[흥미돋][양자역학] 미래는 결정되어 있을까? 中

[shhyelow]

2011.6.20이후 적용 자세한사항은 공지확인하시라예

출처:  여성시대 shhyellow

 전게시물 링크!!

[뉴턴역학] 미래는 결정되어 있을까? 上

뉴턴 역학은 우리가 사는 지구를 포함한

우주 전체에 적용 가능한 이론이야

물론 예외인 케이스도 있긴 하지만

(eg. 아인슈타인의 상대성 이론)

그 예외인 케이스들도 뉴턴 역학의 '결정론'에 벗어나지 않는 케이스들이야

그러나 미시 세계에서는

뉴턴 역학에 '결정론'이 전혀 먹혀들지 않아

미시 세계의 물리 법칙을 설명하는 이론을

'양자 역학'이라고 해

양자 역학은,

간단히 말해, 아주 작은 미시 세계에서

물질을 구성하는 입자가 어떻게 움직이는지를 밝혀내는 이론을 말해

여기서 말하는 미시 세계란,

원자나 분자의 세계인

약 1000만분의 1mm 이하의 세계를 뜻해

아래 글을 읽기 전에 이 동영상을 한 번만 봐줘!!

내가 이 동영상을 글로 풀어서 설명하긴 할 건데

글로 읽는 것보다 직접 동영상을 보는 게 더 이해하기 편할 거야

동영상 보는 여시들은

밑에 설명 안 읽어도 무방할 듯

동영상도 보고

[양자역학] 우주가 하나의 거대한 입체영상이라면?

도 봤다면 더 좋고 ㅋㅋㅋㅋ

- 설명 시작 - 

양자 역학의 대표적인 실험을 하나 예로 들어볼게

판자에 2개의 틈을 만들고

미시 입자인 '전자'를 하나씩 여러 번 반복해서

판자를 향해 발사해

판자 뒤에는 또다른 판자가 있는데,

틈을 빠져나간 전자는 뒤에 있는 판자에 부딪쳐 충돌 흔적을 남겨

이제 실험을 시작해볼게

먼저 2개의 틈 가운데 하나만 열어놓을 거야

그리고 전자를 하나씩 여러 번 반복해서 발사해볼게

전자는 열어놓은 틈을 빠져나가 뒤에 있는 판자에 충돌 흔적을 남겨

여러 개의 전자가 하나의 틈으로 빠져나간 것이기 때문에

뒤에 있는 판자에서는 한 개의 줄무늬만 생기는 거야

그럼 이번에는 틈을 두 개 다 열어놓고 실험을 해볼게

상식적으로 생각하면 하나의 틈만 열고 실험을 했던 아까처럼

두 개의 틈을 열어놓으면

두 개의 줄무늬가 생기는 것이 옳겠지?

그러나

뒤에 판자에는 2개의 줄무늬가 아니라

훨씬 더 많은 숫자의 줄무늬가 생겨

만일 전자가 뉴턴 역학 세계의 야구공과 같은 성격을 가지고 있다면

이런 결과는 결코 있을 수 없어

그럼 전자는 왜 이런 행동을 하는 걸까?

위에 판자 실험을 '이중슬릿 실험'이라고 해

여기서 줄무늬가 여러 개 생긴 이유가 뭘까?

수영장에 같은 무게의 돌을 두 개 떨어뜨려볼게

그럼 떨어진 돌 주변의 물들은 파동을 일으켜

각각의 파동은 주변을 향해 퍼져나가고

각각의 파동이 높은 곳끼리 겹쳐지면 파동은 더욱 높아지며

낮은 곳끼리 겹쳐지면 파동은 더욱 낮아져

이렇게 두 개의 파동이 겹쳐지면

서로 강해지거나 서로 약해지는 곳이 나타나는데

이 현상을 '간섭'이라고 해

간섭의 결과로 수면에는 독특한 무늬가 나타나지

그럼 아까 실험으로 다시 돌아가볼게

위의 수영장 예처럼

판자에 생긴 많은 줄무늬는 간섭으로 생겼다고 생각하면

이해가 쉬울 거야

이 말은 곧, 전자가 간섭했다고 생각하지 않으면,

많은 줄무늬가 생겼다는 사실을 설명할 수 없다는 뜻이야

그리고 전자가 간섭을 일으켰다는 것은

전자가 파동 같은 성질을 가지고 있다는 뜻이야

즉, 전자는 입자의 성질(한 개의 줄무늬)과

파동의 성질(여러 개의 줄무늬)을 동시에 가지고 있는 거야

이 실험 결과는 물리학계에 일대 파란을 몰고 와

파동은 본래 많은 입자가 '모여서' 만드는 현상이기 때문이야

그렇기 때문에 하나의 입자가 이런 성질을 가지고 있다는 건

지금까지와의 상식으로는 설명할 수 없는 현상이었어

전자가 상반되는 성질을 동시에 가지고 있다는 건

뉴턴 역학을 깨부수는 발견이었어

생각해볼까?

