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단숨에 양자역학을 읽고, 전구에서 벨 부등식에 이르기까지
아원자 수준에서는 원자핵, 기본 입자, 육안으로 볼 수 없는 모든 작은 것들이 현미경으로도 양자물리학으로 해석해야 한다. (윌리엄 셰익스피어, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자)
간단히 말해서, 양자물리학은 아원자 수준의 이론 부분을 담당하고, 양자역학은 아원자 수준의 수학 부분을 담당한다. 이제 우리는 양자물리학이 양자역학과 다르다는 것을 알게 되었습니다. 저는 이 용어들을 아무런 혼동도 없이 자유롭게 사용할 수 있습니다.
여러 해 동안 인류는 줄곧 사물의 원인을 이해하는 것에 관심을 가지고 있다. 그들은 천성적으로 호기심과 인과관계를 믿고, 어떤 현상들이 어디서 왔는지, 그들의 행동이 무엇인지, 우리가 조사하고 만족스러운 답을 찾도록 동기를 부여한다. (존 F. 케네디, 공부명언) 19 세기에 과학자 막스 플랑크는 왜 전구의 전구가 뜨거워지면 빛의 색이 변하는가? 그때 사람들은 전등의 색깔이 왜 변하는지 전혀 신경쓰지 않았다. 중요한 것은 전기의 존재이다. 그것은 가정, 상업, 거리, 그리고 우리가 원하는 모든 것을 비출 수 있다.
전등의 발명은 양자역학의 탄생을 위한 문을 열었고, 막스 플랑크는 색과 온도의 관계를 찾기로 결정했다. 이를 위해 플랑크와 그의 동료들은 흑체 방사선을 연구하는 실험을 하기로 결정했다. 그들은 매우 정확한 온도로 가열할 수 있는 특수한 파이프를 만들어 결과 빛의 색깔이나 주파수를 측정할 수 있다.
플랑크는 에너지가 에너지 양자의 형태로 흡수되고 발사되고, 에너지 양자가 방사되는 빛의 빈도에 비례한다는 결론을 내렸습니다. 빈도에 플랑크 상수를 곱하면 값은 6.63X10-34J.S. 이 방정식은 E = HF 로 표시됩니다. 플랑크는 에너지를 상상하는 새로운 방법을 발명했다. 에너지 가방의 형태나 그가 말했듯이, "하나씩" 에너지는 에너지 가방에서 자세히 수량화되었다. 아원자 세계에서 에너지는 양자화 방식으로 연구되고, 심지어 양자물리학도 플랑크가 발견한 이름인 에너지 양자에서 유래한다. 이로써 양자화의 개념이 나타났지만 양자역학 전에 중요한 발견이 필요하다.
19 세기에 하인리히 헤르츠가 우연히 광전 효과를 발견하자 헤르츠는 "금속 공 중 하나가 자외선을 받으면 두 금속구 사이의 불꽃이 밝아지고 방전이 늘어난다" 는 새롭고 불안한 현상을 겪었다. 하지만 불행히도 헤르츠는 36 세에 세상을 떠났고, 광전 효과에서 무슨 일이 일어났는지 해독할 수 없었습니다.
1905 년 알버트 아인슈타인이 역사를 창조했다. 그는 광전 효과를 설명하는 새로운 이론을 발명했다. 본질적으로, 그는 "우리는 빛이 파동이라고 생각하는 모든 생각을 잊고, 그것이 작은 입자 흐름이라고 생각해야 한다" 고 주장했다. " 아인슈타인은 우리가 빛을 파동으로 여기는 방식을 바꾸었고, 이제 우리는 그것을 입자로 연구해야 한다. 그것을 묘사하기 위해 그는 플랑크가 이전에 사용했던 용어를 사용했다. 우리가 지금 알고 있는 광자가 얼마나 많은지, 당시 그들은 그것을 빛의 양자라고 불렀다. 이제 빛은 파동일 뿐만 아니라 입자이기도 하고, 파동의 이중성도 탄생했다. 양자의 관점만으로는 당시에는 완전히 미친 것 같았다. 그러나 아인슈타인의 생각과 논리적 결론에 따라 빛을 이용하여 모든 문제를 단번에 해결했다.
입자만으로는 자외선 재앙과 광전 효과를 설명할 수 있지만, 파도이기도 하며 그림자와 비누 거품의 색깔을 설명할 수 있다. 그리고 아인슈타인의 똑똑하고 미친 생각이 나온 지 몇 년 후, 이 역설은 더욱 깊어졌다. 이것은 이상한 빛의 수수께끼인 것 같아서 현실 자체의 성격에 관한 전쟁이 될 것이다. 한편으로는 걸출한 덴마크 물리학자인 닐스 볼을 비롯한 새로운 혁명과학자이고, 다른 한편으로는 이성적인 목소리 ... 알버트 아인슈타인의 명성은 나날이 중천에 이르렀고, 지금은 세계적으로 유명하다. 그가 강력한 상대라는 것은 의심의 여지가 없다.
