양자론이 뭐야 by 사토 가츠히코

[ 왜 읽었나?]

 

뉴튼의 중력을 법칙을 안다는 뜻이 아니다. 하지만 상대성원리에 비하면 아주 간단해 보인다....양자이론으로 넘어가면 정말 '슈뢰딩거의 고양이', 스핀 같은 거 밖에는 기업에 남는 것이 없다..

 

원래 어려운 것을 어렵게 설명하는 것은 쉽다.

원래 어려운 것을 쉽게 설명하는 것이 어렵지...

하물며 설명할 수 어려운 것을 쉽게 설명하는 것이라야.....

 

혹시 조금 더 이해할 수 있지 않을까? 한느 기대감에......

 

[ 배운 점]

 

이 책이 양자론의 얼마를 설명하고 있는지 모르겠다...

하지만 써져 있는 내용 자체를 이해하는 데에는 무리가 없다.

핵심적 사상의 흐름과 개념은 적절하게 설명하고 있는 듯 하다.

 

 

[ 주요 내용 ]

 

ㅇ 반도체 칩 안을 지배하고 있는 물리법칙이 바로 양자론.......반도체는 양자론의 결정체

 

ㅇ 양자론은 소립자 등 미시의 세계에 적용되는 물리학의 이론.....반도체 안에서도 도움이 될 뿐 아니라, 유전자나 DNA의 구조를 결정하는 것도 양자론....원자로 안에서 에너지를 발생시키는 핵분열 반응도,,,,태양 속에서 에너지를 만들어내는 핵융합 반응도 양자론에 의해서 일어나고 있는 것..

 

ㅇ 양자론은 전자를 파동이라고 생각.....정확히는 입자이기도 하고, 파동이기도 한다는 모순된 양면성을 가지고 잇다......물의 파동은 무수한 물 분자의 집합 전체가 파도와 같은 운동을 하고 잇는 현상....전자는 한 개만으로도 파동의 성질을 나타냄.... .한 개의 전자 그 자체가 입자이기도 하고 파동의 성질을 나타내는 것이기도 하다..

 

ㅇ 원래 파동은 사물이 아니라 현상.....소리는 음파라고 하는 파동.....형태가 있는 물질이 공간을 날아다니는 것이 아니고, 공기밀도의 농도가 전해지는 현상임..

 

ㅇ 관측하고 있지 않을 때에만 나타나는 전자파는 우리들에게 있어서 존재하지 않는 것과 같다.....관측하지 않을 때의 전자는 '이쪽에도 있으나 저쪽에도 있다'라든지, 물질은 항상 애매한 위치나 속도를 갖는다든지, 미래는 엄밀한 법칙에 의해서 하나로 정해져 있는 것이 아니라 주사위로 결정되는 확률적인 것....

 

ㅇ 검은 물체(흑체) : 특별한 빛의 파장을 내보내거나 흡수하지 않고, 온도의 고저만으로 좌우되는 빛을 내보내는 것.....흑체방사연구

 

ㅇ 플랭크는 빛에너지를 'hv을 단위로 하는 집합체라고 생각한다'라는 가설을 발표...이 한개 뭉치의 단위가 바로 양자......특정한 작은 알맹이가 존재한다는 것이 아님....하나의 집합체로 생각되는 작은 단위량의 양자인 것....예를 들어 빛에너지의 경우는 'hv'가 양자가 됨..

 

ㅇ 정수배 이외의 중간치인 에너지, 예를 들면 0.5hv나 1.2hv라는 에너지는 빛을 가질 수 없는 것......종래의 물리학에서는 모든 양(물리량)은 연속적으로 변화하고 있다고 생각......자연현상 안에 어떤 양이 불연속적인 변화를 함. 즉, 띄엄띄엄 값을 취하는 것은 있을 수 없다고 여겼기 때문임.....플랭크 상수 h는 6.626 * 10의 마이너스 34승

 

ㅇ 플랑크는 빛 에너지가 값을 나타낸다는 가설을 세움 = 에너지 양자 가설

 

    아인슈타인은 광전효과를 설명하기 위해, 빛은 작은 입자의 집합체라는 가설을 제창 (광양자가설)

 

ㅇ 운동량 ( = 질량 * 속도)이 p인 전자는 파장이  λ(란다)인 파동이다... 이 때 파장  λ는 플량크 상수  h를 운동량 p로 나눈 값이 된다.. (  λ= h/ P)...전자에 국한하지 않고 모든 물질은 이 식으로 구할 수 있는 파장을 지니는 '파동'이라고 생각하여 이 파동을 물질파라고 이름 붙였다...

