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<대승불교와 현대과학 시즌1> 5주차 후기

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작성자 푸른달 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일19-03-18 21:11 조회479회 댓글2건

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남산강학원 [대승불교와 현대과학] 시즌1 | 2019 3 18 | <세상에서 가장 쉬운 양자역학 수업> 후기





본질의 세계는 없다.



본질이라는 세계가 있을까요? 고대부터 계속되어 왔던 이 질문에 양자역학은 어떻게 답을 할까요? 지난 시간에는 이 질문과 관련하여 흥미로운 양자역학의 중요한 실험 몇 가지를 알게 되었습니다.


먼저 이중슬릿 실험

길게 두 개 나란히 구멍을 낸 이중 슬릿과 그 너머 빛의 무늬를 관찰할 수 있는 스크린을 설치합니다. 그리고 그 두 개의 슬릿을 향해 전자총을 이용해서 한꺼번에 여러 개의 전자를 쏘아 봅니다. 그랬더니 여러개의 전자가 스크린에 간섭무늬를 만들어 냅니다. (이중 슬릿으로 물결을 통과시킨다고 상상해 보아요.) 이로써 전자의 파동성이 설명됩니다. 다음에는 같은 장치에 전자를 하나만 쏘아봅니다. (구슬을 상상해봅시다.) 그랬더니 스크린에 하나의 자국만 남았습니다. 전자는 두 개의 슬릿 중 한 번에 어느 한 쪽을 통과하므로 그런 결과가 나오겠죠.

그러면 이번에는 전자총으로 여러 개의 전자를 쏘되 한 번에 하나씩 연속해서 쏘아보기로 합니다. 그렇다면 하나의 입자씩 쏘게 될 테니까 이전처럼 스크린에는 점묘화로 된 두 줄의 무늬가 생겨나리라 예상됩니다. 그러나! 우리의 예상과는 다르게 스크린에는 전자를 한꺼번에 쏘았을 때처럼 간섭무늬가 나타납니다. 음 왜죠? 구슬이 어떻게 물결이 되죠? 관념적으로 그냥 물결을 점으로 표시할 수 있는 것처럼 그렇게 가능한 거 아니야?라고 생각해서는 안 됩니다. 구슬을 하나씩 던질 때 이것이 반대편 스크린에 도달하려면 두 개의 슬릿 중 어느 하나를 통과해야 할 것입니다. 그러면 분명 둘 중 하나를 통과해서 해당 위치에 점이 찍혀야 맞죠. 반면 스크린에 간섭무늬가 나온다는 것은 예를 들어 물결이 이중 슬릿을 통과할 때 파동이 서로 겹쳐지면서 파고가 더 높은 곳이 더 많은 에너지를 갖고 반대로 상쇄되는 부분은 에너지가 없어지면서 스크린에 간섭무늬(세로로 된 연속 줄무늬)가 생겨나는 것이라 필연적으로 두 개의 슬릿을 ‘동시에’ 통과해야 가능합니다. 결국 구슬이 두 슬릿을 동시에 통과할 수 있어야 간섭무늬는 가능한 것이죠. 그런데 하나의 구슬이 어떻게 동시에 두 구멍을 통과할 수 있죠?

그래서 과학자들은 이런저런 가설들을 생각해보게 됩니다. 그러다가 그럼 슬릿을 통과한 입자가 어떤 상태인지 관측을 해보면 알 수 있지 않을까? 해서 슬릿 구멍 안쪽에 관측기를 설치합니다. 그런데! 베스트 오브 베스트의 기묘함이 발생합니다. 관측기를 달아 측정하면 스크린에 더 이상 간섭무늬가 나타나지 않고 우리의 처음 예상대로 두 줄의 점묘화가 생겨납니다. 으잉? 도대체 어떻게 된 것일까요? 전자가 누군가 자신을 보고 있음을 알고 행동을 바꾼 것일까요?


여기서 잠깐! 신기방기 <이중 슬릿 실험> 보고 가실게요.

https://www.youtube.com/watch?v=rsuOap06JhI&feature=youtu.be

https://www.youtube.com/watch?v=yTVCLL_v4og




이에 대해 코펜하겐 학파(이제 우리도 아는!)의 해석이 등장합니다. 입자인가 파동인가. 갈비인가 치킨인가.

보고도 믿기 어려운 위와 같은 현상에 대해 보어로 대표되는 코펜하겐 학파는 이렇게 해석합니다. (VS 이에 대한 아인슈타인의 깨알 반론)


1. 전자는 확률로 존재한다: 전자는 입자와 파동의 성질을 모두 지니므로 그 정확한 위치를 결정하는 것은 불가능하다. 우리가 알 수 있는 것은 어느 위치에 있을지 그 확률을 알 수 있을 뿐이지 예측을 할 수는 없다. 전자의 운동은 결정할 수 없다. ( VS 우주의 운동은 결정된 원리에 의해 돌아간다. “신은 주사위 놀이를 하지 않는다.”)