이 전쟁은 겉보기에 간단한 실험으로 시작하여 수십 년 동안 계속되었다. 이상하게도 이 실험은 빛에 관한 것이 아니라 전기를 구성하는 입자인 전자에 관한 것이다. 1920 년대 중반, 한 실험은 전자에 대한 전혀 예상치 못한 사실을 밝혀냈다. 당시 사람들은 전자가 에너지의 작은 조각이자 고체의 작은 입자라는 것을 이미 받아들였다는 점에 유의해야 한다.
실험에서, 그들은 결정체에서 전자빔 한 다발을 발사하여 입자가 어떻게 분산되는지 관찰하는데, 이것은 완전히 두 개의 좁은 틈이 있는 화면에 전자빔을 발사하여 전자가 좁은 틈을 뚫고 다른 화면을 맞히는 것과 같다. 과학자들은 심상치 않은 현상을 발견했다. 전자빔이 화면에 닿으면 일련의 피쳐 줄무늬가 나타나 파동과 파동의 간섭 패턴을 생성합니다. 이 브레이크라인의 명암 색조는 매번 한 번의 행동으로 인한 것 같다.
첫째, 오랫동안 파동으로 여겨져 온 빛은 때때로 입자처럼 나타난다. 오랫동안 작은 입자로 여겨져 온 전자는 이제 파도처럼 행동하고 있다. 빛은 파도와 입자일 수도 있고, 반드시 파도와 입자일 수도 있습니다. 이것은 미친 짓이지만, 임의의 중첩 상태라고 할 수 있습니다. "한 형태에서 다른 형태로" 될 수 있습니다. 이것은 양자물리학을 미치게 하고 흥미롭게 합니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언)
전자를 특징으로하는 이중 슬릿 실험에서 이전보다 더 특이한 비밀이 있습니다. 이 실험은 전 세계의 다른 실험실에서 여러 번 반복되었고, 심지어 한 전자가 두 개의 좁은 틈으로 발사되었다. 슬릿을 단독으로 통과하는 모든 전자가 아폴로가 도면을 간섭하는 데 도움이 된다는 것을 관찰한 결과, 전자의 행동이 파동과 비슷해야 한다는 단일 결론을 내리게 되었습니다. 그래서 동시에 두 개의 슬릿을 통과합니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 전자명언) 그러나 우리는 이 문제를 자세히 고려해 보았는데, 한 전자발사가 동시에 두 개의 좁은 틈을 통과해 후면 화면에 명중하여 보이는 간섭 패턴을 남겼다. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 이건 미친 짓이야.
실험의 이상한 결과를 설명하기 위해 닐스 볼과 그의 동료들은 우리가 지금 알고 있는 양자역학을 창조했다. 양자물리학은 양자역학과 다르다는 것을 기억하세요. 양자역학은 우리가 전자를 하나의 물리적 대상으로 묘사할 수 없다는 것을 알려준다. 우리가 설명할 수 있는 유일한 것은 가능성과 전자가 어디에 있을지도 모른다는 것이다. 잠시 동안, 우리는 전자가 입자이자 파도라는 것을 잊어버렸다. 이 용어들을 머릿속에서 지워봅시다. 이제 우리는 양자역학으로 확률의 관점에서 생각해야 한다. 어찌 된 일인지,' 확률파' 는 두 개의 틈새를 뚫고 파도처럼 간섭을 일으키고 있다. 그리고 그것이 화면에 도착하면 유령처럼 거의 진짜가 되는 것, 즉 전자가 떠날 확률이다.
-응? 이것이 닐스 폴과 그의 동료들이 말한 전자적인 일이다. 동전이 회전할 때는 한 가지 상태가 아직 정의되지 않았기 때문에 앞면과 뒷면일 수 있다. 마찬가지로 전자의 확률파는 슬릿을 동시에 통과한다. 그런 다음 확률 파가 화면에 도달하면 전자가 결정을 내리고 입자가 됩니다. 볼은 전자가 관측될 때까지 사람들이 그것의 실제 위치를 알 수 없다고 주장한다. 전자의 위치는 알 수 없을 뿐만 아니라, 이상하게도, 그것은 동시에 어디에나 있는 것 같다.
전자는 현실에서 가장 흔하고 기본적인 성분 중 하나라는 것을 기억하세요. 하지만 볼은 우리가 그것을 관찰해야만 그 위치를 현실로 바꿀 수 있다고 말했다. 마치 우리와 세계 양자 사이에 장벽이 있는 것처럼, 그 뒤에는 확실한 현실이 없고, 단지 잠재적인 현실밖에 없다. (존 F. 케네디, 희망명언) 우리가 장애물을 뚫고 관찰해야만 일이 확정된다. 이 관점은 그에게 명백한 코펜하겐 해석이다. 알버트 아인슈타인은 다른 사람들처럼 이런 해석을 싫어했고, 심지어 과학계에서 매우 유명한 한 마디까지 했다. 내가 달을 볼 수 없을 때, 그것은 존재하지 않는가? (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 。 이 독일 물리학자는 볼에 대한 지식이 제한되어 있기 때문에 양자역학이 충분히 완벽해서 더 좋은 이론이 있어야 한다고 생각하기 때문에 매우 다르다. 몇 년 동안, 이 물리적 거인들은 양자역학이 현실을 포기하는 것을 포함하는지 논쟁하고 있다.
