퀀텀의 특징
초월성( quantum transcendence) : 초능력
- 무한자이며 초월자임
- 자기 모먼트 운동, 토러스, 볼텍스 운동
- 중첩(quantum superposition) : 다차원성
- 이중성 (quantum duality ) - 입자(유한자)와 파동, 무한자와 유한자, 천지의 이중성, 음과 양
- 쌍생성과 소멸 ( Pair production - annihilation)
- 얽힘(quantum - entanglement)
- 결맞음 (quantum- coherence)
- 초유동성( superfluid ) 과 -초전도성( superconductivity)- 거시양자역학
- 토폴러지운동 (생성과 퇴화)
양자 초월성( quantum transcendence) - 파이와 자연상수
종래에는 철학적 종교적인 관점에서 해석
이러한 성질을 가장 정확하게 설명한 분이 바로 플라톤이다. 우주의 창조자인 데마고기와 신적 존재 언급
- 빅뱅
- 광자의 힘
- 초유동성, 초전도성
- 강력
- 에너지 보존
- 에너지는 우주공간에 어디든지간다.
- 없다는개념은 상대적인 것이다.
- 에너지는 특정차원에 제한되지아니한다.
- 빛의 흠름을 중심으로 하여 수와 기하학이 그를 증거하거나 평가하는 주요한 수단이 됩니다.
- 10진법과는 다른 연산법이 적용된다.
원방각이론 이나 플라토기하학
- 무한자의 집합 연산
- 크기 비교가 의미없다.
- 시공간과 물질이 에너지로 통합된다. = 아인슈탄의 상대성이론
- 에너지 운동법칙에 근거하여 운동한다.
보존법칙
열역학과 백터운동
1. 양자 중첩quantum superposition - 무차원적 존재
적어도 중력외에 자기 모먼트 운동 즉 자성과 강자성 상자성의 개념이 적용되어야 합니다.
현대물리학에서 유명한 보어-판레이우언 정리에 따르면 자성은 고전물리학으로는 설명할 수 없다.
고전물리학의 영역에는 근대 물리학과 아인슈타인의 물리학까지 포함하는 경우가 있으나 아인슈타인은 제외하는 경우도 있습니다.
즉, 양자역학은 반자성, 상자성, 강자성을 설명하고 측정하는 것이 가능하다.
강자성은 양자역학에서 등장하는 두 가지 효과의 직접적인 영향을 받아 발생되는데, 이 두 가지 효과가 바로 스핀과 파울리 배타 원리이다. 이를테면 전자의 스핀은 자기모멘트로 나타나고, 이것이 전자 주위에 작은 자기장을 형성시킨다.
고전적으로 전자는 전하를 가진 공이 자전하고 있는 형태로 시각화할 수 있지만, 스핀은 양자역학 고유의 성질이므로 전자가 별개의 위/아래(up/down) 상태로 양자화된다는 사실 등처럼 고전적인 모형과는 차이가 있다.
고전적으로 전자는 원자핵 주위를 원운동하기 때문에 전자의 원자핵에 대한 오비탈 각 운동량 역시 강자성의 원인이 된다.
하지만 실제로 오비탈 각운동량이 강자기성에 기여하는 정도는 미미하며, 주된 원인은 원자 안의 전자의 스핀이다.
이렇게 형성된 원자 단위의 작은 자기 쌍극자들이 같은 방향으로 정렬할 때 작은 자기장들이 합쳐지면서 측정할 수 있을 정도의 거시적인 장을 만든다.
하지만 전자껍질에 전자가 모두 채워진 물질의 경우, 전자들이 위와 아래 스핀의 쌍으로 채워져 있으므로 전자의 쌍극자 모멘트의 합이 0이 된다.
쌍을 이루지 못한 전자(홀전자)가 있어 전자껍질이 가득 차지 않은 원자에 대해서만 알짜 자기 모멘트를 가지므로 강자성은 홀전자를 가진 원자(혹은 이로 이루어진 물질)에 대해서만 일어난다.
에 의하면 오비탈에 전자가 채워질 때는 가능한 홀전자가 많도록 하기 위해 같은 방향의 스핀(평행한 스핀)이 많도록 우선적으로 훈트의 규칙에 의거하여 채워진다. 훈트의 규칙이란 다전자 원자에서 전자가 채워지는 3가지 규칙 중 하나이다. 나머지는 쌓음 원리, 파울리 배타 원리가 있다.
이런 규칙으로 인해 물질의 총 자기모멘트는 증가하는 방향으로 나타나게 된다. 이러한 쌍을 이루지 못한 쌍극자들은(간단히 '스핀'이라고 할 수도 있는데, 각운동량에 의한 효과가 미미하기 때문이다.) 외부 자기장에 평행하게 정렬하려는 경향을 가지는데, 이러한 효과를 상자성이라고 한다.
강자성 물체의 경우 상자기성 물체의 이와 같은 성질을 공유하지만, 외부 자기장이 사라진 상태에서도 쌍극자들이 자발적인 자화 현상을 일으킨다는 점에서 상자기성 물체와 구분된다.
보어-판레이우언 정리(Bohr–van Leeuwen theorem)는 통계 역학 분야의 한 정리이다. 이 정리에 의하면, 고전 역학과 통계 역학을 동시에 적용하였을 때, 자화 정도의 열 평균은 항상 0이 된다.[1] 따라서, 고전 역학으로는 반자성, 상자성, 강자성과 같은 고체의 자성을 설명할 수 없고, 양자 역학으로만 설명할 수 있다
현재 "보어-판레이우언 정리"로 알려진 이 정리는 1911년 닐스 보어(Niels Bohr)가 박사 학위 논문에서 처음으로 언급하였다.[3] 이후 1919년 헨드리카 판레이우언(네덜란드어: Hendrika Johanna van Leeuwen)가 자신의 박사 학위 논문을 집필하는 과정에서 재발견하였다.[4]
1932년에는 물리학자 존 판블렉(John Hasbrouck van Vleck)이 이 정리를 공식화하였으며, 보어가 작성한 전기 감수율과 자화율에 대한 책에 등장한 초기 정리를 토대로 정리를 확장하였다.
이 정리는 고전 역학으로는 반자성, 상자성, 강자성과 같은 일련의 자기 현상을 설명할 수 없다는 것을 밝혀내었고, 이를 설명하기 위해서는 양자 역학과 상대성 이론이 필요하다는 점을 밝혀냈다는 점에서 중요한 정리이다.
이 정리의 결과는 보어가 1913년 수소 원자의 보어 모형을 고안하는데 영향을 주었을 것으로 추정된다.
2. 양자 중첩quantum superposition - 무차원적 존재
중첩 원리(重疊原理, Superposition principle)는 선형 미분 방정식의 해의 선형 결합(Linear combination of linear differential equation's solution)이 선형 미분 방정식의 또다른 해(Another solution of linear differential equation)가 된다는 원리다. 물리학에 등장하는 많은 미분 방정식 (파동 방정식, 라플라스 방정식, 슈뢰딩거 방정식, 맥스웰 방정식 등)은 선형 방정식이므로, 주어진 문제의 해를 이미 알고 있는 여러 개의 기본적 해의 중첩으로 나타낼 수 있다.
중첩이란 무엇입니까?
중첩은 양자 시스템이 측정될 때까지 동시에 여러 상태에 있을 수 있는 능력입니다.
개념이 이해하기 어렵기 때문에 양자 역학의 이 필수 원리는 종종 1801년 영국 물리학자 토마스 영이 수행한 실험에 의해 설명됩니다. Young의 이중 슬릿 실험은 빛이 파동으로 구성되어 있음을 증명하기 위한 것이었습니다. 오늘날 이 실험은 사람들이 전자가 파동처럼 작용하고 간섭 패턴을 생성할 수 있는 방식을 이해하도록 돕는 데 사용됩니다.
이 실험에서 광선은 두 개의 수직 슬릿이 있는 장벽을 겨냥합니다. 빛은 슬릿을 통과하고 결과 패턴은 사진판에 기록됩니다. 하나의 슬릿이 덮일 때, 패턴은 예상할 수 있는 것, 즉 열린 슬릿과 정렬된 단일 빛의 선입니다.
직관적으로 두 슬릿이 모두 열려 있으면 빛의 패턴이 슬릿과 정렬된 두 줄의 빛을 반사할 것으로 예상할 수 있습니다. 사실, 사진판은 다양한 정도로 밝음과 어두움의 여러 선으로 분리됩니다.
이 결과에 의해 설명되는 것은 슬릿을 통과하는 파동 사이에 간섭이 발생하고 있다는 것인데, 겉보기에는 두 개의 교차하지 않는 궤적이어야 합니다. 각 광자는 두 슬릿을 모두 통과할 뿐만 아니라; 동시에 사진판으로 가는 도중에 가능한 모든 궤적을 찍습니다.
어떻게 이런 일이 일어날 수 있는지 알아보기 위해 다른 실험은 개별 광자의 경로를 추적하는 데 중점을 두었습니다. 놀랍게도, 측정은 어떤 식으로든 광자의 궤적을 방해하고 어떤 식으로든 실험 결과는 고전 물리학에서 예측할 수 있는 것이 됩니다: 사진판에 있는 두 개의 밝은 선, 각각 장벽의 슬릿과 정렬됩니다. 이로 인해 과학자들은 중첩을 직접 관찰 할 수 없다는 결론을 내렸습니다. 결과인 간섭만 관찰할 수 있습니다.
컴퓨팅에서 중첩의 개념은 미래에 정보가 처리되고 저장되는 방식에 중요한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 오늘날의 고전적인 컴퓨터는 전등 스위치를 켜거나 끄는 것과 유사하게 1 또는 0의 비트 단위로 정보를 처리합니다. 그러나 미래의 양자슈퍼컴퓨터는 정보를 큐비트(1, 0 또는 두 상태의 중첩)로 처리할 것입니다.
모든 양자상태는 중첩으로 존재할 수가 있다.
299792458 = 17314.51581766^2 2997924580= 54753.3065668184^2
√(2.99792458=1.7314515818>134,400
√(29.9792458=5.4753306567>79,380,000
√(299.792458=17.3145158177>823,200
√(2,997.92458=54.7533065668>544,320,000
√(29,979.2458=173.1451581766>4,233,600
√(299,792.458=547.5330656682>1,088,640,000
√(2,997,924.58=1,731.451581766>4,233,600
√(29,979,245.8=5,475.3306566818>4,354,560,000
√(299,792,458=17,314.51581766>4,233,600
√(2,997,924,580=54,753.3065668184>17,418,240,000
√(29,979,245,800=173,145.1581766005>2,116,800,000
362880^2= 131681,894,400> 16588800
32400^2= 1049760000
원의 중첩
원의 둘레면적 : 2π^2×r^3
19.7392088022×0.91^3=14.8748953163>17,418,240
스피어 체적 상수
52.6378901388
반지름 0.56의 스피어 체적
52.6378901388×0.56^5=2.8989358721>17418240
물리적 해석
평범한 일상의 사물과 사건이 중첩과 같은 양자 역학적 특징을 나타내지 않는 것처럼 보이는 이유를 묻는 것은 당연합니다. 사실, 이것은 때때로 리처드 파인만 (Richard Feynman)과 같은 "신비한"것으로 간주됩니다. [21] 1935년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 현재 슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)로 알려진 잘 알려진 사고 실험을 고안하여 양자 역학과 고전 물리학 사이의 이러한 부조화를 강조했습니다.
한 가지 현대적인 견해는 이 미스터리가 양자 결맞음에 의해 설명된다는 것입니다. [인용 필요] 거시적 시스템(예: 고양이)은 시간이 지남에 따라 고전적으로 구별되는 양자 상태(예: "살아 있는" 및 "죽은")의 중첩으로 진화할 수 있습니다.