 

ㅇ 파동은  '어는 한 지점'에 존재하는 것이 아니라, 어느 범위를 가지고 존재하는 것....원자 안의 '전자파'도 원자핵 주위에 펼쳐져 존재하는 것이 됨.....원자핵의 주위를 도는 전자파가 언제까지나 사라지지 않고 존재하기 위해서는 한바퀴 돌아온 파동의 산이 처음의 산과 완전히 일치해야 함.....이 조건을 충족시킬 때, 전자파의 '하나의 길이'는 반디스 파동의 파장 (산에서 산까지)를 정수배 한 것이 됨

 

ㅇ '어느 장소'에서 전자를 발견할지는 그 장소에 있어서 파동의 진폭, 즉 파동함수 ψ값에 의해 좌우되는 것.....ψ의 절대값이 큰 장소일수록 그곳에서 전자를 발견할 가능성이 높은 것

 

ㅇ 우리들이 보지 않을 때에만 전자는 파도와 같이 퍼져있다.. 그리고 그때에 전자는 '서로 겹쳐져 있는 상태'라고 볼 수 있다...단, 이것은 '전자는 A점이나 B점의 양쪽에 동시에 있다'는 것이 아님.....또한 '전자는 A점이나 B점 어느 한쪽에 있으나 어디에 있는지는 모른다. 또한 확률적으로 말할 수 밖에 없다'라는 것과도 다르다....'하나의 전자가 A점에 있는'상태와 '같은 하나의 전자가 B점에 있는'상태가 같은 전자 안에서 서로 겹쳐져 공존하고 있다는 것....

 

ㅇ 전자의 위치는 마치 주사위를 흔들어 그 수에 따라 전자의 발견장소가 정해지는 것처럼 확률적으로 (우연히) 결정되는 것이라고 보어는 생각한 것....

 

ㅇ 우리들이 전자를 볼 때 반드시 전자는 한 지점에서 관측된다... 파동의 수축

 

 

 

ㅇ '파동수축'과 '확률해석'을 두 축으로 보여지기 전의 전자와 보여진 후의 전자의 모습을 이해하려는 해석방법을 '코펜하겐 해석'이라고 부른다..

 

ㅇ 아인슈타인은 확률해석에는 강하게 저항.....확률이라는 원리를 물리학 안으로 가져오면, 물리학은 이미 '결정론'이 되지 않기 때문임.....물리학을 결정론이라고 생각한다는 것은 간단히 말하면, 과거 어느 시점에서의 조건을 모두 알 수만 있으면, 그 미래는 단 하나로 결정할 수 있다고 생각하는 것

 

ㅇ 확률이라는 사고 방식을 가져오면 아무리 조건이 갖추어져도 미래는 하나로 확정할 수 없고, 전자는 A지점에서 발견될지도 모르고, B지점에서 발견될지도 모르게 됨.. 실제로 어느 쪽이 되는지는 미래가 되지 않으면 알 수 없다..소위 '다다르는 곳이 결정된다'는 것이 됨

 

ㅇ 전자의 도착장소는 확률적으로 예측한다..

 

 

 

ㅇ 더블슬릿 실험은 전자가 파동인 것을 나타내는 단적인 증거....한편 전자를 항상 어느 지점에서 발견할 수 있고 그 전자 하나의 질량이나 속도를 측정할 수 있음....종합하면 전자의 알맹이로서의 성질과 파동으로서의 성질을 모두 인정하지 않을 수 없게 됨....전자는 '입자'로서의 얼굴과 '파동'으로서의 얼굴을 지닌, 소위 지킬박사와 하이드 같은 존재인 것

 

ㅇ 양자론은 전자가 파동성을 나타내는 것을, 그리고 전자에 한정하지 않고 모든 물질이 파동으로서의 성질을 가지고 있다는 것을 명확히 했던 것...

 

ㅇ 큰 물질이 가지는 파동은 그 파장이 너무나도 작고, 게다가 파동이 수축되어 있기 때문에 이러한 물질에는 파동으로서의 성질이 명확하게 나타나지 않기 때문......야구 공의 파장은 10의 -33승.....이것은 원자 크기 (10의 -10승 미터정도)의 1조분의 1, 더욱이 1,000억분의 1이라는 아주 작은 크기임

 

ㅇ 물질의 질량이 커질수록 물질파의 파장은 짧아지는 것....파장이 짧아질수록 파동의 범위가 작아지기 때문....