-응? 그리고 네이선 로슨과 포도르스키는 알버트 아인슈타인의 논점을 지지하기 위해 알버트 아인슈타인의 대열에 합류했다. 그들은 심지어 아인슈타인 보어 논쟁을 해결할 방법을 찾았다고 생각한다. 이 물리학자들은 코펜하겐 해석에서 현실이 관찰될 때 변할 것이라고 주장하는 치명적인 결함을 발견했다고 확신한다.
아인슈타인 논쟁의 중심은 양자역학의 한 방면으로, 양자얽힘이라고 한다. 이 얽힘은 두 입자와의 관계이다. 두 입자가 동시에 만들어지면 위치에 관계없이 많은 속성이 항상 연결됩니다.
통화 변화의 비유를 기억하시나요? 같은 비유를 해보죠. 하지만 이번에는 동전 두 개를 사용하겠습니다. 우리가 회전하는 통화를 멈추면 이 통화는 양수가 될 것이다. 동전은 얽히게 연결되어 있고, 두 번째 동전은 자동으로 첫 번째 통화의 반대 상태가 되기 때문이다. 마치 동전이 공간과 시간을 통해 비밀리에 소통하는 것과 같다. 거리가 아무리 멀어도 이 동작은 순식간에 일어난다. 즉 광속을 뛰어넘는다. 이것은 EPR 역설이라고 불리며 상대성 이론에 어긋난다. 아인슈타인은 이것을' 빈 유령 행위' 라고 부르며 코펜하겐이 해석한 실수라고 주장했다.
아인슈타인은 진실성, 국지성, 인과성의 비유에 근거하여 어떤' 먼 곳의 귀신의 매력' 도 필요하지 않다. 관찰자는 어떤 장갑도 바꾸지 않았다. 처음부터 왼쪽과 오른쪽이 모두 존재한다. 이 비유는 우리의 이해를 바꾸었다. 그래서 몇 가지 문제가 생겼습니다. 예를 들어, 현실에 대한 진정한 묘사는 무엇입니까? 물건을 보지 않고 어떻게 물건이 진짜인지 확인할 수 있습니까?
존 벨은 정확한 시간에 모든 질문에 답하고 양자역학이 가져온 모든 문제를 해결할 수 있는 위대한 방법을 설계했다. 벨의 생각은 각 입자가 공간과 시간을 통해 다른 입자에 비밀 신호를 보내 우리가 아는 모든 것에 도전하는 것이다. 우리는 양자세계에서 현실은 알 수 없다는 것을 인정해야 한다. 벨은 그의 생각을 하나의 수학 방정식으로 단순화했다.
-응? 이 방정식은 반드시 실험을 통해 검증해야 한다. 심지어 모든 이론조차도, 모든 아이디어는 실제 결과로 검증해야 한다. 단순화 된 수학 방정식으로는 충분하지 않습니다. 너는 이미 제기된 모든 것을 검증하기 위해 계산이 필요하다.
1972 년 이론물리학자 존 클로사 (John Klossa) 가 양자역학의 첫 번째 실제 테스트를 실시했습니다. 이 테스트는 레이저를 두 개의 매우 정확한 광선을 생성하는 광자로 변환한 다음 광자의 성질, 즉 편광을 계속 측정합니다. 모니터는 다른 결과를 표시하고 벨 방정식으로 대체합니다. 많은 사람들이 예상치 못한 결과를 얻었다. 독일의 천재 알버트 아인슈타인은 틀렸고, 이것은 닐스 볼이 이길 수 있는 기회를 주었다. 이 두 광자는 서로 얽혀 있어 처음부터 선택할 수 없지만, 우리가 관찰하거나 측정할 때만 존재하기 시작합니다.
이상한 것들은 공간과 시간을 통해 광자를 연결하고, 우리가 설명할 수 없는 것은 말할 것도 없고, 상상은 말할 것도 없다. (알버트 아인슈타인, 생각명언) 우리의 유일한 방법은 수학 방정식이다. 가장 이상한 것은 광자가 우리가 관찰할 때만 진실이라는 것이다. 그래서 우리는 아인슈타인에게 응답할 수 있습니다. 우리가 달을 관찰하지 않을 때 달은 존재하지 않습니다. 이것이 상식에 위배되는 것은 의심의 여지가 없다. 이것은 비논리적이고 완전히 이상하지만, 이것이 양자역학이라는 것을 깨달아야 한다. 아원자 수준에서 사물의 행동은 거시세계와 다르다. 그것들은 완전히 다른 척도이며 확률의 법칙에 의해 통제된다.
벨 부등식의 실패는 양자역학을 위한 실험 기초를 제공한다. 다음 질문은 아원자 세계와 우리의 거시세계가 서로 다른 두 세계인 이유입니다. 우리의 거시세계가 불확실성을 가지고 있는지 여부는 우주에 대한 우리의 견해를 더욱 신비하게 만든다: 평행 세계.