명했는데 그 플랑크 상수가 전자가 순간이동한 거리입니다.

전자의 움직임은 불연속적이거든요.

 

3) 양자 얽힘

양자얽힘은 두 양자가 얽혀 있는 상태를 말합니다.

예를 들어, 어떤 두사람이 서로서로 지퍼백을 들고있고, 그 속에는 서로서로 얽혀 있는 양자공이 있습니다.

만일 하나가 스핀-업이면 다른 쪽은 스핀-다운 입니다.

이때, 다른 한쪽이 스핀 업 또는 스핀 다운으로 결정되는 때는 우리가 그 반대편을 열었을 때입니다.

자, 그러면 두 사람이 한 사람은 지구에, 한 사람은 4억 광년 떨어진 어떤 곳에 있다고 가정합시다.

그런 다음, 지구에 있는 사람이 통을 열었더니 반대편 사람은 스핀-다운인지 스핀-업인지 결정되었습니다.

양자역학에서는 또 두 상태(스핀-업과 스핀-다운)가 중첩되 있다가 우리가 관측하는 순간 한 사람의 것이 정해지고 즉시 다른 쪽은 무엇인지 정해집니다.

이 정보는 빛보다 빠르게 갑니다. 이것은 특수상대성원리 세 번째 논문에 위배됩니다.(그래서 아인슈타인은 이것으로 양자역학을 공격했습니다.)

 

출처: 이것 저것 찾아보고 정리한 내 생각

이상 임은규 기자였습니다!