2. (인간의) 관측 행위가 물리량의 상태에 영향을 미친다: “우리가 이중 슬릿을 관찰할 때 전자는 입자가 되었다”인간의 관측 행위가 물리량에 개입하여 그것의 상태를 만들어낸다. 내가 그의 이름을 불러주었을 때 그는 꽃이 되었다! 인간의 행위가 의미를 만든다! (VS 아인슈타인 선생님 왈, 그러면 내가 달을 보기 전엔 달이 없고 내가 보면 달이 있다는 말인가? 말이 되는가?)


3. 불확정성 원리가 존재한다: 1+2를 설명하는 것이라고도 볼 수 있는데요. 우리가 지지난 주에 함께 본 28쪽의 빛의 스펙트럼과 파장을 나타내는 표를 보면 주파수가 커질수록, 파장이 짧아질수록 에너지가 높다는 것을 알 수 있었지요. 예컨대 장파인 빨간색보다 단파의 보라색의 에너지가 높다는 뜻입니다. 전자의 위치를 측정하려면 전자를 원자 밖으로 나오게 해야 하는데 그러려면 주파수가 큰 / 에너지가 큰 빛을 쪼여야 합니다. 그런데 아주 작은 전자를 에너지가 아주 큰 광자로 쪼이게 되면 전자의 위치가 흔들립니다. 그러므로 입자의 위치값을 안다는 것은 불가능합니다. (VS 아인슈타인은 그것은 우리가 측정할 때 범하는 오류를 뜻할 뿐이다. 불가능한 것이 아니라 못하는 것이라고 반박합니다. 이를 증명하기 위한 아인슈타인의 사고 실험이 있는데요. EPR 사고실험이라고 합니다.)

4. 양자 얽힘: 양자 얽힘이란 입자가 서로 중첩된 상태라는 사실에서 출발합니다. 지난 세미나 시간에 중첩을 보여주는 은 입자 실험에 대해 근영샘께서 말씀해 주셨죠. 입자는 축을 따라 회전을 하는데 두 가지 방향을 갖습니다. 오른쪽으로 돌거나 왼쪽으로 돌거나. 입자는 이 두 방향이 중첩된 상태로 존재하다가(상상이 어렵습니다만) 입자를 쪼개면 전자(-)와 양전자(+)로 나뉘는데 이때 전자가 왼쪽으로 돌면 양전자가 오른쪽으로 돌고, 전자가 오른쪽으로 돌면 양전자가 왼쪽으로 돕니다. 쪼개진 입자의 한쪽 상태를 바꾸면 다른 쪽의 상태가 바뀌는 이런 현상을 양자 얽힘이라고 합니다. (아인슈타인은 이러한 얽힘의 상관관계에는 우리가 밝히지 못한 숨은 변수가 있는데 양자역학은 이것을 밝혀내지 못하기에 불완전한 이론이라고 말합니다. 아인슈타인은 우선 모든 것이 빛보다 빠를 수 없는 점을 전제하고 이 문제를 바라봅니다. 그래서 빛은 상수로서 고정하고 대신 공간을 휘는 방식으로 두 입자의 동시성을 말하지요.- 이런 관점에서 나온 것이 초끈이론이라고 합니다?- )


그러나 코펜하겐 학파의 입장은 빛보다 빠른 속도로 정보 전달이 가능하다 - 아마 우리가 아는 빛이나 시간 개념과는 전혀 다른 방식으로 정보 전달이 이루어지는 방법이 있을지 모른다고 보고 이로써 두 입자의 동시성(양자 전송)을 설명합니다. 우리가 SF 영화에서 주로 보던 순간 이동 같은 경우 모두 양자역학의 이런 가능성을 상상한 것이겠지요.

이중 슬릿 실험에서 입자이자 파동인 중첩의 상태를 가진 전자는 관찰자인 우리와 만나 '입자'로 결정됩니다. 내가 이름을 불러주기 전엔 그저 몸짓이었는데 이름을 부른 순간 너는 꽃이 되었다. 양자역학은 '이름을 부르는 순간', 나와 하나의 몸짓이 만나는 순간이 여는 세계의 마법을 보여준다는 생각이 드네요!


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다음시간에는 베르너 하이젠베르크의 <부분과 전체> 10장까지 읽고 재밌는 이야기를 나눠보아요 :)






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