이를 달성하는 메커니즘은 중요한 연구의 주제입니다. 한 가지 메커니즘은 고양이의 상태가 환경 상태(예: 고양이를 둘러싼 대기의 분자)와 얽혀 있음을 시사합니다.
환경의 가능한 양자 상태(환경의 양자 상태를 정확하게 제어하거나 측정할 수 없는 한 물리적으로 합리적인 절차)에 대해 평균을 구하면 고양이에 대한 결과 혼합 양자 상태는 고전적인 관찰자가 이 상황에서 예상하는 것처럼 고양이가 죽거나 살아 있을 확실한 확률이 있는 고전적인 확률적 상태에 매우 가깝습니다.
제안된 또 다른 이론 부류는 근본적인 시간 진화 방정식이 불완전하고 어떤 유형의 근본적인 Lindbladian의 추가가 필요하다는 것입니다.,
이 추가의 이유와 추가 용어의 형식은 이론마다 다릅니다.
대중적인 이론은 Lindblad 용어가 상태의 공간적 분리에 비례하는 지속적인 자발적 현지화입니다. 이것 역시 준고전적 확률적 상태를 초래합니다.
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더 많은 중첩 응용 프로그램
중첩은 양자 물리학의 분야를 넘어 일상 생활로 확장됩니다. 다음은 매일 중첩을 관찰할 수 있는 몇 가지 방법입니다.
- 우리가 만들어내는 모든 소리는 서로 다른 파장의 중첩이 서로 다른 톤을 만들기 위해 모입니다. 악기를 연주할 때 더욱 느낄 수 있습니다.
- 햇빛(백색광)은 서로 다른 빛의 파장이 중첩되어 붕괴될 때 무지개를 형성합니다.
- 전기 공학에서 여러 전원이 있는 회로가 있는 경우 한 번에 하나의 전원을 사용하여 회로를 분석하여 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.
- 지질학자들은 암석층의 상대적 나이를 결정하기 위해 중첩을 사용합니다. 암석 층이 겹쳐져 있기 때문에 가장 오래된 암석 층이 맨 아래에 있고 가장 어린 암석 층이 맨 위에 있습니다.
전기 회로 분석
중첩 원리는 여러 개의 독립된 전원(Several independent source)이 존재하는 선형 회로망(Linear network)을 해석하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 여러 개의 전원을 갖는 임의의 선형수동회로(Linear passive circuit)에서 임의의 저항에 인가되는 전압과 흐르는 전류는 각 독립된 전원에 의한 전압과 전류의 대수적인 합과 같다. 이 때 해당 전원을 제외한 나머지 독립된 전압원(Independent voltage source)인 경우에는 단락회로(Short circuit)로 대체되고, 전류원(Independent current source)인 경우에는 개방회로(Open circuit)로 대체된다고 가정하고 새로운 등가회로(Equivalent circuit)에 의해 회로를 해석하는 방법이다.
간단한 예로 A라는 사람이 하루에 한 일과 B라는 사람이 하루에 한 일을 합한 량과 이 두 사람이 힘을 모아 함께 하루에 한 일의 량이 같다면 중첩의 원리가 성립된다. 중첩의 원리란 A라는 인자가 일으킨 현상과 B라는 인자가 일으킨 현상을 합한 것은 A와 B 두 인자가 함께 일으킨 현상과 동일하다는 것을 의미한다.
중첩의 원리는 어떠한 현상과 이 현상과 연관된 인자 사이의 관계가 선형적(linear)인지 아니면 비선형적(nonlinear)인지를 판단하는 기준이 된다. 우리 주변에서 발생하는 모든 현상들은 거의 대부분 중첩의 원리를 따르지 않는다. 다시 말해 선형적인 거동을 나타내는 현상은 거의 존재하지 않는다는 의미이다.
예를 들어 좌측 끝단이 벽에 고정되어 있는 보(beam) 형상 부재의 우측 끝 단에 10이라는 힘으로 눌렀을 때 우측 끝 단이 아래로 변형되는 량이 100라고 가정하자. 중첩의 원리가 적용된다면 20이라는 힘으로 누를 경우에는 우측 끝 단이 아래로 변형되는 량은 200이 되어야 한다. 왜냐하면 20이라는 힘으로 누르는 경우는 각기 10이라는 힘으로 누르는 두 경우를 중첩하는 것과 동일하기 때문이다. 하지만 20이라는 힘으로 누르게 되면 이 보다 다른 변형값을 나타내기 때문에 중첩의 원리를 적용할 수 없다.
중첩의 원리가 적용되는 문제는 유한요소 해석(finite element analysis)을 통해 매우 효과적으로 풀 수 있다. 기존에 유한요소 해석을 통해 구한 해석결과들을 중첩함으로써, 원하는 결과를 빠른 시간 내에 간단히 구할 수 있기 때문이다.
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1. 파동의 중첩 :
두 개 이상의 파동이 진행 중에 서로 만나 파동들의 변위가 합성되어 모양이 변한다.
① 위상이 같은 두 파동이 만나면 진폭은 두 파동의 진폭의 합과 같다.
② 위상이 반대인 두 파동이 만나면 진폭은 두 파동의 진폭의 차와 같다.2013. 9. 7.
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다차원의 중첩의 원리
중첩원리는 다차원의 개념으로 확장이 가능하다.
우리가 살고 있는 현실을 다차원이 중첩된 것이다.
다차원의 중첩원리를 구체적으로 설명한 것이 바로 끈이론이다.
즉 현실세계는 10차원 세계가 중첩되어 있다는 점을 강조한다.
위 그림은 나머지 6차원 공간을 3차원 공간에 표현한 것이다.
이 6차원 공간은 좁은 구역에 아주 작게 말려있어 우리 눈에는 보이지 않는다.
영(0)차원 점을 한 방향으로 연결해 나가면 1차원 선을 만들어 낼 수 있다.
선을 그 선에 수직인 한 방향으로 쌓아나가면 2차원 면을 얻을 수 있다.
또 그 면에 수직인 방향으로 면을 쌓아 나가면 3차원 입체를 얻을 수 있다.
그러면 정육면체 같은 3차원 입체의 모든 면에 수직인 방향은 존재하는가? 즉 4차원 공간은 존재하는 것일까?
그런 방향을 현실 세계에서 그릴 수 없다. 그러므로 아리스토텔레스는 공간은 3차원 이상 존재하지 않는다고 단호히 말했다.
뉴턴은 그런 4차원 공간이 존재할 가능성이 있음을 직감했지만 자기 상상의 한계를 벗어나 있음을 알고 그 당시 버클리 주교에게 편지로 고민을 솔직히 자백한다.
수학의 세계는 3차원의 모든 방향에 수직인 방향을 그려내고 4차원 공간이라 칭한다.
그리고 이런 개념을 5차원 6차원, 무한차원까지 확대시킨다. 그러면 왜 현실 세계에서는 4차원 공간을 그릴 수 없는가?
이 질문에 1919년 폴란드의 수학자였던 칼루자는 4번째 차원이 좁은 구역에 축소되어 우리 눈에 보이지 않을 가능성을 처음으로 주장했다.
초끈이론=‘공간 9차원+시간 1차원’을 설명
마음 투영된 삼라만상은 ‘자유자재’로 변해
그러나 이런 다차원의 개념은 반세기 지난 후 끈 이론이 나오면서 꽃피우기 시작했다. 끈 이론의 고전이라 할 수 있는 보조닉 끈이론에서는 26차원, 초끈이론에서는 10차원의 시공간의 개념이 탄생 하였던 것이다. 현대 물리학은 26차원은 어떤 수학적 관계식에 의해 10차원으로 바뀔 수 있고, 우리는 공간 9차원과 시간 1차원인 10차원 세계에 살고 있다고 말한다. 공간 9차원 시간 1차원의 개념은 물리학적 방정식의 결과일 뿐, 외부의 역동적 힘에 의해 이 차원은 달라질 수도 있고 극단적으로 시간 10차원으로만 이루어진 시공간도 가능하다. 왜냐하면 시공간 자체가 우주의 본질적인 요소가 아니기 때문이라고 초끈이론은 말한다.
시간과 공간이 우주의 본질적인 요소가 아니라면 그 근원은 무엇인가? 초끈이론이나 양자 중력이론 같은 최첨단 물리학도 아직 확실한 대답을 하지 못하고 있다. 만약 이런 이론들이 물리적 인과에 의한 방정식으로만 그 해답을 찾으려 한다면 시공의 근원적 요소는 영원히 해결하지 못하는 미궁으로 빠질지도 모른다.
왜냐하면 우주의 근원에는 우리의 마음이 존재하고 있기 때문이다. 필자는 최근 남방 경전에 이런 다차원 공간 개념과 의식 그리고 우주의 근원에 관한 문제가 분명하게 다루어지고 있다는 사실을 발견하고 놀란 적이 있다.
이 경전에 의하면 ‘…숨을 멈추는 단계→ 무한 공간을 상상하는 단계→ 무한 공간에 의식을 투영하는 단계’를 지나 생멸의 2원성을 초월한 우주적 본체로 진입해 들어간다. 현대 과학은 인간의 마음과는 전혀 무관한 물리적 공간 세계를 다루고 있지만 공간의 실체를 이해하려면 우리의 마음을 빼놓을 수는 없다. 삼라만상은 우리 마음의 투영일 뿐이기 때문이다. 그러므로 우리의 마음이 투영된 시공간은 물거품처럼 자유자재한 모습으로 변할 수 있고 적멸의 세계로 사라질 수도 있는 것이다.
‘온 바다는 하나의 물결안에 구현되지만 바다가 움추리는 것은 아니다. 하나의 작은 물결이 넓은 바다를 포괄하지만, 물결이 늘어나는 것도 아니다…두순의 법계관문’이 보여주듯이 마음은 물방울 하나에도 바다 전체에도 존재하는 것이다.
그러므로 시공의 모든 경계가 사라지고 융섭.융통하는 무한 법계를 이룰 수 있다. 하나의 물방울과 바다 전체는 파도 속에서 그 의미를 상실하고 파도가 멈춘 후 정적의 세계로 사라진다.
이상의 4가지를 특징으로 하여 고전역학은 결정론적인데 비하여 퀀텀역학은 우연성을 배제하지 않으며 확률론적인 입장을 가진다.
즉, 고전역학은 현재의 상태를 정확하게 알고 있다면 미래의 어느 순간에 어떤 사건이 일어날지를 정확하게 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취한다. 고전역학은 인과법칙을 따르고 우연성을 배제한다.
양자역학의 주인공은 광자 중력자 전자 글루온 w보손 z보손과 힉스의 6개보손은 아주 핵심되는 양자역학의 주인공들입니다.
우주만물은 질량이 없는 상태에서 질량을 가지게되는 것인데 질량이 없는 상태를 빛이라고 하고 빛의 에너지 덩어리가 모인 것이 12개의 페르미온양자들입니다.
우주만물은 빛입자들을 중심으로하는 18개의 양자이 모이고 흩어지는 결과라는 점입니다.
이 모이는 과정에서 다양한 현상들이 생깁니다.
3. 퀀텀(quantum)의 이중성 - 입자(유한자)와 파동(무한자)의 이중성
퀀텀역학에서 퀀텀의 실체가 실험 상황에 따라 입자 또는 파동 특성을 나타낸다는 개념입니다.
1900년경에는 빛은 파동이고 전자와 원자가 입자라는 식으로 잘못 이해되었습니다.
더 깊은 실험을 통해서 모든 퀀텀들이 입자이자 동시에 파동의 이중성이라고 실험적 증거를 확인하였습니다.
