Shelby Traynor 가 The Science Show를 위해 작성
11시간 전11시간 전
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1925년, 한 젊은 독일 물리학자가 심한 꽃가루 알레르기를 완화하기 위해 북해의 나무가 없는 헬골란트 섬으로 도피했습니다.
매일 산책과 긴 수영 외에는 주의가 산만해지지 않은 23세의 베르너 하이젠베르크는 난제에 맞서 싸울 시간을 갖게 되었습니다.
사과가 나무에서 떨어지는 거시적 세계는 원자와 그 아원자 구성 요소의 미시적 세계와 다르게 행동합니다.
거시적 세계는 아이작 뉴턴의 운동 법칙으로 설명될 수 있는 반면, 자연의 가장 작은 입자는 무법천지로 여겨졌습니다.
하이젠베르크가 그의 회고록에 썼 듯이 , “과거 물리학”에 따라 그들의 행동을 이해하려는 모든 시도는 실패할 운명인 듯했습니다.
그래서 그는 헬골란트의 상쾌한 바닷바람에 도착했습니다. “꽃과 초원에서 멀리 떨어진” 곳에서 그는 수학적 해결책을 찾기로 결심했습니다.
헬골란트 여행 한 달 후인 7월 29일, 하이젠베르크는 양자역학의 도래로 여겨지는 논문을 제출했습니다 .
그 후 몇 년 동안 물리학의 위대한 학자들은 이 모든 것이 무엇을 의미하는지에 대해 고심했습니다.
그 결과, 그들은 양자 물리학의 가장 이상한 기둥 중 일부를 발견했습니다.
1925년은 물리학에 있어서 ‘큰 해’였다
하이젠베르크의 성찰과 그에 따른 저술은 19세기 말에 도입된 “양자”라는 개념에서 영감을 얻었습니다.
양자는 에너지의 개별적인 묶음이며, 양자의 존재는 에너지를 연속적인 현상으로 보는 기존의 관점에 도전했습니다.
하이젠베르크는 1925년에 이러한 변화를 이해할 수 있는 수학적 공식을 내놓았는데, 이를 “행렬 역학”이라고 불렀습니다.
이는 양자역학에 대한 최초의 일관되고 논리적인 공식화였지만, 놀라울 정도로 밀도가 높은 이론이기도 했습니다.
한편, 오스트리아-아일랜드 출신의 이론물리학자 에르빈 슈뢰딩거 역시 1925년 한동안 은둔 생활을 하며 스위스의 고지대 요양소에서 결핵 치료를 받았습니다.
그는 나중에 파동 방정식으로 알려지게 될 양자 역학의 자체 공식을 개발하고 있었습니다.
파동 방정식은 하이젠베르크의 행렬보다 이해하기 쉬웠고, 그 결과 오늘날에도 여전히 입자의 행동을 이해하는 데 사용되고 있습니다.
모나쉬 대학의 회원이자 수학자이자 역사학자인 로빈 아리안로드는 “그해는 중요한 한 해였습니다.”라고 말합니다.
“그해는 양자역학이 공식화된 해였습니다… 그리고 그 두 가지 다른 공식주의를 해석하려고 시도하면서 온갖 결과가 발생했습니다.”
그 이유는 글로 쓰인 방정식이 물리적 세계에 적용될 때 그 의미가 항상 즉시 명확하지 않기 때문입니다.
슈뢰딩거는 처음에 그의 파동 방정식에서 파동을 음파나 파도와 같은 물리적 현상으로 생각했습니다.
하지만 슈뢰딩거가 자신의 방정식을 해석한 방식은 틀렸습니다.
“파도가 예측하는 것은 사실 확률입니다.”라고 아리안로드 박사는 말한다.
” 그것은 입자가 있을 수 있는 모든 가능한 장소를 알려주는 확률의 파동입니다. “
종이에 파동의 아주 기본적인 그림을 그리면, 봉우리와 골짜기는 입자가 발견될 가능성이 더 크거나 작은 곳을 나타냅니다.
하지만 이상한 점이 있습니다. 관찰되기 전까지는 입자가 정확한 위치를 가지고 있지 않다는 것입니다. 입자는 가능한 모든 위치에 동시에 존재합니다.
이것을 중첩이라고 합니다.
이 개념은 종종 “슈뢰딩거의 고양이” 사고 실험을 통해 설명되는데, 이는 고양이가 동시에 살아 있기도 하고 죽어 있기도 하다는 것을 의미합니다.
“그것은 정말 흥미롭고 이상한 아이디어였습니다.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
너무 이상해서 물리학의 두 거장, 알베르트 아인슈타인과 덴마크 물리학자 닐스 보어 사이에서 수십 년간의 논쟁이 시작되었습니다.
