양자역학은 어떤 학문의 기본이론인가요?

양자 역학 또는 양자 물리학으로도 알려진 양자 이론은 극도로 작은 규모의 원자 또는 더 작은 개체에 주로 적용되는 일련의 입자 법칙입니다. 양자이론의 핵심은 불확정성 원리와 파동-입자 이중성 개념의 결합이다.

양자 세계의 모든 존재는 우리가 완전히 다른 것으로 보던 파동 입자의 특성을 동시에 가지고 있습니다. 예를 들어, 일반적으로 전자기파로 간주되는 빛은 경우에 따라 입자(광자라고 함)의 흐름처럼 동작합니다. 막스 플랑크는 19세기 말에 흑체 복사의 성질은 원자가 이산 양자(광자)로 빛을 방출하고 흡수할 때만 설명될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 발견을 통해 물리학자들은 양자 물리학과 고전 역학의 차이점을 이해할 수 있었습니다. 플랑크 발견의 근본적인 요점은 원자의 에너지가 얼마나 작게 변할 수 있는지에 한계가 있다는 것이었습니다. 이 한계는 단일 광자의 방출 또는 흡수와 관련이 있습니다. "퀀텀 점프"의 요점은 이 점프가 가능한 가장 작은 변화라는 것입니다. 따라서 광고주와 정치인이 양자 도약과 같은 진전이 이루어졌다고 말할 때 의도치 않게 그들의 정직성을 드러내는 것입니다.

플랑크 자신은 광자에 대해 언급하지 않았습니다. 그는 원자가 개별적인 부분을 제외하고는 에너지를 방출할 수 없기 때문에 흑체 방사선을 단순히 설명하지 않았습니다. 그는 또한 빛 자체를 입자 구성으로 볼 수 있다고 생각하지 않았습니다. 1905년 논문에서 처음으로 빛이 입자로 처리될 수 있음을 보여 노벨상을 받은 사람은 알베르트 아인슈타인이었습니다. 이 아이디어는 1920년대 빛의 보존 이론으로 발전했습니다. 또한 1920년대에는 전형적인 소립자인 전자도 파동특성을 갖는다는 것이 실험을 통해 입증되었다. 그러나 파동-입자 이중성의 본질은 파동과 입자로서의 전자의 이중 특성을 보여주는 현대 실험에서 명확하게 입증됩니다.

이러한 실험은 빛이 파동처럼 이동한다는 것을 보여주기 위해 고등학교 과학 수업 등에서 자주 사용되는 '이중 슬릿' 실험을 기반으로 합니다. 이러한 실험에서 빛은 스크린의 작은 구멍을 통과하여 두 개의 작은 구멍이 있는 두 번째 스크린에 닿습니다. 두 번째 스크린의 두 구멍 중 하나에서 나오는 빛은 세 번째 스크린을 향해 계속 이어지며, 여기서 빛은 번갈아 나타나는 밝은 부분과 어두운 부분의 패턴을 형성합니다. 이 줄무늬 패턴에 대한 전통적인 설명은 두 구멍 각각의 파동이 마지막 화면 전체에 도달한다는 것입니다. 두 파동이 동기화되면 합쳐져서 밝은 점을 형성하고, 두 파동이 서로 맞지 않으면 서로 상쇄되어 어두운 점을 남깁니다. 두 개의 작은 돌을 동시에 연못에 떨어뜨렸을 때 발생하는 잔물결에서도 똑같은 현상이 발생합니다. 잔물결은 어떤 곳에서는 강해지고 다른 곳에서는 사라집니다. 따라서 이 이중 구멍 실험은 빛이 파동처럼 이동한다는 것을 증명합니다.

1980년대 후반 일본 과학자들이 진행한 현대 실험에서는 광원을 한 번에 하나의 전자를 발사하는 전자총으로 대체했는데, 두 구멍의 역할은 자기장에 의해 이루어졌다. 최종 화면은 Detector for TV 화면과 유사했습니다. 실험 설정을 통과하는 각 전자는 검출기 화면에 도달하기 위해 두 경로(두 개의 "구멍" 중 하나) 중 하나를 선택해야 합니다. 물론, 실험 장치에 전자가 하나씩 발사되면 각 전자는 단일 입자의 도착 이벤트에 해당하는 화면에 정확한 빛의 지점을 일으켰습니다. 그러나 실험 장치에 많은 수의 전자를 하나씩 주입하면 화면에 발생하는 많은 수의 광점이 밝고 어두운 패턴을 형성하는데, 이는 통과하는 파동에 의해 표시되는 간섭 패턴과 정확히 동일합니다. 두 개의 구멍을 통해 동시에 화면에 도달합니다.