이후에 빛의 양자화와 전자의 파동 거동을 수용하면서 과학적 사고에 큰 변화가 있었고, 이 모든 것이 파동-입자 이중성의 개념으로 이어졌습니다.
모든 퀀텀은 파장이기도 하고 입자기기도 하다는 것입니다.
모든 존재는 유한자이면서 동시에 무한자가되는 셈입니다.
파동과 입자로 행동하는 전자
반지름스피어 체적=3628800
0.6378901388×7^5=10,721.0195628116>36,288,000
classical electron radius 2.817 940 3262 e-15 0.000 000 0013 e-15 m (48) 2,903,040 (8,467,200) 8,709,120
전자 이중 슬릿 실험은 파동-입자 이중성에 대한 교과서적인 시연입니다.
실험의 최신 버전은 아래 그림에 개략적으로 나와 있습니다.
4. 쌍 생성과 소멸 ( Pair production - annihilation)
최소 초대칭 표준 모형( Minimal Supersymmetric Standard Model, 약자 MSSM)은 표준 모형에 초대칭과 R반전성을 최소한으로 가미하여 얻은, 기본입자를 다루는 이론이다.
아직 실험적으로 검증되지 않았고, 대형 강입자 충돌기에서 검증을 위한 실험들이 진행 중이다.
MSSM은 1981년에 그리스의 사바스 디모풀로스(Σάββας Δημόπουλος)와 미국의 하워드 조자이가 계층 문제를 풀기 위하여 도입하였다.
이 말이 무엇을 의미하는가? 간단하게 해석하면...
양자역학의 이론은 처음 플랑크에 의하여 플랑크 상수가 정립되면서 양자방정식이 정립되고
기본양자의 수가 18개가 발견되었습니다.
그래서 이를 표준모형화하면서 비로소 양자역학이 정립되었습니다.
그런데 무제는 이 표준모형이 여러가지의 문제점이 발견되고 한계가 드러나게됩니다.
6가지 정도의 문제점이 드러납니다만 이중에서 이른바 계층문제가 있다는 것입니다.
계층문제란 18개의 양자들간의 에너지 질량이 서로 디쭉박쭉이라는 겁니다.
둘쑥날 쑥한 정도가 너무 사식밖이라는 겁니다.
이를테면 페르미온 입자와 보손입자들간의 상호관계에서 100배 이상 너무 차이가 생깁니다.
이문제를 해결함으로서 표준모형의 문제점을 해결하게됩니다.
여기서 등장하는 것이 바로 쌍생성과 쌍소멸의 물리학적인 현상입니다.
광자의 생성과 소멸과정을 중심으로 보자면...빛 광자인 X-선과 감마선의 물질과 상호작용하는 주된 방법은 세가지가 있다.
이 세 경우 모두에서 광자에너지는 전자에게 전달이 되고, 전자는 다시 흡수물질의 원자에게 에너지를 잃어버립니다.
광자에너지가 낮을 대는 광전자 효과가 에너지 손실의 주된 원인입니다.
에너지가 높아지면 높아질 수록 광전자 효과는 약하지며 콤프턴 산란의 중요성이 높아집니다.
원자번호가 높을수록 광전자 효과의 중요성이 늦게까지 남게됩니다. 무거운 원자에서는 광자에너지가 약 1MeV가까이 되어야 콤프턴 산란이 지배적으로 영향을 미치는 반면 가벼운 원자에서는 수십 KeV에서도 지배적이 됩니다.
광자 에너지가 경계 값인 1.02MeV를 넘어서면 점차 쌍생성이 증가하게 됩니다.
흡수체의 원자번호가 증가할수록 낮은 에너지에서부터 감마선의 주된 에너지 손실 원인은 쌍생성이 됩니다.
가장 무거운 원자에서는 약 4MeV에서 그 중요도가 콤프턴 산란과 교차되지만 가벼운 원자에서는 그보다 더 큰 에너지에서 교차가 됩니다.
따라서 전형적인 방사능 붕괴에 의한 에너지 범위에서의 감마선은 주로 콤프턴 산란으로 물질과 상호작용을 합니다.
특히 초소 초대칭 양자모형은 훈민정음의 음양오행 이나 5운 6기운동과 매우 흡사합니다.
특히 우주의 최초의 물질이 생성되는 과정을 설명하는 양자역학의 힉스장이론과 금척의 마고성의 이론은
바로 최소 초대칭 양자모형에서 접접을 이루고 있습니다.
아래는 이 물리이론인 쌍생성과 쌍소멸이론을 소개합니다.
최소 초대칭 표준 모형( MSSM)은 표준 모형에 초대칭과 R반전성을 최소한으로 가미하여 얻은, 기본입자를 다루는 이론이다.
아직 실험적으로 검증되지 않았고, 대형 강입자 충돌기에서 검증을 위한 실험들이 진행 중이다.
MSSM은 1981년에 그리스의 사바스 디모풀로스(Σάββας Δημόπουλος)와 미국의 하워드 조자이가 계층 문제를 풀기 위하여 도입하였다.
이 말이 무엇을 의미하는가? 간단하게 해석하면...
양자역학의 이론은 처음 플랑크에 의하여 플랑크 상수가 정립되면서 양자방정식이 정립되고
기본양자의 수가 18개가 발견되었습니다.
그래서 이를 표준모형화하면서 비로소 양자역학이 정립되었습니다.
그런데 무제는 이 표준모형이 여러가지의 문제점이 발견되고 한계가 드러나게됩니다.
6가지 정도의 문제점이 드러납니다만 이중에서 이른바 계층문제가 있다는 것입니다.
계층문제란 18개의 양자들간의 에너지 질량이 서로 디쭉박쭉이라는 겁니다.
둘쑥날 쑥한 정도가 너무 사식밖이라는 겁니다.
이를테면 페르미온 입자와 보손입자들간의 상호관계에서 100배 이상 너무 차이가 생깁니다.
이문제를 해결함으로서 표준모형의 문제점을 해결하게됩니다.
여기서 등장하는 것이 바로 쌍생성과 쌍소멸의 물리학적인 현상입니다.
특히 초소 초대칭 양자모형은 훈민정음의 음양오행 이나 5운 6기운동과 매우 흡사합니다.
특히 우주의 최초의 물질이 생성되는 과정을 설명하는 양자역학의 힉스장이론과 금척의 마고성의 이론은
바로 최소 초대칭 양자모형에서 접접을 이루고 있습니다.
아래는 이 물리이론인 쌍생성과 쌍소멸이론을 소개합니다.
쌍생성( Pair production)과 쌍소멸이론 ( Pair annihilation)
아래 그림에서는 과정을 간단하게 파인만 그림으로 나타내었다.
에너지가 작은 쌍소멸의 경우에는 광자의 질량이 0이므로 대부분 광자가 나온다.
그러나 고에너지 충돌에서는 이러한 쌍소멸에 의해 여러 다양한 종류의 무거운 입자도 만들어질 수 있다.
전자·양전자 쌍이외에 양성자·반양성자 쌍이 소멸할 경우는 더 복잡하다.
양성자는 전자와 달리 쿼크 세 개가 결합하여 만든 강입자이기 때문이다.
따라서 양성자와 반양성자가 충돌하면 쿼크와 반쿼크가 만나 소멸하고, 나머지 쿼크와 반쿼크는 다시 재배열 하여 여러 개의 파이온이나 케이온과 같은 중간자가 만들어진다.
새로 만들어진 중간자는 불안정하고 여러 반응을 거쳐 감마선, 전자, 양전자 중성미자로 변환된다.
이런 형태의 반응은 강입자와 반강입자가 만나면 항상 일어난다.
관련이미지
쌍소멸
쌍생성( Pair production)
입자와 반입자가 쌍으로 생성되는 현상. 전자와 양전자의 쌍생성이 가장 흔하다.
전자의 쌍생성을 위해선 전자 질량의 두배(1.02 MeV)가 넘는 에너지가 필요하다.
빈 공간에선 광자의 에너지와 운동량이 보존되어야 하기 때문에 쌍생성은 불가능하다.
광자가 다른 입자와 운동량을 주고받는 경우에 비로소 쌍생성이 가능하다.
1932년 앤더슨이 우주 방사선 실험으로 쌍생성이라는 현상을 발견한다.
1934년 한스 베테와 발터 하이틀러는 광자가 물질과 상호작용하여 쌍생성을 일으키는 충돌 단면적을 계산한다.
계산에 의하면 쌍생성은 브렘스슈트랄룽(제동복사) 대비 7/9 의 단면적를 가진다.
σpair=(7/9)σbrem.
1934년 그레고리 브라이트와 존 휠러는 광자끼리의 충돌로 일어나는 쌍생성(γγ→e+e−)에 대해 연구했다.
이러한 종류의 쌍생성은 브라이트-휠러 과정(Breit-Wheeler proces) 라고 부르며 RHIC이나 LHC에서 중이온끼리 충돌시킬 때나 강력한 레이저를 쬘때 관찰할 수 있다.
쌍소멸이론 ( Pair annihilation)
쌍소멸이란 한 입자가 이에 대응하는 반입자와 충돌하여 소멸하는 과정을 말한다.
전자와 양전자가 충돌하여 소멸하는 과정을 예로 들 수 있다.
이 과정에서 에너지와 운동량이 보존되고, 입자가 소멸된 후 한 쌍의 광자가 나타난다.
반입자는 입자와 정확하게 반대 양자수를 가지고 있으므로, 원래 쌍의 모든 양자수 합은 0이다.
따라서 전체 양자수가 0이고, 에너지와 운동량이 보존되기만 하연 이를 만족하는 어떤 입자도 만들어질 수 있다.
입자와 반입자가 충돌하면 그 에너지는 힘을 전달하는 입자인 글루온, W, Z보손, 혹은 광자로 변환되고,
이 입자들이 또 다른 입자로 변환된다.
상대성이론과 양자역학의 쌍소멸과는 어떠한 차이가 있을까요?
상대성이론 : e = mc^2
광전효과: 299792458 → 2×9×9×7×9×2×4×5×8= 3265920(전자)
다시 부여하자면..
쌍생성이란?
광자는 충돌의 과정을 통해서 자신의 에너지 전부(=광전자 현상) 또는 일부(=콤프턴 효과)를 전자에게 줄 수 있습니다.
또한 광자가 전자와 양으로 대전된 전자인 양전자로 물질화되는 것도 가능합니다.
이러한 과정을 쌍생성이라고 하고 이대 전자기적 에너지가 물질로 전환이 됩니다.
원자핵 근방에서 일어난다면 어떠한 보존법칙에도 위배가 되는것 없이 전자-양전자 쌍이 생성이 됩니다.
전자와 양전자의 전하 합은 0으로 광자의 전하와 같습니다.
정지에너지를 포함한 전자와 양전자의 총 에너지의 합은 광자의 에너지와 같습니다.
그리고 선형 운동량은 원자핵에 의해서 보존이 됩니다. 원자핵은 광자의 운동량 중 이런 반응이 생기기에는 충분한 양의 운동량을 갖고 있지만 에너지는 상대적으로 질량이 매우 크기 대문에 광자의 에너지 중 무시할 만한 정도만 가져갑니다.
자유공간에서는 에너지와 운동량을 동시에 보존시키는것이 불가능하기 대문에 쌍생성이 이루어지지 않습니다.
전자와 양전자의 정지에너지는 모두 0.61MeV입니다. 그렇기 때문에 광자의 에너지가 최소한 1.02MeV이 됭어야 쌍생성이 일어날 수 있습니다. 이 이상의 광자에너지는 전자와 양전자의 운동에너지가 됩니다.
이에 상응하는 광자의 최대 파장은 1.2pm입니다. 이러한 파장을 갖는 전자기파를 감마선이라고 하며 자연 상태로는 방사선 핵 방출의 하나로서 또는 우주선에서 발견이 됩니다.