아인슈타인-보어 논쟁
세계 최고의 물리학자들이 1927년 솔베이 물리학 회의에서 이 새로운 양자역학을 논의하기 위해 모였습니다.
두 개의 진영이 생겨났고, 그들은 이 회의의 sidelines에서 치열한 경쟁을 벌였습니다.
보어와 그의 추종자들은 입자의 속성에 관해서는 통계적 가능성만을 알 수 있다는 것을 받아들였습니다.
하지만 아인슈타인은 이를 받아들일 수 없었습니다. 그는 신이 현실의 구성 요소 자체로 “주사위 놀이”를 한다고 믿지 않았습니다.
그래서 식사 시간이나 호텔과 회의장 사이를 걷는 동안 두 남자는 토론을 벌였습니다.
아리안로드 박사는 “아인슈타인은 매일 아침 깜짝 상자처럼 뛰어올라 새로운 사고 실험을 하며 양자 이론의 한계를 보여주려고 노력했습니다.”라고 말합니다.
“그리고 그때마다, 잠 못 이루는 밤을 보낸 뒤에, 보어는 그러한 반대 의견에 답할 방법을 찾아냈습니다.”
솔베이 회의 이후, 보어가 논쟁에서 승리한 것으로 여겨졌습니다. 결국 양자역학 방정식이 성립했기 때문입니다.
“모두가 보어가 이겼다고 생각했지만, 보어 자신은 이런 아이디어에 대해 계속 고민했습니다.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
수년 동안 두 사람은 편지를 주고받고 사고실험을 하며 입자가 관찰되기 전까지 모든 가능한 상태가 중첩된 상태에 있을 수 있는 이유를 알아내려고 노력했습니다.
입자를 관찰하는 것이 어떻게 입자를 바꿀 수 있을까요? 관찰되든 안 되든 입자는 고유한 속성을 가지고 있지 않나요?
관찰자 효과와 이를 반박하려는 아인슈타인의 시도가 바로 우리가 가장 이상한 현상인 얽힘을 발견하게 된 계기가 되었습니다.
얽힘의 우연한 발견
물리학에는 아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) 역설로 알려진 유명한 논문이 있습니다 .
이 글에서 저자는 관찰자 효과의 문제점을 보여주기 위해 사고 실험을 제시합니다.
“빨간색 젤리빈과 초록색 젤리빈이 각각 밀봉된 상자에 들어 있다고 가정해 보세요.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
“관찰자 1이 상자를 열어 녹색 젤리빈을 발견했다면, 관찰자 2는 다른 상자에 있는 젤리빈의 색깔이 빨간색일 것임을 압니다.”
이해하기는 충분히 쉽습니다. 하지만 만약 이것이 양자역학적으로 “얽힌” 젤리빈이라면, 상황은 더 복잡해집니다.
양자역학에 따르면, 두 젤리빈 모두 고유한 색깔을 가지고 있지 않습니다. 관찰되기 전까지는 빨간색과 초록색이 중첩된 상태로 존재합니다.
“확실히 말할 수 있는 건 젤리빈 하나가 빨간색일 확률이 50%이고, 젤리빈 하나가 녹색일 확률이 50%라는 것입니다.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
관찰자 1이 상자 안을 들여다보고 빨간 젤리빈을 발견하면, 관찰자 2의 젤리빈은 즉시 녹색이 될 것입니다.
“이것은 두 번째 젤리빈의 색깔이 첫 번째 관찰자에 의해 결정된다는 것을 의미합니다. 이미 존재하는 색깔이 아닙니다.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
EPR 논문은 “현실에 대한 합리적인 정의가 이를 허용할 것이라고 기대할 수 없다”는 결론을 내렸습니다.
보어는 EPR 논문에 답하며 아인슈타인의 결론에 동의하지 않았습니다. 그리고 그게 전부였습니다.
그리피스 대학의 이론물리학자 에릭 카발칸티는 “그 문제는 본질적으로 수십 년 동안 제쳐두어졌다”고 말한다.
“양자역학의 기초에 대해 질문하려는 사람은 입을 다물고 계산하라고 들었습니다.
” 철학에 대해 걱정하는 것은 시간 낭비로 여겨졌습니다. “
그러나 EPR 논문이 발표된 지 30년 후, 북아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨은 이를 더 자세히 살펴볼 가치가 있다고 결정했습니다.
아인슈타인이 틀렸다는 것을 증명한 테스트
아인슈타인은 자신이 “소름 끼치는 원격 작용”이라고 부르는 현상을 받아들일 수 없었습니다.
그는 젤리빈의 색깔을 결정하는 것은 단순히 상자를 열고 안을 들여다보는 관찰자가 아니라 “숨겨진 변수”라고 생각했습니다.