 

ㅇ 전자가 슬롯 어디를 통과하는지 보려고 해도 광자를 비추는 순간, 전자파가 수축되기 때문에, 우리들은 어딘가 한 점에 있는 전자만 관측할 수 있는 것....파동의 성질을 잃은 전자는 한쪽 슬릿만을 통과하고, 스크린에 간섭무늬를 그리는 일은 없다....

 

 

ㅇ 미시 세계에서는 '관측결과의 애매함'이 존재함....이것은 미시세계에 존재하는 '원리적, 본질적인 불확실함'이고 양자론이 초래한 발견 중에서 가장 충격적인 것..

 

ㅇ 불확정성 원리: 어떤 물질에 관련하는 '위치'와 '운동량'을 측정할 때, 양쪽을 동시에 하나의 값으로 측정할 수가 없고, 피할 수 없는 불확정성이 남는다'는 것

 

 

ㅇ △x는 '운동량 (=질량 * 속도)의 불확정함의 폭을 나타냄...이 양쪽의 수치가 플랑크 상수 h와 같거나 그 이상이 되는 것, 반대로 말하면 h보다 작게 하거나, 혹은 0이 절대로 될 수 없는 것을 이 식은 나타내고 있다..

 

ㅇ 전자위치의 분포는 '파동이 퍼지는 범위'로 나타나고, 전자의 속도 분포는 '파동을 정현파로 분해했을 때의 각각의 파장'으로 대표되는 것......이것은 파장이 긴 것일수록 전자속도가 늦다는 것을 의미함...위치와 마찬가지로 속도에 대해서도 여러 가지 속도가 되어 있는 상태가 서로 겹쳐 있는 것......전자의 속도가 측정될 수 있는 것은 전자파가 단지 하나의 정현파로 나타나는 것을 의미함.....이 때 파동은 가로축 방향으로 무한히 퍼짐....즉 전자의 속도를 확정하면, 전자는 거의 무한한 장소에 퍼져있을 가능성이 크게 되며, 어디에 있는지 알수 없게 됨..

 

ㅇ 전자의 위치를 결정하려면 운동량(속도)이 정해지지 않게 되고, 운동량을 정하려면 위치가 정해지지 않게 되는 것은 전자를 파동이라고 생각한 이상 피할 수 없는 불확정성 원리가 됨

 

ㅇ 위치와 운동량을 동시에 '오차 없이 측정할 수 없다'는 아니라는 것....측정의 정도는 문제가 아니라, 어느 시각에 있어서나 물질의 위치와 운동량은 단지 한가지로 정해지지 않는, 즉 물질은 항상 애매한 위치나 운동량을 가진다는 점임....이것이 미시적 물질의 성질이며 우리들이 지금까지 알고 있던 물질관이나 자연관을 근본부터 뒤집는 사실임..

 

 

 

ㅇ 'A점으로부터 B점 사이의 어딘가에 있고, 초속 1미터에서 5미터 사이의 속도로 움직이고 있다'라는 것 밖에 말할 수 없다....그 미래도 복수의 가능성이 있고, 어느 것이 실현되는지는 확률적으로 우연에 의해 이루어진다고 양자론은 주장함...

 

ㅇ 양자론은 물질이나 자연이 단순히 하나의 상태로 정해지지 않고 굉장히 애매한 것을,그리고 애매함이야말로 자연의 본질인 것을 우리들에게 나타내는 것.....양자론은 물질이 '입자'와 '파동' 두 가지 성질을 가지고 있는 것, 그리고 자연은 원리적, 본질적으로 상당히 애매하다는 것을 나타내고 있음....자연에 대해서 우리들이 할 수 있는 것은 '대략적인 측정이나 확률적인 예측을 행하는 것'

 

ㅇ 상대성이론에 의하면 떨어진 장소에서 일어난 두 개의 사건은 '동시에 일어났다'고 말할 수 없기 때문에, EPR패러독스의 모순은 해결되는 것....즉 아인슈타인 스스로 만든 상대성이론의 사용방법은 틀렸다고 할 수 있는 것

 

ㅇ 양자론에 의하면 누군가 보았을 때에만 달의 장소는 확정되는 것....