쌍생성의 역반응은 양전자가 전자에 가까이 위치해 있고 그들의 반대 전하 대문에 서로 접근할 경우에 일어나게 됩니다. 두 입자는 동시에 소멸되고 사라진 질량은 에너지가 되어서 두개의 감마선 광자를 발생시킵니다.
양전자와 전자의 총 질량의 합은 1.02MeV이므로 각각의 광자에너지는 0.51MeV와 질량 중심계에서의 각 입자 운동에너지의 절반되는 값을 더한 값입니다.
에너지와 선형 운동량을 동시에 보존 시킬 수 있는 방향으로 광자를 생성하기 때문에 쌍소멸이 일어나는 데는 핵이나 다른 입자의 영향이 전혀 필요 없습니다.
광자 흡수
빛 광자인 X-선과 감마선의 물질과 상호작용하는 주된 방법은 세가지가 있다.
이 세 경우 모두에서 광자에너지는 전자에게 전달이 되고, 전자는 다시 흡수물질의 원자에게 에너지를 잃어버립니다.
광자에너지가 낮을 대는 광전자 효과가 에너지 손실의 주된 원인입니다. 에너지가 높아지면 높아질 수록 광전자 효과는 약하지며 콤프턴 산란의 중요성이 높아집니다. 원자번호가 높을수록 광전자 효과의 중요성이 늦게까지 남게됩니다. 무거운 원자에서는 광자에너지가 약 1MeV가까이 되어야 콤프턴 산란이 지배적으로 영향을 미치는 반면 가벼운 원자에서는 수십 KeV에서도 지배적이 됩니다. 광자 에너지가 경계 값인 1.02MeV를 넘어서면 점차 쌍생성이 증가하게 됩니다. 흡수체의 원자번호가 증가할수록 낮은 에너지에서부터 감마선의 주된 에너지 손실 원인은 쌍생성이 됩니다. 가장 무거운 원자에서는 약 4MeV에서 그 중요도가 콤프턴 산란과 교차되지만 가벼운 원자에서는 그보다 더 큰 에너지에서 교차가 됩니다.
따라서 전형적인 방사능 붕괴에 의한 에너지 범위에서의 감마선은 주로 콤프턴 산란으로 물질과 상호작용을 합니다.
5. 양자얽힘(quantum - entanglement)
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퀀텀얽힘( quantum entanglement )
멀리 떨어진 두 개체가 즉각적으로 서로의 상태에 영향을 미친다는 이론. 1964년 존 스튜어트 벨이 발표했다. 양자이론 가운데 기이한 특성으로 알려져 있다. 2015년 네덜란드 로날드 헨슨 연구팀이 주도한 국제연구팀이 양자얽힘 현상이 실제 존재한다는 것을 실험으로 입증했다.
한 번 짝을 이룬 두 입자들은 아무리 서로 떨어져 있다 하더라도, 어느 한 쪽이 변동하면 그에 따라 ‘즉각’ 다른 한 쪽이 반응을 보이는 불가사의한 특성을 가지는 데, 양자이론에서는 이 두 입자가 서로 ‘얽혀있다’고 하며 이를 일컬어 ‘양자얽힘’이라고 한다. 1964년 아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)이 이론으로 발표했다. 가령 한 입자의 위치나 운동량, 스핀과 같은 특성을 측정한 순간, 이들이 아무리 멀리 떨어져 있다 하더라도 다른 한 입자의 해당 특성이 ‘즉시’ 바뀌어 입자의 상태를 결정하게 된다는 것이다.
이는 입자가 오직 즉각적인 주위 환경에 의해서만 직접 영향을 받는다는 표준 물리학의 ‘국소성의 원칙’에 위배된다. 때문에 이 이론은 물리학적 연구가 아니라 철학적 연구라고 여겨졌다. 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)도 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 주장하면서 이 이론을 “유령 같은 원격작용”이라며 결코 받아들이지 않았다.
2015년 10월 <네이처>지에 발표된 논문을 통해 ‘양자얽힘’이 실재한다는 강력한 증거를 보여주는 실험결과가 알려졌다. 이 실험은 네덜란드 델프트 공과대학 카블리 나노과학연구소의 물리학자 로날드 핸슨(Ronald Hanson)의 연구팀이 주도했고 스페인과 영국의 과학자들이 참여했다. 연구팀은 델프트 대학 캠퍼스 내부 1.3km 떨어진 거리에 두 개의 다이아몬드를 배치하고 각각의 다이아몬드 전자에 자기적 속성인 ‘스핀’을 갖도록 했다. 실험결과는 한 전자가 업 스핀(예를 들어 반시계 방향으로의 회전)일 경우, 다른 전자는 반드시 다운 스핀(시계 방향의 회전)이 된다는 것을 보임으로써 완벽한 상관관계를 입증했다. 물리학자들은 이 실험을 통해 양자역학 실험이 실제로 가능함을 증명했다는 점에 찬사를 보냈고, 과학저널 <사이언스(Science)>지는 이 실험을 2015년 최고의 과학적 성과 중의 하나로 선정했다.
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양자 얽힘 이론은 유명한 물리학자이자 양자 역학의 창시자 중 한 명인 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schodinger)에 의해 처음 제안 되었다. 1935년 슈뢰딩거는 "Discussion of Probability Relations between Separated Systems"라는 제목의 논문에서 얽힘의 개념을 소개했다. 슈뢰딩거는 얽힌 두 입자의 예를 사용하여 "한 입자의 상태는 다른 입자의 상태와 상관관계가 있다"고 말했다. 그는 또한 양자 시스템의 상태를 설명하는 수학적 함수인 "파동 함수"의 아이디어를 제안했다.
양자 얽힘과 관련된 일화
양자 얽힘과 관련하여 알버트 아인슈타인(Albert Einstein), 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)에 대한 일화가 있다. 1935년에 세 명의 과학자는 "물리적 현실에 대한 양자 역학적 설명이 완전하다고 간주될 수 있는가?"라는 제목의 논문을 발표했다. 그들은 양자 역학이 불완전한 이론이라고 주장했다. 그들은 두 개의 얽힌 입자를 포함하는 사고 실험을 제안하고 그 이론이 국소성의 원칙을 위반한다고 주장했다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 양자 얽힘을 설명하는 유일한 방법은 이론에서 설명되지 않는 숨겨진 변수를 도입하는 것이라고 믿었을 만큼 양자 역학을 인정하지 않았다.
양자 얽힘은 어떻게 작동하는가?
양자 얽힘은 두 입자가 중첩된 상태에 있을 때 발생한다. 이것은 각 입자가 측정될 때까지 동시에 여러 상태로 존재하며 측정 시점에서 단일 상태로 붕괴됨을 의미한다. 두 입자가 얽히게 된다면 상태가 서로 연관되게 되는데 즉, 한 입자가 측정되어 상태가 붕괴되면 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 다른 입자의 상태도 붕괴된다.
양자 얽힘의 의미
양자 얽힘은 우주에 대한 우리의 이해에 중요한 의미가 있다. 가장 중요한 것 중 하나는 양자 순간이동의 가능성이다. 이것은 물질의 실제 순간이동을 포함하지 않지만 한 위치에서 다른 위치로 양자 정보를 전송하는 것을 포함한다. 이것은 암호화 및 컴퓨팅과 같은 분야에 중요한 영향을 미친다.
양자 얽힘의 또 다른 의미는 우리가 관찰할 수 있는 것 너머에 숨겨진 현실의 존재를 암시한다는 것이다. 이 숨겨진 현실은 종종 "양자 세계"라고 불리며 우리가 물리적 세계에서 관찰하는 얽힘의 근원으로 여겨진다.
양자 얽힘을 증명하는 주목할만한 실험 결과
멀리서 아인슈타인의 으스스한 행동 (얽힘)을 확인한 첫 번째 실험은 1949 년 Chien-Shiung Wu와 동료 I. Shaknov에 의해 실험실에서 성공적으로 확증되었으며 1950 년 새해 첫날에 발표되었습니다.
그 결과는 한 쌍의 광자의 양자 상관 관계를 구체적으로 증명했습니다.
2012년과 2013년의 실험에서 시간에 공존하지 않은 광자 사이에 편광 상관관계가 생성되었습니다.
저자들은 이 결과가 초기 쌍의 한 광자의 편광을 측정한 후 얽힌 두 쌍의 광자 사이의 얽힘 교환에 의해 달성되었으며,
양자 비국소성이 공간뿐만 아니라 시간에도 적용된다는 것을 증명한다고 주장했습니다.
2013 년 세 번의 독립적 인 실험에서 고전적으로 통신 된 분리 가능한 양자 상태를 사용하여 얽힌 상태를 전달할 수 있음이 밝혀졌습니다.
2015년 델프트 공과대학교(Delft University of Technology)의 로널드 핸슨(Ronald Hanson)이 첫 번째 허점 없는 벨 테스트를 실시하여 벨 불평등 위반을 확인했습니다.
2014 년 42 월, 브라질 연구원 가브리엘라 바레토 레모스 (Gabriela Barreto Lemos)와 팀은 피사체와 상호 작용하지 않았지만 그러한 물체와 상호 작용하는 광자와 얽혀있는 광자를 사용하여 물체의 "사진을 찍을"수있었습니다.
비엔나 대학의 Lemos는 이 새로운 양자 이미징 기술이 생물학적 또는 의료 이미징과 같은 분야에서 저조도 이미징이 필수적인 응용 분야를 찾을 수 있다고 확신합니다.
2016년부터 IBM 및 Microsoft와 같은 다양한 회사에서 개발자와 기술 애호가가 양자 얽힘을 포함한 양자 역학 개념을 자유롭게 실험할 수 있는 양자 컴퓨터를 만들었습니다.
시간의 미스터리
시간의 개념을 양자 얽힘의 산물인 창발적 현상으로 보는 제안이있었습니다.
즉, 시간은 얽힘 현상으로, 모든 동일한 시계 판독값(올바르게 준비된 시계 또는 시계로 사용할 수 있는 모든 물체)을 동일한 역사에 배치합니다.
이것은 1983년 Don Page와 William Wootters에 의해 처음으로 완전히 이론화되었습니다.
일반 상대성 이론과 양자 역학을 결합한 Wheeler-DeWitt 방정식은 시간을 완전히 생략하여 1960년대에 도입되었으며 Page와 Wootters가 양자 얽힘을 기반으로 한 솔루션을 만든 1983년에 다시 채택되었습니다.
Page와 Wootters는 얽힘이 시간을 측정하는 데 사용될 수 있다고 주장했습니다.
창발중력
AdS / CFT 대응을 기반으로 Mark Van Raamsdonk는 시공간이 얽혀 있고 시공간의 경계에 사는 양자 자유도의 창발적 현상으로 발생한다고 제안했습니다.
유도 중력은 얽힘 제49법칙에서 나올 수 있다
자연적으로 얽힌 시스템
다중 전자 원자의 전자 껍질은 항상 얽힌 전자로 구성됩니다. 정확한 이온화 에너지는 전자 얽힘을 고려해야만 계산할 수 있습니다.
광합성
광합성 과정에서, 얽힘은 흡수 된 각 광자의 에너지가 화학 에너지의 형태로 수확되는 광 수확 복합체와 광합성 반응 센터 사이의 에너지 전달에 관여한다고 제안되었습니다. 이러한 과정 없이는, 빛을 화학 에너지로 효율적으로 변환하는 것은 설명할 수 없습니다. 펨토초 분광법을 사용하여 Fenna-Matthews-Olson 복합체의 얽힘의 일관성을 수백 펨토초( 비교적 긴 시간)에 걸쳐 측정하여 이 이론을 뒷받침했습니다.