위대한 물리학자 리처드 파인만(1918~88)은 두 구멍 실험에 양자역학의 '핵심 비밀'이 담겨 있으며 그 안에서 정확히 무슨 일이 일어나는지는 아무도 모른다고 말한 적이 있다. 이는 양자 실체가 파도처럼 움직이고 입자처럼 도착하고 떠난다는 의미일 뿐만 아니라 과거와 미래도 아는 것 같습니다. 전자는 전자총에서 입자로 출발하여 파동으로 이동하여 두 가지 경로를 통해 실험 장치에 진입하고 다시 입자가 되어 화면의 정확한 지점에 도달하는 것으로 보입니다. 뿐만 아니라 각 전자는 빛을 발산할 적절한 지점을 선택하여 형성하는 데 오랜 시간이 걸리는 간섭 패턴에 기여합니다.

다른 모든 전자를 정확히 어떻게 "알고" 있으며 전자가 어떤 패턴으로 떨어질 것인가? 고전적인 이중 구멍 실험에도 극도로 약한 광원이 사용되어 한 번에 하나의 광자만 실험 장치에 들어갑니다. 마찬가지로 최종 화면에서도 간섭 무늬를 형성합니다.

이 모든 것에 대한 표준적인 설명을 코펜하겐 설명이라고 합니다(주로 코펜하겐의 학자들이 제안했기 때문입니다). 이 설명은 양자 실체가 움직일 때 확률의 법칙을 엄격하게 따르는 파도처럼 퍼진다고 믿습니다. , 그래서 파동이 가장 강한 곳(즉, 전자나 다른 입자를 찾을 가능성이 가장 큰 곳)과 파동이 가장 약한 곳을 계산할 수 있습니다. 관찰이나 측정이 이루어지면(예: 전자파가 검출기 화면에 닿을 때) "파동 함수"가 점 모양의 입자로 붕괴됩니다. 그 순간, 다른 곳에서 전자를 발견할 확률은 0이 되지만, 양자 실체가 더 이상 관찰되지 않으면 확률은 즉시 마지막으로 관찰되었던 곳에서 바깥쪽으로 퍼집니다.

많은 불만족스러운 특성에도 불구하고 코펜하겐 해석은 전자나 양성자와 같은 양자 실체와 관련된 실험 결과를 예측하는 데 사용될 수 있으며 레이저, 컴퓨터 칩 및 기타 여러 인공물을 개발하는 데 사용되었습니다. , DNA와 같은 복잡한 생물학적 분자의 기반이 되는 물리적 기초를 이해합니다. 그러나 코펜하겐 해석의 탁월함은 다른 무엇보다도 역사적 우연입니다. 코펜하겐 해석은 최초로 이용 가능한 해석이기 때문에 물리학자들에게 양자 이론의 표준 버전으로 간주되지만, 일부 만족스럽지 못한 특징을 지닌 여러 방법 중 하나일 뿐이지만 모두 유사한 계산에서 완전한 결과를 제공할 수 있습니다. 동일한 "답변"에 대한 설명. 많은 사람들에게 이는 이러한 설명 중 어느 것도 양자 지평선에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 올바른 통찰력을 제공하지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서 양자 이론이 확고한 기반을 마련하기 전에 문제의 물리적 현상에 대한 완전히 새로운 이해가 필요합니다.

새로운 이해를 얻으려면 일종의 합리적인 도약이 필요할 수 있습니다. 양자역학에 대한 일부 해석에서는 시간을 거꾸로 이동하는 신호가 필요한 반면, 모든 해석에서는 입자가 멀리 떨어져 있더라도 순간적으로 서로 정보를 교환할 수 있어야 합니다. 이것이 합리적 도약의 특징일 수 있습니다.

그러나 양자 이론은 원자와 다른 입자 시스템의 특성을 계산하는 데 사용할 수 있는 요리책의 레시피와 같습니다. 마치 양자 세계에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하지 않고도 양자 법칙을 사용하여 수소 스펙트럼을 계산할 수 있는 것처럼 오븐에서 일어나는 물리적 과정을 이해하지 않고도 레시피를 따르고 케이크를 구울 수 있습니다. 따라서 우주를 연구하기 위해 분광학을 사용하는 것은 양자 이론이 제공하는 원자와 분자에 대한 지식에 직접적으로 의존합니다. 원자핵의 특성도 양자 과정에 따라 달라지므로 별 내 핵합성과 에너지 생성 반응에 대한 우리의 이해도 양자 이론에 의존합니다. 예를 들어, 알파 붕괴 중에 알파 입자가 (터널링 효과를 통해) 핵에서 어떻게 탈출하는지 설명하고 원자핵이 어떻게 자체 양전하의 반발력을 극복하고 내부 조건에서 별에 모일 수 있는지 설명하는 것은 양자 불확실성입니다. 함께. 원자핵의 위치가 불확실하기 때문에 원자핵은 상응하는 고전 입자보다 더 크게 늘어나서 서로 "교차"할 수 있으며 고전 역학에서 너무 멀리 떨어져 있어서 합쳐질 수 없다고 말하는 경우에도 결합할 수 있습니다. 핵심 온도를 포함하여 태양의 관찰된 많은 특성을 예측하는 데 있어 이것이 태양 내부에서 어떻게 일어나는지 설명하는 모델의 성공은 양자 물리학이 실제로 이 수준(적어도 요리책의 의미에서)의 사물에 대한 적절한 설명이라는 증거입니다. 최고의 대규모 상징 중 하나입니다.

