양자역학에 따르면 광자는 스스로 간섭합니다. 그렇다면 능동 위상 배열 레이더는 어떻게 구현됩니까?

맥스웰의 전자기학이 지배하던 시대, 모든 과학자들은 빛이 전자기파라고 믿었지만, 아인슈타인이 광전 효과의 이유를 증명하기 전까지는 빛의 에너지가 하나씩 방출되기 때문입니다. 즉, 빛은 하나 하나의 입자입니다.

이는 양자역학의 획기적인 사건입니다.

Maxwell은 전자기 복사를 진동하는 전기장 및 자기장 구성 요소로 식별했으며, 둘 다 서로 수직이고 진공에서 전파 방향에 수직입니다.

양자역학에 따르면 전자기파의 전기장 성분은 광자의 에너지에 해당하고, 자기장 성분은 광자의 스핀에 해당합니다.

양자역학의 고전적 해석에 따르면 광자는 전파 경로를 따라 무작위로 분포되어 있으며 이러한 무작위 분포의 확률은 파동 함수로 제공됩니다.

이러한 상황을 설명하기 위해 예를 들 수 있습니다.

사람이 복권을 사러 복권 가게에 가는 것처럼, 당첨 확률은 오로지 자신과 관련이 있을 뿐입니다. 10번 당첨 확률과 100번 당첨 확률은 서로 영향을 미치게 됩니다.

하지만 당첨 확률은 옆 사람이 10번 사거나 100번 살 확률과는 아무런 관련이 없습니다.

정확하게는 양자가 자신을 간섭하기 때문에 단일 전자도 이중 슬릿을 통과할 때 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬를 형성할 수 있습니다. 이중 슬릿을 통과하는 단일 광자는 밝고 어두운 줄무늬를 형성할 수도 있습니다.

군사 분야에서는 전자파의 간섭을 이용하여 매우 중요한 레이더, 즉 위상배열 레이더를 제작할 수 있습니다.

우리나라의 052C, 052d, 055 유도미사일 구축함은 모두 이지스함이다.

기술적인 관점에서 위상 배열 레이더를 구현하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 4개의 레이더 전선에 통합 전자파 방출 소스를 사용하는 것입니다. 전자기파는 진행파관에서 어레이의 송신 장치로 공급된 후 전자기파가 방출됩니다. 이러한 유형의 위상 배열 레이더를 수동 배열이라고 합니다.

두 번째 유형은 4개 전선의 각 송신부가 스스로 전자파를 생성하는 방식으로, 이를 능동 위상배열 레이더라고 합니다. 이런 종류의 레이더는 수동형 위상배열 레이더보다 더 발전된 형태입니다. 우리나라 군함에 사용되는 4면배열은 모두 능동형 위상배열 레이더입니다.

가시광선을 내는 다이오드를 LED라고 하고, 전자파를 내는 다이오드는 질화갈륨이다. 원칙적으로는 모두 똑같습니다.

질화갈륨은 우리나라에서도 양배추 가격으로 상품화됐다. 질화갈륨은 휴대폰 무선 충전기에 사용됩니다.

위상배열 레이더가 공중의 표적을 탐지할 수 있는 이유는 각각의 독립된 송신부에서 방출되는 전자파가 공중에서 간섭과 중첩을 거쳐 연필 모양의 빔을 형성하기 때문이다. 이러한 빔은 위상 천이 장치를 통해 전달되어 전체 공역을 스캔할 수 있습니다.

이 원리는 고전적인 전자기파 이론을 사용하면 이해하기 쉽습니다.

하지만 양자역학의 관점을 받아들여 전자기파를 하나하나 광자로 간주한다면 위상배열 레이더에 대한 설명이 심도있게 논의될 필요가 있을 것이다.

수동 위상 배열이라면 동일한 광자가 동일한 송신기에서 방출되어 스스로 간섭할 수 있다고 생각할 수 있습니다.

그러나 활성 위상 배열의 각 무선 주파수 단위는 서로 다른 광자를 방출합니다.

양자역학의 고전적인 해석에 따르면, 서로 다른 광자들은 서로 간섭할 수 없기 때문에 이론적으로 능동형 위상배열 레이더는 구현될 수 없습니다.

무슨 일이죠? 양자역학 이론에 뭔가 문제가 있는 걸까요?

양자역학의 코펜하겐 해석에 따르면 양자는 현상학적입니다.

이곳은 우리가 일반적으로 알고 있는 기존의 세계와는 전혀 다른 세계이다.

우리 정상적인 사회에서 사람들은 실제 개인으로 존재하기 때문에 신분증을 가지고 있습니다. 그러므로 신분증의 이름이 어떻게 바뀌더라도 그 사람의 이름은 바뀌지 않습니다.

양자역학의 세계는 소위 양자역학의 물리적 입자라고 불리는 것이 실제로는 수많은 매개변수와 기호에 의해 결정됩니다.

이러한 매개변수와 기호는 분할될 수 있습니다.

실제 거시세계에서 양자현상이 일어난다면 사람의 몸에서 성별을 제거할 수 있다. 또한, 신분증에 기재된 성별을 변경하면 성전환 수술을 받지 않고도 성별을 변경할 수 있습니다.

참으로 놀라운 일이지만, 이것이 바로 양자역학의 세계입니다.

현실 세계로 돌아가서, 두 사람의 신분증이 완전히 동일하게 변경되더라도 두 사람은 동일하지 않습니다.

양자역학의 세계로 돌아가서, 두 사람의 신분증을 완전히 동일하게 바꾸면, 두 사람은 즉시 완전히 똑같아지게 됩니다.

이 경우 두 사람은 구별이 불가능하다.

두 사람이 동시에 복권을 구매하는 경우 당첨 확률은 서로 영향을 미치게 됩니다(복권을 구매한 사람이 누구인지 알 수 없기 때문입니다).

즉, 정확히 동일한 매개변수를 가진 다수의 소립자는 구별할 수 없습니다. 측정 측면에서는 동일한 입자로 간주될 수 있습니다.

따라서 위상배열 레이더에서 방출되는 서로 다른 광자는 동일한 매개변수를 갖는 한 서로 구별할 수 없으며 확률파로 중첩될 수 있습니다.

이는 능동위상배열 레이더가 달성할 수 있는 양자역학적 해석입니다.

양자 역학은 세계의 본질에 대한 인류의 이해를 근본적으로 변화시켰습니다.

아인슈타인은 관측 이전에 달이 존재했기 때문에 달을 볼 수 있다고 믿었습니다.

보어는 우리가 예상했던 관찰을 했기 때문에 달이 존재한다고 믿었습니다.

이제 모든 실험적 증거는 보어가 옳았다는 점을 지적합니다.