그러나 중요한 후속 연구는 이러한 결과의 해석에 의문을 제기하고 보고된 전자 양자 일관성의 서명을 발색단의 핵 역학 또는 생리학적 온도가 아닌 극저온에서 수행되는 실험에 할당합니다.
거시적 물체의 얽힘
2020년에 연구자들은 밀리미터 크기의 기계 발진기의 움직임과 원자 구름의 이질적인 먼 스핀 시스템 사이의 양자 얽힘을 보고했습니다. 이후 작업은 두 개의 기계적 발진기를 양자 얽힘으로 이 작업을 보완했습니다.
생명체 요소들의 얽힘
2018 년 129 월, 물리학 자들은 살아있는 유기체, 특히 살아있는 박테리아 내의 광합성 분자와 양자화 된 빛 사이에서 양자 얽힘을 생성한다고보고했습니다.
살아있는 유기체(녹색 유황 박테리아)는 상호 작용하지 않는 빛 모드 사이에 양자 얽힘을 생성하는 매개체로 연구되어 빛과 박테리아 모드 사이에 높은 얽힘을 보여주고 어느 정도는 박테리아 내에서 얽힘을 보여줍니다.
미래 연구 및 응용
양자 얽힘은 미래의 연구 및 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있다.
예를 들어 얽힘은 장거리 보안 통신에 사용될 수 있다. 이 아이디어는 암호화에 사용할 수 있는 공유 비밀 키를 만드는 데 두 개의 얽힌 입자를 사용할 수 있다는 것이다.
누군가 키를 가로채려고 하면 얽힌 입자가 풀리면서 발신자와 수신자에게 침입사실을 알리게 되는 것이다.
양자 얽힘은 양자 컴퓨팅에도 사용될 수 있다. 양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 기반으로 하며 기존 컴퓨터보다 훨신 빠르게 특정 계산을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
비트를 사용하여 정보를 0 또는 1로 나타내는 기존 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터는 0과 1 상태의 중첩 상태로 동시에 존재할 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 사용한다. 이 중첩을 통해 양자 컴퓨터는 여러 계산을 병렬로 수행할 수 있으므로 상당한 계산 속도 향상 가능성을 제공한다.
큐비트에 대해 좀더 자세히 설명하면, 큐비트는 포획된 이온, 초전도 회로 또는 개별 광자와 같은 다양한 물리적 시스템을 사용하여 만들 수 있다. 큐비트의 놀라운 특징 중 하나는 서로 얽히는 능력이다. 얽힘 과정을 통해 큐비트는 상호 연결되어 복잡한 계산을 수행하는 양자 회로를 생성할 수 있게 되는 것이다. 멀리 떨어진 경우에도 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태와 상호 연관되는 얽힘 현상을 통해 양자 순간이동, 양자 오류 수정, 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 큰 숫자 분해와 같은 양자 알고리즘에서 강력한 작업을 수행하는데 활용될 수 있다.
중력에 대한 우리의 이해를 향상시키기 위해 얽힘의 잠재적 사용에 대한 연구도 진행 중이다. 이론물리학자인 후안 말다세나(Juan Maldacena)는 얽힘이 중력의 수수께끼를 푸는 열쇠가 될 수 있다는 새로운 이론을 제안했다.
ER=EPR 추측으로 알려진 말다세나의 이론은 시공간의 지름길을 제공할 수 있는 이론적 대상인 얽힘과 웜홀 사이의 연결을 제안한다.
결론
양자 얽힘은 양자 역학에서 흥미롭고 중요한 개념이다.
그것은 물리적 세계에 대한 우리의 이해를 증진시키고 미래의 연구와 응용에 중요한 의미를 가지고 있다.
얽힘에 대해 아직 이해하지 못하는 것이 많지만 암호화, 컴퓨팅 및 중력과 같은 분야에서 진행 중인 연구는 얽힘의 힘을 활용해 복잡한 문제를 해결하고 이전에는 상상할 수 없었던 목표를 달성할 수 있는 새로운 가능성을 보여줄 수 있는 것만으로도 그 의의가 크다.
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이 특징으로 인하여 고전역학은 시공간의 국소성(locality)을 다루는데 비하여 양자역학은 “비국소성(non-locality)”의 공간을 다룬다.
아인슈타인은 시공간의 상대성을 제청하면서 근대물락의 한계를 넘어섞으나 국소성의 관점에서 머물렀습니다만
양자역학은 비국소성의 차원을 두루게됩니다.
“비국소성” 이론에서는 입자들은 하나로 연결되어 있기 때문에 상호 작용이 거리와 상관없이 빛보다 빨리 동시적으로 순간적으로 이루어진다고 생각하였습니다. 예를 들면 우주의 한 끝에 있는 입자의 속성을 변화시켰을 때 그 입자와 상관관계를 이루고 있는 다른 입자의 속성도 역시 동시적으로 변화된다고 생각하였습니다.
양자얽힘(quantum entanglement)은 퀌텀 세상의 기이한 특성으로 알려져 있다.
2015년 네덜란드 로날드 헨슨 연구팀이 주도한 국제연구팀이 양자얽힘 현상이 실제 존재한다는 것을 실험으로 입증했다.
한 번 짝을 이룬 두 입자들은 아무리 서로 떨어져 있다 하더라도, 어느 한 쪽이 변동하면 그에 따라 ‘즉각’ 다른 한 쪽이 반응을 보이는 불가사의한 특성을 가지는 데, 양자이론에서는 이 두 입자가 서로 ‘얽혀있다’고 하며 이를 일컬어 ‘양자얽힘’이라고 한다. 1964년 아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)이 이론으로 발표했다.
가령 한 입자의 위치나 운동량, 스핀과 같은 특성을 측정한 순간, 이들이 아무리 멀리 떨어져 있다 하더라도 다른 한 입자의 해당 특성이 ‘즉시’ 바뀌어 입자의 상태를 결정하게 된다는 것이다.
이는 입자가 오직 즉각적인 주위 환경에 의해서만 직접 영향을 받는다는 표준 물리학의 ‘국소성의 원칙’에 위배된다. 때문에 이 이론은 물리학적 연구가 아니라 철학적 연구라고 여겨졌다. 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)도 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 주장하면서 이 이론을 “유령 같은 원격작용”이라며 결코 받아들이지 않았다.
2015년 10월 <네이처>지에 발표된 논문을 통해 ‘양자얽힘’이 실재한다는 강력한 증거를 보여주는 실험결과가 알려졌다. 이 실험은 네덜란드 델프트 공과대학 카블리 나노과학연구소의 물리학자 로날드 핸슨(Ronald Hanson)의 연구팀이 주도했고 스페인과 영국의 과학자들이 참여했다. 연구팀은 델프트 대학 캠퍼스 내부 1.3km 떨어진 거리에 두 개의 다이아몬드를 배치하고 각각의 다이아몬드 전자에 자기적 속성인 ‘스핀’을 갖도록 했다. 실험결과는 한 전자가 업 스핀(예를 들어 반시계 방향으로의 회전)일 경우, 다른 전자는 반드시 다운 스핀(시계 방향의 회전)이 된다는 것을 보임으로써 완벽한 상관관계를 입증했다. 물리학자들은 이 실험을 통해 양자역학 실험이 실제로 가능함을 증명했다는 점에 찬사를 보냈고, 과학저널 <사이언스(Science)>지는 이 실험을 2015년 최고의 과학적 성과 중의 하나로 선정했다.
6. 양자결맞음 (quantum- coherence)
양자 결맞음( quantum coherence) 과 결어긋남(decoherence)
장작패기때 통나무의 결을 따라 도끼를 내리치면...
쫙~ 하며 쪼각나는 통나무는 결맞음이 있다. 이때 통괘한 느낌이 등골을 훝고 지나간다.
그렇다!
이렇게 결이 맞으면 쫙하고 갈라진다.
반대로 결이 맞지 않으면 도끼는 옆으로 튀고 나무조각이 사방으로 튕겨나간다.
이렇게
통나무의 나무결과 도끼가 맞음이 되면 쩍하고 갈라진다.
수많은 사람들이 모인 고고장에서 서로의 눈탱이가 맞아 연애에 결혼한 사람들도 꽤나 있다.
이렇게 눈맞음도 서로가 서로에게 통하는 맞음 아니겠는가?
결맞음은 뭘까?
도끼와 나무가 결이 맞듯이 파동들이 서로 결이 맞음이 생기면 결맞음이 된다.
백열전구에서 나오는 빛은 수억개의 원자들이 가지각색으로 흥분하여 나오는 빛이라 위상이 제각각이다.
이런 빛은 서로간에 거의 간섭현상을 보이지 않아 결어긋남의 극치를 보인다. 반면에 레이저빛은 결맞음의 중심이다.
두 개 이상의 파동이 합해질 때 두 파동의 위상에 따라 상쇄 간섭 혹은 보강 간섭이 일어나는데,
결맞음이 잘 될수록 간섭 현상이 잘 일어나고 상쇄간섭에 의해 파동이 얼마나 완전히 사라지는가를 측정하여 결맞음의 정도를 안다.
꼭 들어맞음(결맞음, coherence)을 다른 말로 결맞음인데 용어가 어렵다.
백열등에서 나온 빛은 간섭현상이 별로 나타나지 않는다.
태양도 그런데 이것들은 내부에 수많은 원자들이 요동치면서 각자의 위상으로 방출하기에 결맞음이 없는 빛들이다.
반대로 레이저는 먼거리를 직진하는데 높은 결맞음을 유지하는 광원으로 통상 결맞음이 있는 파동은 위상이 고정되어 있다.
단일광원이라면 결맞음이 있는 파동의 빛을 만드는데(통상 레이저) 아래처름 영은 이중슬릿으로 간섭효과를 만든다.
어찌하던지 서로 간섭효과를 보이는 파동들이 결맞음이 있다고 생각하면 될듯 쉽다.
이렇게 결맞음은 이해되는데(?) 처음의 주제인 양자결맞음은 뭘까?
양자결맞음( quantum coherence )은 양자들이 파동처름 결이 맞는 현상이다.
양자란 연속적이지 않고 동강동강난 에너지덩어리인데 빛,전자 뭐 이런 놈들이 양자처름 행동한다. 맞나?
불연속적인 값(물리량)을 가진 알갱이를 뜻한다.
수소분자를 예로보면
두 개의 양성자가 가까이 있을 때, 그 근처에 있는 전자는 두 원자핵을 아우르는 전체적인 파동함수에 따라 분포한다.
물론 전자가 두 개라도 비슷한 현상이 일어나는데 이렇게 두 개의 전자와 두 개의 양성자로 형성되는 것이 수소 분자다.
이처럼 어느 한 입자가 존재할 수 있는 여러 공간이 가까이 있을 때, 그 입자는 전 공간을 아우르는 하나의 거대한 파동함수에 따라 분포한다.
이와 같은 현상을 ‘양자 결맞음’(quantum coherence)라고 한다.
양자결맞음은 스핀이나 파동같은 양자의 서일이 서로 가지런히 정렬되는 상태에 비유된다.
결맞음이 잘되어 있을 수록 (순수상태라 표현) 주변의 방해가 적어 바라는 상태이다.
하여튼 양자들이 결맞음상태가 되면 양자들은 주변분자에 방해를 받지 않고 행동이 가능케 된다.
물체들 각각의 위상이 같을 때 이를 '결맞다'라고 하는데,
초전도 현상은 초전도체 내의 모든 전자들이 결맞는 상태가 되어 단일 위상을 갖는 하나의 양자역학적 파동함수로 기술된다.