 

ㅇ 양자론은 객관적인 사실의 존재를 부정함...자연은 관측에 의해 상태가 비로소 정해지는 것, 아무도 관측하지 않을 때에는 아무것도 정해지지 않음. 확정된 사실은 무엇하나 존재하지 않는다는 것..

 

ㅇ 어울리지 않는 두 개의 사물이 서로 보충하여 하나의 사물이나 세계를 형성하고 있다는 생각을 상보성(상보성원리)라고 함..

 

ㅇ 슈뢰딩거방정식에서는 파동이 수축을 하지 않는다는 것은 물질의 행동 안에서 파동의 수축이 일어나지 않는다는 것을 의미함.....폰노이만은 '파동의 수축은 인간의 의식 안에서 발생한다'고 결론....관측자인 인간이 그것을 '관측했다'고 의식하는 순간 파동의 수축이 일어난다고 생각....물질이 행동하는데 파동이 수축하지 않는다면 그것이 일어나는 장소는 인간의 의식 안에서만 존재한다는 것이 그의 주장...

 

ㅇ 폰노이만이 증명한 '슈뢰딩거 방정식에 의하면 파동의 수축은 일어나지 않는다'라는 것도 확실한 사실.... '파동은 수축하지 않고 펼쳐진 상태이다'라고 생각하면 어떨까? 파동의 수축은 코펜하겐 해석의 가정 중 하나....이것을 포기하고 거시세계에 나타나는 관측결과를 설명할 수는 없을까? 이것이 다세계해석의 출발점이기도하고 최대의 포인트

 

ㅇ 논리적으로 엄밀하 '맞다'라고 증명할 수 없는 대신에 '틀렸다'라고도 말할 수 없게 됨.. 다세계해석의 특징이기도 하며 또한 최대의 장점은 슈뢰딩거 방정식으로는 설명할 수 없는 '파동의 수축'이라는 가정을 사용하지 않는다는 점.........그 대신 우리들이 알지 못하는 사이에 복수의, 예를 들어 '전자가 A점에 있는 세계',' B점에 있는 세계' 등으로 나뉘어져 있다고 생각하는 것.......즉 하나의 전자 안에 '각각의 장소에 있는 상태'가 겹쳐 있는 것이 아니라, 전자가 각각의 장소에 있는 세계가 겹쳐져 있는 (동시 진행하고 있는 것)'

 

ㅇ  왜 전자는 두 개의 세계로 나뉘어진 거시 다시금 만나서 간섭을 일으키는데 '고양이'는 갑섭을 하지 않는가?  다세계해석으로서 그 이유는 '결과적으로 완전히 같은 상태가 되는 경우에 한정되고, 두 개의 세계로 나누어진 물질이 다시금 겹쳐서 다른 과거가 간섭상태를 일으키게 된다'라고 설명하고 있음..

 

ㅇ 전자의 더블슬릿 실험....전자는 진공상태를 날아다니고 (도중에 공기분자 등이 있으면...)

 

 

ㅇ 진공을 '입자와 반입자가 생성, 소멸을 거듭하고 있는 공간'이라고 생각하는 것은 장의 양자론에서 생긴 개념이고, 이것을 기초로 하여 궁극의 미립자를 연구하는 소립자 물리학이 발전해나간 것..

 

ㅇ 양자론, 양자역학은 전자 등 미시적 물질의 운동이나 상태를 취급하는 '역학'에 관한 이론..

 

 

 

 

를 인정하지 않는 것....개념적인 혹은 철학적인 의미에서의 '제로'는 물리적으로 있을 수 없다는 것도 양자론이 명확하게 한 사실 중의 하나..

 

ㅇ 무수한 입자와 반입자가 끊임없이 대생성과 대소멸을 반복하는 상태를 '진공의 흔들림'이라고 부름

 

ㅇ 물질을 구성하는 여러 가지 미시 미립자(소립자)가 공간(장)의 상태로 변화는 과정으로 생성하고 소멸한다고 생각하는 '소립자 물리학'

 

ㅇ 물질을 구성하는 기본 입자인 소립자가 결코 불변한 것이 아니고 만들어지거나 없어지거나 다른 입자로 형태를 바꾸거나 하는 것은 자연의 본질적인 불확정함, 애매함을 설명하는 실로 양자론의 진면목이라고 할 수 있음