이중 슬릿 실험에서

전자를 발사해 그 전자가 어디에서 관측되는가를 지켜볼 때

관측되기 전의 전자는 파동의 성질을 가지고 있으므로

입자처럼 특정한 지점에 '위치'를 잡을 수 없어

전자의 현재 위치가 정해져 있지 않다는 것은,

전자가 관측 장치의 어느 곳에 도달하는가에 대해서도 정해져 있지 않다는 얘기야

그러나 아이러니하게도 전자의 미래가 전혀 정해져 있지 않은 것은 아니야

양자 역학을 이용해 계산하면

전자가 많이 관측될 것으로 보이는 곳은 양자론을 통해 정확하게 계산할 수 있어

그러나 이 '정확하게'라는 말은

'확률적으로 정확하게'라는 의미야

예를 들어서 A, B, C에 전자가 관측될 확률이

A는 20%, B는 30%, C는 50%라고는 정확하게 예측할 수 있으나

이 전자가 A지점으로 갈 거야

B지점으로 갈 거야

C지점으로 갈 거야

라고는 절대 예측할 수 없는 거야

전자의 행방을 확률적으로 계산해야 한다는 건

뉴턴 역학의 거시 세계에서는 있을 수 없는 일이었어

하지만 미시 세계에서는 언제나 이런 현상이 벌어지고 있지

그럼 이번에는 미시 세계의 다른 현상에 대해 얘기해볼게

바로 "상태의 공존"이야

박스에 야구공을 넣고 박스를 쉐킷쉐킷 흔든 뒤에

한가운데에 칸막이를 끼운다고 가정할게

그러면 야구공은 왼쪽 or 오른쪽의 어느 곳에 존재할 거야

우리는 야구공이 어느 쪽에 들어 있는지

50%의 확률로 맞힐 수밖에 없어

하지만 라플라스의 악마는 뚜껑을 열어서 공을 보지 않아도

공이 어느 쪽에 들어 있는지 정확하게 맞힐 수 있어

그럼 이 박스 속에 전자를 넣어볼게

마찬가지처럼 박스를 쉐킷쉐킷 한 뒤에

칸막이를 끼워

그럼 아까처럼 전자는 왼쪽 or 오른쪽에 존재하겠지?

아니야

전자는 좌우 양쪽에 동시에 존재하고 있어

정확하게 말하면

뚜껑을 열고 전자가 어디에 있는지를 관측해야만

전자가 있는 장소가 확정돼

전자를 관측하기 전에는

오른쪽에 있는 상태와 왼쪽에 있는 상태가 공존하고 있고

관측을 한 후에야 비로소 하나의 상태가 확정되는 거야

이때 어느 상태가 관측될지를

'확률적'으로는 예측 가능하지만

'확실한' 예측은 불가능해

라플라스의 악마조차도 뚜껑을 열어서 직접 야구공을 보기 전에는

야구공이 어느 쪽에 들어 있는지 알 수 없어

그럼 여기서 이런 의문을 제기할 수 있을 거야

"원래 전자가 그 장소에 있었으니까 관측이 된 거지

무슨 상태의 공존이야????"

그러나

박스를 열고 전자를 확인했을 때

전자가 왼쪽에 있었다고 해도

'원래 전자가 왼쪽에 있었다'라고는 말할 수 없어

관측하는 것 자체가 전자의 상태에 영향을 미치기 때문에

오른쪽에 있던 전자가

관측으로 인해 왼쪽으로 옮겨갔을 수도 있기 때문이야

????

뭔소리????

이게 말이 됨????

이라고 생각할 여시들을 위해

이것에 관련한 하나의 실험을 소개할게

아까 이중 슬릿 실험으로 멘붕이 온 과학자들은

판자 옆에 관측기구를 놓고

전자가 둘 중 어느 쪽 틈을 통해 빠져나가는지를 관측하기로 해

그러자 이번에는 더 멘붕할 결과가 과학자들의 눈앞에 펼쳐졌어

아까처럼 여러 개의 줄무늬가 생기는 게 아니라

두 개의 줄무늬만 판자에 생겨난 거야

둘 중 어느 틈을 통과하는지 알아보기 위해

관측기구를 설치했더니

전자가 스스로 관측되고 있다는 것을 알고

파동의 성질을 숨기고

입자처럼 행동하기 시작했어

(이걸 파동이 수축한다고 표현해)

이로 인해 물리학자들은 기존의 모든 물리 법칙을 버리고

새로 다시 처음부터 모든 물리학 연구를 다시 써야 할 멘붕에 빠지지

- 설명 끝 -

이 실험을 두고 과학자들은 여러가지 해석을 내놓았어

그중에 가장 유력한 해석은

코펜하겐 해석이야

코펜하겐 해석은 간단히 말해,

'전자의 파동은 거시적인 물체와 상호 작용하면 수축을 일으킨다'는 이론이야

관측기구 같은 거시적인 물체는

우리 눈에 보이는, 우리 주변의 물체들이야

이런 물체들은 전자처럼 상반하는 두 개의 성질을 동시에 갖고 있지 않아

그러한 거시적인 물체와

전자가 접촉함으로써 전자의 파동적 성질이 사라진다는 주장이야

그러나 코펜하겐 해석은 근원적인 두 가지 의문에 해답을 주지 못해

"왜 파동의 수축이 일어나는가?"