하나의 빠르게 움직이는 입자가 동시에 두 장소에서 나타난다는 양자결맞음(quantum coherence)현상이 만든 효과라는 것이라고
양자의 성질중에서
얽힘현상과 중첩현상이 가장 특이하고 고유한 속성이라고 알려져 있는데
이 둘중에 중첩현상이 양자결맞음과 관련이 있는 성질이라고 한다.
양자중첩( superposition)은 하나의 입자가 동시에 여러 장소에 있을 수 있는 기묘한 양자현상으로
중첩은 단지 장소에만 해당되는게 아니라, 속도,운동량, 심지어 '생과 사'와 같은 물리학적 '상태'에서도 적용된다.
양자는 아래의 방법으로 다양하게 양자계를 생성할수 있다.
그나마 많이 하는 방법으로 핵자기공명과 초전도체, 양자점등이 있고 최신의 방법으로 양자공진기가 있다.
이런 방법으로 양자를 제어한다
양자결맞음은
절대온도 부근의 초저온과 원자보다 적은 전자나 빛처름 0.1nm 이하의 크기에서 잘 관측되지만
온도가 상온에 가까워지고 크기가 야구공만하면 양자 결맞음은 극도로 어려워진다.
양자결맞음의 지속시간도 극도로 짧아지는데 주변의 분자,원자들이 끼리끼로 노는 것을 가만두지 않기 때문일것이다.
그림처름 양자가 연결되어 결이 맞으면 서로 강하게 얽힌다.
0이나 1이 상태그대로 유지디는 시간을 양자결맞음 시간이라 하고 이시간안에 계산을 끝내야 한다.
양자컴퓨터도 이런 양자결맞음이 얼마동안 지속되는가에 따른 기술적 한계에 노출되어 아직 지지부진하다.
양자결맞음은
초전도현상과 양자컴퓨터가 이것과 관련이 있고 광합성과 인간의 의식이 양자결맞음과 관련이 있다고 한다.
펜로즈의 삼각형으로 잘 알려진 로즈 펜로즈가 집필한
황제의 새마음( Emperor's New Mind) 책에서 이러한 어려운 야기들이 나온다.
먼저
크가와 온도, 지속시간에서 살펴보자..
크기가 원자보다 무척 큰 탄소원자들의 모임인 축구공모양의 풀러렌에서도 양자결맞음이 나타날까?
풀러렌 같은 분자에서도 양자결맞음이 될까?
양자 입자들에 있어서의 파동-입자 이중성에 대한 고전적 증거는
하나의 입자빔이 이중슬릿을 통과하여 지나갈 때에 생겨나는 파동과 같은 간섭패턴이다.
일반적으로 전자, 원자 그리고 작은 크기의 분자들에서 파동-입자 이중성을 관측하였지만 거시적인 세계에서는 관측되지 않는다.
이는 큰 물체들의 양자 파장(드 브로이 파장)은 너무 작기 때문에 실제 실험에 있어서 그들 간의 간섭을 검출할 수 없기 때문이다.
쉽게 생각하면 야구공도 입자와 파동을 동시에 가지지만 물체가 너무커서 파동의 파장이 물체속에 가려진것으로 상상하면 될것 같다..
탄소-60 분자들(버키볼)과 C-70 분자들은 수소원자의 10배인 직경 1nm인데 여기서도 양자결맞음이 관측되었다.
테트라페닐포피린 분자들은 2nm 인데 여기서도 관측되었고
60개의 탄소원자들과 48개의 불소 원자들을 포함하는 풀러렌 화합물(이 분자는 C-60 보다 2배나 더 크며, 108개의 원자들을 포함하고 있다)
복잡한 구조물에서도 실측된다.
물체가 커지고 온도가 올라가면 양자결맞음은 더욱 어려워 진다.
초전도현상은 절대영도 근방에서 저항이 영에 가까워 지는 현상이다.
이것도 양자결맞음으로 생기는 현상인가?
이런 초전도는 상온에 가까워지면 거의 관찰되지 않는데 초전도현상의 중심에는 쿠퍼쌍의 양자결맺음이 있다.
구리나 은같은 도체에서 절대영도 근방으로 낮춰도 저항이 영이 되지 않는데 알루미늄이나 주석은 임계온도 근방에서 갑자기 저항이 영이 된다.
이런 초전도는 자기부상열차나 MRI의 강력한 자석, 전송로등에 유용하게 사용될수 있는 초전도체기술로 이슈이기도 하다.
이러한 초전도현상을 설명은 http://kss.super.or.kr/7s_2.html
물체들 각각의 위상이 같을 때 이를 '결맞다'라고 하는데,
초전도 현상은 초전도체 내의 모든 전자들이 결맞는 상태가 되어 단일 위상을 갖는 하나의 양자역학적 파동함수로 기술된다.
하나의 빠르게 움직이는 입자가 동시에 두 장소에서 나타난다는 양자결맞음(quantum coherence)현상이 만든 효과라는 것이라고..
이런 결맞음은 온도가 올라가면 쉽게 흩어지고 초전도현상이 사라진다.
이런 특성으로 양자컴퓨터를 위한 양자형성을 초전도체를 이용하여 구현하는 연구자들도 많다고 한다.
초전도현상은 저온에서 주로 나타난다.
우리의 두뇌에도 이런 현상이 생긴다면 몸의 체온은 37도(273+37=300K)부근이기에 상온 초전도체가 된다.
비슷한 현상이 광합성에서도 관찰된다는 연구결과가 보고되므로 특이하지는 않지만...
광합성의 효율이 95%정도 되는 고효율의 비결이 양자결맞음이라고 한다.
양자컴퓨터는 어떠한가?
이 기술은 양자결맞음이 얼마나 지속되는가가 특히 중요한 부분인데 아직 고전중이다.
있다(1),없다(0)로는 비트를 표현하는데 있기도하고 없기도하는 상태(01)를 중첩이라는 서일을 이용하여 큐비트를 만들고
이 큐비트를 두개 모아 얽힘을 만들면 00,01,10,11 이라는 양자 큐비트가 완성된다.
이후 큐비트를 늘리면 기하급수적 병렬처리가 가능하게 된다
실제규현은
1997년에는 IBM의 아이작 추앙이 2비트 양자컴퓨터를 처음 만들었다.
1999년에는 일본의 NEC가 양자컴퓨터용 고체 회로소자 개발에 성공하였다.
2001년 한국 KAIST(한국과학기술원)의 연구팀이 병렬처리 3비트 양자컴퓨터 개발에 성공하였다.
2011년 케나다 디웨이브사가 상용의 128bit 양자검퓨터를 만들어 발표하여 사용중이나 아직 논란이 많다.
이런 양자컴퓨터의 가장 어려운 부분은 양자결맞음을 지속적으로 유지시키는 문제이다.
최소한 계산순간에는 128bit같은 큐비트개개을 얽힘과 중첩이 유지되어야 하는데 이것이 상당히 어렵다고 한다
광합성은 어떠한가? 효율이 95%라는 엄청난 기술은 인간이 흉내내기 어렵다.
초전도현상은 저온에서 주로 나타난다.
우리의 두뇌에도 이런 현상이 생긴다면 몸의 체온은 37도(273+37=300K)부근이기에 상온 초전도체가 된다.
비슷한 현상이 광합성에서도 관찰된다는 연구결과가 보고되므로 특이하지는 않지만...
광합성의 효율이 95%정도 되는 고효율의 비결이 양자결맞음이라고 한다.
통상은
고체나 액체 속에 존재하는 분자들은 주변에 위치한 다른 분자들의 진동 운동 같은 간섭을 받아서
어느 순간에 결이 맞는 상태에 있는 분자들이라도 이와 같은 영향 때문에 보통 그 결맞음은 순식간에 깨지고 만다.
하지만 수 fs(펨토초, 1fs= 10-15초)라는 짧은 시간 안이지만 양자결맞음이 광합성에서 관찰되었다.
미국 버클리 캘리포니아대 화학과 그레이엄 플레밍 교수팀은
초고속 시간 분해능 레이저를 사용한 실험으로 광합성에 이용되는 색소분자들 사이의 결맞음이 수백fs 동안 지속된다는 사실을 밝혀
2007년 ‘네이처’에 발표했는데 결맞음이 있는 상태라면 모든 색소 분자들은 하나의 거대 양자 시스템처럼 행동하며,
한 분자가 흡수한 에너지가 다른 분자에 전파되는 과정도 건너뛰기 없이 순식간에 일어날 수 있다.
이는 광합성의 효율이 왜 사람이 만든 태양전지보다 더 높은지 설명할 수 있는 놀라운 발견이다.
과연 어떠한 요인이 광합성 환경에서 주변 분자들의 움직임에 따른 교란효과를 없앨 수 있는 것일까. 논리적인 설명으로
색소분자들을 둘러싸고 있는 단백질 분자가 색소분자들이 결맞음을 유지할 수 있도록 도와준다는 가설이 있다.
실제로 단백질은 고분자이지만 특정한 구조로 잘 접혀 있는 상태로 존재하며, 단백질 내의 원자들의 진동은 어떤 질서를 가질 수도 있다.
이젠 우리의 두뇌에서 의식이라는 것이 양자결맞음의 효과라는 주제를 논할때가 왔다.
우리의 뇌가
지금의 컴퓨터와는 다른 양자컴퓨터와 같은 원리로 동작된다는 상상은 누구나 쉽게 할수 있다.
펜로즈나 파인만 같은 이가 이미 과거에 주장한 야기들인데
스튜어트 헤머로프라는 미국의 마취학자가 인체에서 세포골격을 만드는 튜불린이라는 단백질이 만든 미세관이 양자얽힘이 생기고
인접한 단백질에도 영향을 미쳐 양자컴퓨터처름 동작한다는 것을 논문으로 주장하였다
통상은 뇌에서 0.1nsec 에서 양자결맞음이 깨어지는데
이런 결맞음이 단백질들이 교묘한 구조로 서로 도와가며 지속시간을 1msec 근방으로 잡아둘수만 있다면 가능한 이야기가 된다.
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양자 결어긋남( Quantum decoherence)
양자 결어긋남( Quantum decoherence)은 양자 결맞음의 손실이다.
위에서 설명된 결맞음과는 대립적인 상태를 의미한다.
결어긋남을 정확하게 이해하려면 우선 먼저 퀀텀 중첩상태 (superposition) 개념을 알아야 한다.
양자 중첩상태 quantum superposition 란 한 양자물체가 동시에 여러 상태 (스핀, 위치, 운동량 등)로 나타날 수 있다는 것을 뜻합니다.
이 중첩상태라면 한 전자가 spin up 과 spin down 의 방향으로 동시에 스스로 회전할 수 있습니다.
한 원자는 근본적인 상태와 흥분된 상태를 동시에 가질수 있으며, 광자는 이곳과 저곳에서 나타날 수 있죠.
이것은 그 유명한 '슈리딩거 Erwin Schrödinger 의 고양이'는 죽은 동시에 살아있다는 상태를 말해주는 것과 같습니다 .
우리가 보는 거시세계에서 '한 신발'은 이미 정해진 상태들을 가지고 있습니다. 당신이 신발의 무게를 재든 안재든 이미 정해진 질량을 가지고 있으며 신발장 문을 열고 확인하지 않아도 당신의 신발은 이미 특정한 위치인 신발장안에 놓여있죠. 그런데 물체의 이러한 명확하고 당연한 가치들은 미시세계에선 다르게 적용됩니다.