그래서 벨은 아인슈타인의 아이디어를 시험하기 위해 정리를 고안했습니다 .
그는 아인슈타인의 세계관을 고수한다면 얽힌 입자 쌍에 대해 언제나 알 수 있는 것에는 한계가 있다는 것을 발견했습니다.
예를 들어, 젤리빈의 색깔은 알아낼 수 있을지 몰라도, 그 운동량을 알아내는 것은 너무 과한 일입니다.
그 의미는 만약 당신이 이 상한선을 넘으면, 당신은 아인슈타인이 틀렸다는 것을 증명한다는 것입니다.
알랭 아스펙트, 존 클라우저, 안톤 차일링거가 2022년 노벨 물리학상을 수상하게 된 것도 바로 이런 이유에서였습니다.
그들은 상한선을 깨고, 양자역학이 그 모든 이상함에도 불구하고 입자의 행동을 설명하기에 충분하다는 것을 증명했습니다.
애스펙트 교수의 실험은 아인슈타인의 세계관이 틀렸다는 것을 증명했지만, 그는 그것을 자랑스러워하지 않았습니다.
그는 수상 소감에서 “사람들이 ‘아, 당신은 아인슈타인을 잘못 보여줬어요’라고 말할 때, 저는 ‘이봐요, 저는 아인슈타인이 훌륭하다는 걸 보여줬어요’라고 말합니다.”라고 말했습니다.
결국, 아인슈타인이 그 모든 후속 질문을 하지 않았다면, 입자 물리학에 대한 우리의 이해와 양자 기술에서 얽힘을 활용하는 방식이 어디쯤 되었을지 불분명할 것입니다.
“보어의 직감은 옳았습니다.”라고 아리안로드 박사는 말합니다.
” 하지만 아인슈타인은 근본적인 원리를 찾고자 하는 열망으로 인해 양자역학의 가장 기괴한 특성 중 하나를 발견하게 되었습니다. “
그 다음은 무엇일까?
올해 물리학자들은 하이젠베르크의 운명적인 여행 100주년을 기념하여 그의 발자취를 따라 헬골란트로 여행을 떠났습니다 .
유엔은 2025년을 양자 과학 및 기술의 세계 해로 선언했습니다 .
하지만 아인슈타인이 처음에 던진 질문, 즉 이 모든 것이 무엇을 의미하는가?는 여전히 이론 물리학자들을 괴롭히고 있습니다.
입자가 상태의 중첩, 즉 얽힘 상태에 있다는 것은 무엇을 의미할까요? 관찰자가 입자를 변화시킨다는 것은 무엇을 의미할까요?
수학은 효과가 있을지 몰라도 의미를 만들어낼 수는 없습니다.
카발칸티 박사는 “문제 중 하나는 많은 답을 가지고 있지만 어느 것이 옳은지 모른다는 점”이라고 말합니다.
“그리고 각각은 현실에 대한 완전히 다른 그림을 그립니다.”
하나는 다세계 이론으로, 확률의 파동이 관측 후에도 붕괴되지 않는다고 주장합니다. 모든 확률은 평행 우주에서 계속 존재하며 작용합니다.물리학의 성배: 양자 중력을 찾기 위한 탐구
이 사진은 보라색 시공간 속에 묻힌 노란색 행성의 추상적인 이미지를 보여주며, 질량에 따라 휘어져 있습니다.
물리학에는 우리가 아직도 풀지 못한 100년 된 수수께끼가 있는데, 그것은 바로 시공간 그 자체의 본질과 관련이 있습니다.
카발칸티 박사는 “직장을 그만두기로 선택한 분야가 있고, 직장을 유지하기로 선택한 분야가 있다”고 말합니다.
그리고 관찰자의 주관적인 믿음을 측정의 중심에 두는 큐비즘(QBism)이 있습니다 . 당신의 기대는 관찰 결과에 영향을 미칩니다.
그리고 입자들 사이의 빛보다 빠른 상호작용을 가능하게 하는 드 브로이-봄 이론이 등장하면서 아인슈타인의 상대성 이론은 무너졌습니다.
수십 가지의 해석이 있고, 하나하나가 다음보다 더 기괴합니다. 그중 어떤 것이든 사실일 수 있습니다.
“우리는 과연 알 수 있을까요? 보어에게는 중요하지 않았습니다. 그는 알 필요가 없었지만, 아인슈타인은 알고 싶어 했습니다.” 아리안로드 박사는 말한다.
“알고 싶어 하는 사람들은 항상 있을 거예요. 자연이 그 비밀을 밝혀낼지는 아무도 모릅니다.”
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게시됨 11시간 전