"수축 전의 파동의 다른 성질은 어디로 사라졌는가?"

이런 의문은 아직까지 해결되지 못하고 있어

+

<참고>

하이젠베르크의 불확정성 원리

관측이라는 말은,

쉽게 말해 물체에 빛이 닿아 반사된 빛을

우리의 눈으로 포착한다는 뜻이야

한마디로 물체를 보기 위해서는

물체에 빛을 닿게 해야만 해

빛에는 물체를 미는 힘이 있어

하지만 그 힘은 아주 작기 때문에

투수가 던지는 야구공의 움직임에는

아무런 변화도 미치지 못해

그러나 전자 같은 미시 입자들이라면 어떨까?

미시 입자는 작기 때문에

관측을 위해 빛을 닿게 하면 입자는 튕겨 나가

결국 관측을 하면 미시 입자의 움직임에 영향을 주게 돼

1927년 독일의 이론물리학자 베르너 하이젠베르크는

아래와 같은 내용의 이론을 하나 발표해

"미시 입자의 위치와 움직임을 동시에 정확히 구하는 건 불가능하며

어느 정도의 불확실성이 반드시 남는다."

불확정성 원리의 수식을 봐볼게

△x는 위치의 불확실성

△p는 움직임(운동량)의 불확실성

h는 플랑크 상수인 6.626×10-34J·s를 뜻해

식 오른쪽에 있는 h/2는 분자, 분모 모두 일정한 수치야

그렇기 때문에 왼쪽에 있는

위치의 불확실성과 움직임의 불확실성 가운데 한쪽이 작아지면

나머지 한쪽이 반드시 커지게 돼

즉 위치의 불확실성을 0으로 만들면

움직임의 불확실성이 무한대가 되고

반대로 움직임의 불확실성을 0으로 만들면

위치의 불확실성이 무한대가 돼

이러한 이유들에 의해

우리는 입자가 발견될 가능성이 있는 영역은 예측할 수 있지만

그 범위 안에서 실제로 입자가 어디에서 발견될지는 관측하기 전에는 알 수 없고

뿐만 아니라 관측하기 전 단계에서는

입자가 어디에 존재하는지조차 정해져 있지 않아

또한, 어떻게 관측을 잘 해도

미시 입자의 위치나 움직임을 완전히 파악하는 것은 불가능하며

어느 정도의 불확실성은 반드시 따라다니게 마련이라는 결론에 도달해

결국 뉴턴 역학의 '결정론'적인 세계관도,

'라플라스의 악마'도,

미시 세계에서는 존재할 수 없어

미시 세계에서는 미래가 결코 정해져 있지 않다고 생각할 수밖에 없어

그러나!!!!

여기서 하나의 의문이 생겨

뉴턴 역학에 따르면,

우리 주변에 있는 물체의 움직임은 결정론적이며

따라서 미래는 정해져 있다는 결론에 도달하고

양자 역학에 따르면

입자의 움직임은 비결정론적이며,

따라서 미래는 정해져 있지 않다는 결론에 도달해

그러나 한 번 더 생각해볼까?

야구공, 포켓볼 등 모든 물질을 만드는 근본은 바로 원자야

원자를 더욱 쪼개면

'쿼크', '전자' 등이 나와

쿼크나 전자는 양자 역학에서 말하는 바로 그 비결정론적인 존재들이야

물리학자들은 다시 한 번 멘붕에 빠져

야구공이 비결정론적인 미시 입자의 집합체라면

야구공 그 자체도 비결정론적인 움직임을 보여야 하지 않을까?

다시 한 번 멘붕이 온 물리학자들은

여러 파로 갈라져 '미래는 결정되어 있는지'에 대한 격한 논쟁을 시작해

[음악들려주는여자]

언니 잘읽고있어~ 고마워. 설명 쉽게 하는 것도 쉬운일이 아닌데 언니 천잰가보다...ㅎㅎ

[뽀솜]

이해가 다 되는거 같기도 하고 아닌거 같기도 하고...ㅎㅎ.. 너무 재밌다!!!

[깐아]

관찰자의 유무에 의해서 전자가 파동을 수축시키는게, 관측되기위해 빛이 반사될때의 힘때문이라고 했는데...빛은 관측될때 뿐아니라 그냥 처음부터 거기서 반사되고있던거아냐?ㅠㅠ그 반사된 빛을 관찰자가 캐치해서 인식하는것일뿐아닌감...관찰자의 눈에서 빛이 나와서 그게 반사된건 아니잖오ㅋㅋㅋㅋ궁금쓰..

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[송스멥]

와씨 존나 신기하다...