당신의 신발이 미시세계의 한 전자 electron 가 되었다고 가정해보세요. 이 신발전자는 측정하기전 정해진 무게를 갖지않고, 측정하기전 신발은 신발장에 있을수도 아님 방에 있을수도 아님 두 장소에 동시에 있을수도 있습니다. 그러나 이 신발이 측정되는 순간 모든 일어날 확률증에 하나의 가치가 (우연한 ) 임의적인 방법으로 선택되어지고 이 신발전자의 양자 중첩 상태는 사라집니다. 이렇게 양자중첩에 있는 양자물체의 측정은 양자 결어긋남 Quantum decoherence 을 불러옵니다. 다시말해 양자중첩의 붕괴 . 양자물체는 임의적으로 가능한 상태 하나를 취하게됩니다.
양자의 파동-입자 이중성에서 영의 더블슬릿 실험을 떠올려보세요. 이 실험에서 관찰자가 있을때 양자 물체의 상태는 어떻게 되었나요 ? 관찰자 다시말해 양자물체가 슬릿앞에서 측정되는 순간 파동으로 시작되던 양자물체는 하나의 입자로 하나의 슬릿을 우연적으로 선택해 슬릿을 통과했고 따라서 간섭무늬도 사라지게 되었죠. 다시말해 양자물체는 측정되는 순간 임의적인 선택으로 하나의 상태를 소유하게 됩니다. 이것은 파동 함수 붕괴 wave function collapse 를 가져오죠. 파동 함수란 가능한 확률을 가진 값들이기 때문입니다.
quora
이 양자 결어긋남 Quantum decoherence 은 양자물체가 그 주위 환경에 매우 민감함을 말해줍니다. 아주 아주 작은 변화의 빛, 온도, 자기장, 위치 등이 이 결어긋남 decoherence 를 불러오죠. 그래서 우리가 있는 거시세계의 환경에서 수많은 변수에 둘러싸인만큼 중첩의 특징을 갖지않게 되는 것입니다.
1. 퀀텀 입자는 자유로히 중첩된 상태들을 갖는다. 양자 중첩 Superposition
2. 퀀텀 입자는는 그 주위의 환경에 극도로 민감하다. 양자의 민감성 Fragility
3. 퀀텀 입자는는 환경과의 상호작용 순간 빠르게 임의적으로 가능한 상태들중 하나를 선택한다 (임의적 선택이기에 각각의 측정마다 선택도 달라진다). 중첩 상태는 무너진다. 양자 결어긋남 Decoherence
4. 중첩 상태가 무너지니 파동 함수도 붕괴 . Wave function collapse
양자 결어긋남이 이루어지기까지는 양자물체가 환경과 상호작용시 위상변이 phase shift 들이 축적되고 중첩 상태들의 가능성이 거의 무시할만큼이 될때까지 어느 정도의 시간이 필요합니다. 사실 양자물체는 결코 고립되어있지 않습니다. 그러니 시간이 지남에따라 환경과의 상호작용으로 Decoherence 에 이르게 되죠. 환경과 입자물체에 따라 그 시간의 길이도 달라집니다.
고전역학은 미세물질의 분열과 융합과정으로 제한되지만, 퀀텀역학의 중요한 특징으로 양자 결맞음(quantum coherence) 이 있습니다.
고전역학은 미세한 물질의 분멸과 융합을 다루는데 비하여 양자역학은 차원이 다른 더 깊고 심원한 영역으로 파고들어갑니다.
그러므로 양자역역이야말로 가장 전체성의 관점에서 우주자연을 다루게되는 것입니다.
우주는 전체적인 관점에서 다루어야 그 진리성 진실성을 얻게 됩니다.
이러한 관점에서 양자역학의 양자결맞음 (quantumcoherence) 이야말로 고전물리학과 구별되기에 현대물리학이라는 칭호를 부여하는 것입니다.
결맞음은 파동이 간섭 현상을 보이게 하는 성질이다.
이 성질은 광학에서 등장하는 영의 이중슬릿 간섭실험과 관계되는 개념이지만 파동과 관련된 모든 분야, 예를 들면, 음향학, 전자공학, 신경과학 및 양자역학 분야에도 사용된다.
두 개 이상의 파동이 합해질 때 두 파동의 위상에 따라 상쇄 간섭 혹은 보강 간섭이 일어나는데, 결맞음이 잘 될수록 간섭 현상이 잘 일어난다.
상쇄간섭에 의해 파동이 얼마나 완전히 사라지는가를 측정함으로써 결맞음의 정도를 알 수 있다.
이 성질은 홀로그래피 등에 사용된다.
식물의 광합성은 양자물리학을 이용하고 있었다.
(Photosynthesis Uses Quantum Physics)
사람과 동물의 생명은 직간접적으로 식물(plant life)에 의존하고 있다.
그리고 모든 식물의 생명은 흡수한 빛에너지를 살아있는 세포가 이용할 수 있도록 에너지로 변환시키는 매우 정교한 생화학적 기계들에 의존하고 있다.
미국 일리노이 주의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구자들은 이러한 시스템이 어떻게 작동하는 지를 밝히기 위해서 초고속 분광기(ultrafast spectroscopy)를 사용해 왔다.
가장 최근의 발견인 자색세균(purple bacteria)에서 새로 발견된 고도로 복잡한 광합성은 그들을 매우 당황시키고 있었다.
광합성 기계들은 빛의 양자성질(quantum nature)의 장점을 취하는 최첨단기술을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
연구자들은 먼저 -150℃ 이하로 그 광합성 박테리아를 냉동시켜, 빛을 수집하는 박테리아의 단백질 복합체 내의 초고속 광자와 전자의 상호작용이 천천히 발생하도록 만들어서, 보다 상세한 조사를 할 수 있도록 했다.
그들은 생화학적 빛 수확 단백질 복합체 안으로 빛의 한 파장이 특정한 색소 분자로 가도록 비추었다.
각각의 복합체는 정교한 배열을 지닌 여러 색소들을 포함하고 있다.
”아르곤 국립연구소의 과학자들은 이전에는 누구도 관찰한 바가 없는 무엇인가를 목도했다.
아르곤 국립연구소의 특집기사에 따르면, '단일 광자(single photon)가 동시적으로 서로 다른 색소체(chromophores, pigments)를 자극하는 것으로 나타났다”는 것이다.
이것은 하나의 빠르게 움직이는 입자가 동시에 두 장소에서 나타난다는, 빛의 ‘양자결맞음(quantum coherence)’이라는 기묘한 관측과 일치되는 것이었다.
박테리아의 생화학은 빛을 수확할 때, 이러한 빛의 성질을 이용하고 있었다.
그러나 어떻게 이용하는 것일까?
연구자들은 PNAS 지에서, 이 '양자결맞음”으로 빛을 포획하는 것은 ‘보조인자(색소) 사이의 전자적 결합(electronic coupling)’과 그 결합을 특화하는 정확하게 위치된 단백질들에 주로 기인하는 것 같다고 발표하였다.
빛을 적게 받는 해조류(algae)와 마찬가지로, 박테리아의 빛-수확 복합체(light-harvesting complexes)는 먼 거리에 걸쳐 에너지 전달을 최대로 하기 위해 빛 양자들을 이용하도록 배열되어 있었다.
이것은 빛의 수확 효율을 극적으로 증가시키는 것이었다.
바꾸어 말하면, 박테리아는 오직 누군가에 위해서만 만들어진 기계들, 즉 빛의 복잡한 양자적 성질을 이해하고 있었던 누군가에 의하여 궁극적으로 만들어진 생화학적 초정밀 기계들을 장착하고 있었던 것이다.
이것은 공동연구자인 게리 비더레슈트(Gary Wiederrecht)를 깜짝 놀라게 만들었다.
그는 ”어떻게 자연(Mother Nature)이 이토록 믿을 수 없을 만큼의 우아하고 정교한 해결책을 만들었을까? 라고 묻고 있었다
물론 ”자연'은 그렇게 하지 못했다. 만약 자연이 그렇게 할 수 있었다면, 게리는 결코 그와 같은 질문을 하지 않았을 것이다.
마찬가지로, 아르곤 국립연구소의 생화학자이며 선임연구자인 데이비드 티에드(David Tiede)는
”그것이 정말로 우연히 거기에 존재하게 됐다면, 우리는 놀랄 수밖에 없다.
그렇지 않다면, 이 미묘하고 독특한 초정밀 기계들은 우리에게 무엇을 말하고 있는 것인가”라고 말했다.
자연과 우연이 이러한 첨단기술을 만들어낼 수는 없다.
그 기술은 현대 인류가 가지고 있는 최첨단 기술 이상의 것이고, 심지어 우리의 양자결맞음에 대한 이해를 넘어서는 것일 수도 있다. 만약 박테리아에 존재하는 광합성 기계들이 자연에서 생겨날 수 없는 탁월한 것이라면, 다른 분자 기계들의 기원과 마찬가지로, 그것의 기원은 자연 밖에 있는 누군가에 의해서만 오직 설명될 수 있는 것이다.
7 . 거시적 양자역학 (초유동성, 초전도성)
거시적 양자 현상은 양자 효과가 널리 퍼진 원자규모가 아닌 거시적인 규모에서 양자거동을 보여주는 과정입니다.
거시적 양자 현상의 가장 잘 알려진 예는 초유동성과 초전도성입니다.
초유동성은 점도가 3인 유체의 특성이므로 운동에너지의 손실 없이 흐릅니다.
교반되면 초유체가 무한정 계속 회전하는소용돌이를 형성합니다.
초유동성은 헬륨의 두 동위원소(헬륨4 및 헬륨1)가 극저온으로 냉각되어 액화될 때 발생합니다.
초전도성은 전기저항이 사라지고 자기장이 재료에서 방출되는 특정 재료에서 관찰되는 일련의 물리적 특성입니다.
이러한 특성을 나타내는 모든 물질은 초전도체입니다.
온도가 낮아짐에 따라 저항이 점차 감소하는 일반 금속 도체와 달리 초전도체는 저항이 급격히 1으로 떨어지는 특성적인 임계 온도를 가지고 있습니다.
초전도 선재의 루프를 통과하는전류는 전원 없이도 무한정 지속될 수 있습니다.
물리학에서 조셉슨 효과는 두 개의 초전도체가 근접하게 배치되고 그 사이에 약간의 장벽이나 제한이 있을 때 발생하는 현상입니다. 이것은 양자 역학의 효과가 원자 규모가 아닌 일반적인 규모에서 관찰 가능한 거시적 양자현상의 한 예입니다.
초유동성은 점도가 3인 유체의 특성이므로 운동에너지의 손실 없이 흐릅니다.
교반되면 초유체가 무한정 계속 회전하는소용돌이를 형성합니다.
헬륨 II 는 자신의 레벨을 찾기 위해 표면을 따라 "기어가며" 잠시 후 두 컨테이너의 레벨이 같아집니다. Rollin 필름 은 또한 더 큰 용기의 내부를 덮습니다. 봉인되지 않았다면 헬륨 II는 살금살금 빠져나왔을 것입니다.
초유동성은 헬륨의 두 동위원소(헬륨4 및 헬륨1)가 극저온으로 냉각되어 액화될 때 발생합니다.
액체 헬륨은 초유체 단계에 있습니다. 얇고 보이지 않는 필름이 그릇의 내벽을 따라 올라가 바깥쪽으로 내려갑니다. 드롭이 형성됩니다. 아래의 액체 헬륨으로 떨어집니다. 이것은 액체가 초유체로 남아 있는 경우 컵이 비워질 때까지 반복됩니다.
그것은 또한 천체 물리학, 고에너지물리학 및 양자중력 이론에 존재한다고 이론화 된 다양한 다른 이국적인물질상태의 속성입니다. 초유동성 이론은 소련의 이론물리학자레프 란다우(Lev Landau) 와 이삭 칼라트니코프(Isaak Khalatnikov) 에 의해 개발되었다.
초 유동성은 종종 Bose-Einstein 응축 과 함께 발생하지만 두 현상 모두 다른 현상과 직접 관련이 없습니다.