양자물리학과 우주론의 가장 중요한 교차점은 1920년대 와이너 하이젠베르크가 제안한 불확정성 원리이다. 이는 파동-입자 이중성과 관련이 있으며 물체의 위치와 운동량의 불확실성, 즉 물체가 어디로 가고 있는지 얼마나 잘 아는지에 의해 가장 명확하게 설명됩니다. 위치는 분명히 입자의 속성이므로 고전적인 입자가 어디에 있는지 정확히 알 수 있습니다. 고전적인 파동이 어디에 있는지 알 수 없고 단지 그것이 통과하는 공간의 영역만 알 수 있다는 것도 분명합니다. 파동의 본질은 바깥쪽으로 확장되는 것이기 때문입니다. 고전 역학의 세계에서 파동은 입자와 같은 의미에서 위치를 갖지 않지만 방향을 가지고 있습니다. 파동은 추진력을 갖고 어디로 가는지 알고 있습니다.

하이젠베르크는 양자 세계에서 위치와 운동량을 이해하는 데 본질적인 불확실성이 있음을 입증했습니다. 전자와 같은 실체의 위치와 운동량을 동시에 알 수는 없으며, 이는 실체의 "변동성"을 향상시켜 위치가 불확실할 정도로 팽창하게 만듭니다. 위치를 정확하게 측정하려고 하면 변동성이 너무 불확실해져서 어디로 가는지 확신할 수 없게 됩니다. 위치 불확실성의 크기에 운동량 불확실성의 크기를 곱한 값은 항상 플랑크 상수를 2π로 나눈 값인 특정 값 이상이어야 합니다(이 값은 h로 기록되며 "h bar로 발음됨). ").

이것은 실험 측정의 어려움으로 인한 결과가 아닙니다. 물론 단일 전자의 위치와 운동량을 측정하는 것은 의심할 여지 없이 어렵습니다. 측정을 수행하면서(아마도 전자에서 광자를 반사시켜) 측정하려는 특성도 변경됩니다. 광자 충격. 그러나 양자 불확실성은 양자 세계에 있는 실체의 본질적인 특성의 진정한 속성입니다. 전자와 같은 실체는 정확한 운동량과 정확한 위치를 동시에 가질 수 없으며, 자신이 어디에 있는지, 동시에 어디로 가는지 정확히 "알" 수 없습니다.

일상적인 기준에 따르면 이 효과는 매우 작습니다. 표준 질량 단위 시스템(g)에서 값 h는 대략 10-34와 같습니다. 이는 무게가 약 1g인 물체의 위치입니다. 불확실성의 측정값(센티미터)입니다. 물체의 질량이 클수록 불확실성은 작아집니다. 질량이 10~27g에 불과한 전자의 경우 그 영향은 상당합니다.

천문학에서 이러한 불확실성의 중요성은 물체의 에너지나 심지어 빈 공간의 영역과 그것이 관찰되는 시간 사이에도 동일한 유형의 관계가 있다는 것입니다. 무언가를 오랫동안 주의깊게 보면 그 에너지를 원하는 만큼 정확하게 측정할 수 있습니다. 하지만 얼핏 보면 에너지, 즉 측정하는 에너지뿐만 아니라 실제로 존재하는 에너지는 항상 불확실합니다. 양자 실체가 자신의 정확한 위치를 "알지" 못하는 것처럼, 그것(그리고 우주 전체)도 짧은 시간 간격에 걸쳐 자신이 소유한 에너지의 정확한 양을 "알지" 못합니다. 양자 불확실성이 허용하는 짧은 순간에 서로 소멸된다면 전자-양전자 쌍(및 기타 입자-반입자 쌍)이 완전한 무에서 나타날 수 있게 하는 것은 바로 이 양자 불확실성입니다. 이것이 블랙홀과 관련된 호킹 복사의 근원입니다. 진공 양자 요동에서 발생하는 인플레이션을 통해 우주 전체가 이런 방식으로 생성되었을 수도 있습니다.

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