모든 Bose-Einstein 응축수가 초유체로 간주될 수 있는 것은 아니며 모든 초유체가 Bose-Einstein 응축물인 것은 아닙니다.
초전도는전기저항이 사라지고 자기장이 재료에서 방출되는 특정 재료에서 관찰되는 일련의 물리적 특성입니다.
이러한 특성을 나타내는 모든 물질은 초전도체입니다. 온도가 낮아짐에 따라 저항이 점차 감소하는 일반 금속 도체와 달리 초전도체는 저항이 급격히 1으로 떨어지는 특성적인 임계 온도를 가지고 있습니다. 초전도 선재의 루프를 통과하는전류는 전원 없이도 무한정 지속될 수 있습니다.
자석 위로 공중에 떠 있는 고온 초전도체. 초전도체의 표면에 지속적인 전류가 흐르면서 자석의 자기장을 배제하는 역할을 합니다( 마이스너 효과 ). 이 전류는 자석을 밀어내는 전자석을 효과적으로 형성합니다.
초전도 현상은 1911년 네덜란드 물리학자Heike Kamerlingh Onnes 에 의해 발견되었습니다.
강자성 및 원자 스펙트럼선과 마찬가지로 초전도는 양자역학에 의해서만 설명될 수 있는 현상입니다.
이것은 초전도 상태로 전환하는 동안 초전도체 내부의 자기장을 완전히 상쇄하는 마이스너 효과(Meissner effect) 가 특징입니다.
이 현상은 물질이 초전도 상태로 전이되면서 물질의 내부에 침투해 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상이다. 따라서 내부에 외부 자기장을 완벽히 상쇄하는 자기장이 발생하는 것과 같으므로 완전 반자성과 같다. 1933년에 발터 마이스너(Walther Meissner)에 의해 발견되었다.
그러나 마이스너 효과는 완전 반자성과는 조금 다른 점이 있다. 초전도체가 되기 전 걸려있던 자기장이라도 초전도체가 되면 밖으로 밀어내는 것이 완전 반자성과 구분되는 점이다. 완전도체(perfect conductor)는 일반도체에서 완전도체가 되는 상전이에서 일반도체 상태에 걸려있던 자기장을 밀어내진 않는다. 다만 완전도체가 된 이후의 자기장 변화에 대해서는 완전 반자성을 보여 완전도체 내부의 자기장은 변화하지 않는다. 따라서 마이스너 효과는 초전도체와 완전도체를 구분짓는다고도 할 수 있다.
마이스너 효과의 발생은 초전도가 단순히 고전 물리학 에서 완벽한 전도성의 이상화로 이해 될 수 없음을 나타냅니다.
1986 년에 일부 컵 레이트 페 로브 스카이 트 세라믹 재료의 임계 온도가 90K (-183 ° C) 이상이라는 것이 발견되었습니다.
이러한 높은 전이 온도는 이론적으로 기존 초전도체로는 불가능하므로 재료를 고온초전도체라고 합니다. 저렴하게 구할 수 있는 냉각수 액화 질소는 77K(-196°C)에서 끓기 때문에 이보다 높은 온도에서 초전도성이 존재하기 때문에 저온에서는 실용적이지 않은 많은 실험과 응용이 용이합니다.
또 다른 예로는 양자 홀 효과 와 위상순서( 토폴로지 순서)가 있습니다.
양자 홀 효과(또는 정수 양자 홀 효과)는 저온 및 강한 자기장에 노출된 2차원 전자 시스템에서 관찰되는 홀 효과의 양자화된 버전이며, 여기서 홀 저항 Rxy는 양자화된 값을 취하는 단계를 나타냅니다
양자 홀 효과는 22차원 전자 시스템에서 관찰되는 것 외에도 광자에서 관찰할 수 있습니다. 광자는 고유한 전하를 가지고 있지 않지만 개별 광학 공진기 및 결합 위상 또는 현장 위상의 조작을 통해 인공 자기장을 생성할 수 있습니다.
이 과정은 여러 거울 사이에서 반사되는 광자의 은유를 통해 표현할 수 있습니다. 여러 거울을 가로질러 빛을 쏘면 광자가 라우팅되고 각운동량에 비례하는 추가 위상을 얻습니다. 이것은 자기장에 있는 것과 같은 효과를 만듭니다.
위상 순서는 물질의 영온 위상(양자 물질이라고도 함)의 일종의 순서입니다.
거시적으로 위상 순서는 강력한 기저 상태 퇴화와 퇴화한 기저 상태의 양자화된 비아벨 기하학적 단계에 의해 정의되고 설명됩니다. 원자로 구성된 물질은 다른 특성을 가질 수 있으며 고체, 액체, 초유체 등과 같은 다양한 형태로 나타날 수 있습니다.
이러한 다양한 형태의 물질을 종종 물질상태 또는 위상이라고 합니다.
응축 물질물리학 원리에 따르면, 물질의 다른 특성은 일반적으로 원자가 물질에서 조직되는 다양한 방식에서 발생합니다.
원자 (또는 다른 입자)의 다른 조직은 공식적으로 물질의 순서라고합니다.
원자는 다양한 방식으로 조직화할 수 있으며, 이는 다양한 주문과 다양한 유형의 재료로 이어집니다.
란다우대칭 파괴이론은 이러한 다양한 차수에 대한 일반적인 이해를 제공한다.
그것은 다른 순서가 실제로 구성 원자 조직의 다른 대칭에 해당한다는 것을 지적합니다.
물질이 한 차에서 다른 차수로 변할 때(즉, 물질이 상전이를 겪을 때) 일어나는 일은 원자 조직의 대칭이 변한다는 것입니다.
예를 들어, 원자는 액체에 무작위로 분포하므로 액체는 원자를 임의의 거리만큼 대체하는 것과 동일하게 유지됩니다.
우리는 액체가 연속적인 번역 대칭을 가지고 있다고 말합니다.
상전이 후 액체는 결정으로 변할 수 있습니다. 결정에서 원자는 규칙적인 배열(격자)로 구성됩니다.
격자는 특정 거리(정수 곱하기 격자상수)만큼 변위할 때만 변하지 않으므로 결정은 이산 평행 대칭만 갖습니다.
액체와 결정 사이의 상전이는 액체의 연속 번역 대칭을 결정의 이산 대칭으로 감소시키는 전이입니다.
이러한 대칭의 변화를 대칭 파괴라고 합니다.
따라서 액체와 결정의 차이의 본질은 원자 조직이 두 단계에서 서로 다른 대칭을 갖는다는 것입니다.
란다우 대칭 파괴 이론은 매우 성공적인 이론이었다.
오랫동안 물리학 자들은 Landau 이론이 물질의 모든 가능한 순서와 가능한 모든 (연속적인) 상 전이를 설명했다고 믿었습니다.
그러나 1980년대 후반 이후, 란다우 대칭 파괴 이론이 가능한 모든 질서를 설명하지 못할 수도 있다는 것이 점차 명백해졌다.
고온초전도성을 설명하기 위한 시도로 키랄 스핀 상태가 도입되었습니다.
처음에 물리학자들은 여전히 키랄 스핀 상태를 설명하기 위해 란다우 대칭 파괴 이론을 사용하기를 원했습니다.
그들은 키랄 스핀 상태를 시간 반전과 패리티 대칭을 깨는 상태로 식별했지만 스핀 회전 대칭은 깨뜨리지 않았습니다.
이것은 Landau의 대칭 파괴 주문 설명에 따라 이야기의 끝이어야 합니다.
그러나, 정확히 동일한 대칭성을 갖는 많은 상이한 키랄 스핀 상태가 존재한다는 것을 재빨리 깨달았으며, 따라서 대칭만으로는 상이한 키랄 스핀 상태를 특성화하기에 충분하지 않았다.
이것은 키랄 스핀 상태가 일반적인 대칭 설명을 넘어서는 새로운 종류의 순서를 포함한다는 것을 의미합니다.
제안된 새로운 종류의 질서는 "위상 질서"로 명명되었습니다.
"위상 순서"라는 이름은 위상 양자장 이론(TQFT)인 키랄 스핀 상태의 저에너지 유효 이론에 의해 동기가 부여되었습니다.
2000 년 이래로 양자 가스, 특히 보스-아인슈타인 응축 물에 대한 광범위한 실험 작업이있었습니다.
1996 년과 2016 년 사이에 거시적 양자 현상과 관련된 연구로 1 개의 노벨상이 수여되었습니다.
거시적 양자 현상은 초유체 헬륨과 초전도체 에서 관찰할 수 있지만 희석된 양자 가스, 폴라리톤과 같은 광자 및 레이저 광에서도 관찰할 수 있습니다.
이러한 매체는 매우 다르지만 거시적 양자 거동을 보여준다는 점에서 모두 유사하며, 이 점에서 모두 양자유체라고 할 수 있습니다. 양자 현상은 일반적으로 양자 상태가 많은 수의 입자 (아보가드로 순서)에 의해 점유되거나 관련된 양자 상태가 거시적 크기 ( 초전도 선재에서 최대 킬로미터 크기) 일 때 거시적 인 것으로 분류됩니다
조셉슨 효과는 전압 및 주파수와 같은 다양한 물리적 측정값 간의 정확한 관계를 나타내어 매우 정확한 측정을 용이하게 하기 때문에 많은 실용적인 응용 분야가 있습니다.
조셉슨 효과는 조셉슨 접합(JJ)으로 알려진 장치를 가로질러 전압이 가해지지 않고 연속적으로 흐르는 초전류로 알려진 전류를 생성합니다.
이들은 약한 링크로 결합 된 두 개 이상의 초전도체로 구성됩니다. 약한 링크는 얇은 절연 장벽(초전도체- 절연체-초전도체 접합 또는 SIS로 알려짐), 비초전도 금속(SNS)의 짧은 부분 또는 접촉점(SCS)에서 초전도성을 약화시키는 물리적 수축일 수 있습니다.
Josephson 접합은 SQUID, 초전도 큐비트및 RSFQ 디지털 전자 장치와 같은 양자역학회로에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.
20V에 대한 NIST 표준은 직렬로 연결된 208,1개의 Josephson 접합 어레이에 의해 달성됩니다.
조셉슨 효과는 1962년 약한 고리를 가로지르는 전류와 전압에 대한 수학적 관계를 예측한 영국 물리학자 브라이언 조셉슨 의 이름을 따서 명명되었습니다.
DC 조셉슨 효과는 1962년 이전의 실험에서 나타났지만,초전도체 사이에서 전자의 직접적인 전도로 이어지는 절연 장벽의 "슈퍼 쇼트" 또는 위반에 기인합니다.
조셉슨의 효과의 발견을 주장하고 필요한 실험적 검사를 한 최초의 논문은 필립 앤더슨 과 존 로웰의 논문이었습니다.
이 저자들은 결코 시행되지 않았지만 결코 도전받지 않은 효과에 대한 특허를 받았습니다.
Josephson의 예측 이전에는 단일(즉, 쌍을 이루지 않은) 전자가 양자 터널링을 통해 절연 장벽을 통해 흐를 수 있다는 것만 알려져 있었습니다.
Josephson은 초전도 Cooper 쌍 의 터널링을 최초로 예측했습니다. 이 업적으로 조셉슨은 1973년 노벨 물리학상 수상했습니다.
Josephson 상수는 다음과 같이 정의됩니다. CODATA 값단위
mag. flux quantum 2.067833848... e-15 (exact) Wb (55) 15,482,880
Josephson constant 483 597.8484... e9 (exact) Hz V^-1(69) 30,965,760
Josephson constant 483 597.8484... e9 (exact) Hz V^-1(69) 30,965,760