파동과 입자의 이중성 :: 확률의 양자역학 & 양자 얽힘

Winter_leaf

파동과 입자의 이중성 :: 확률의 양자역학 & 양자 얽힘

 

용어 정의

 

파동은 물질이나 공간의 한 지점에서 진동이 퍼져나가는 현상을 말한다.

 

입자는 물리학에서 점과 같이 작거나 크기가 없는 역학운동의 기본 단위이며, 이상적인 모형은 크기가 없고 질량과 위치, 속도 등의 성질만을 갖는다. 물질의 기본 단위를 말할 때도 입자라는 용어를 사용한다.

 

파동과 입자의 이중성은 주로 미시적인 현상에서 물질이 파동의 특성과 입자의 특성이 동시에 관찰되는데 이러한 성질을 파동과 입자의 이중성이라 말한다.

 

양자역학은 원자 및 아원자 입자와 같은 미시계에서 일어나는 현상에 대해 탐구하는 현대물리학을 말한다. 하지만 거시세계와도 밀접한 관련이 있으며, 현재 다양한 분야에서 활용되고 있다.

 

양자 얽힘이란? : 1935년 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠은 양자역학의 방정식에서 역설을 발견했다고 생각했습니다. 그들은 양자 역학적으로 연결된 얽힌 두 입자가 광대한 공간 영역에서 즉시 통신할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이것은 상대성 이론에 의해 일어날 수 없는 빛보다 정보가 더 빨리 전송된다는 것을 의미했습니다. 닐스 보어에게 보낸 편지에서 아인슈타인은 이 현상을 'spooky remote effect'라고 말했습니다. 그러나 1950년대에 Chien-Shiung Wu는 얽힌 입자가 실제로 양자 역학이 예측한 대로 행동한다는 것을 보여주었습니다. 그런 다음 1960년대에 John Bell은 양자 역학이 근본적으로 비국소적이라는 것을 밝혔습니다. 즉, 얽힌 물체는 연결되지만 시공간을 통해 통신하지 않으므로 역설은 존재하지 않는다고 말했습니다.

 

 

파동과 입자의 이중성

 

이것은 모든 입자가 입자뿐만 아니라 파동의 거동으로도 부분적으로 설명될 수 있음을 의미합니다. 전자를 파동으로 설명하면 실리콘의 전기적 특성을 이해할 수 있으며, 이 실리콘을 쌓으면 나노미터 규모의 트랜지스터가 됩니다. 그리고 수백만 개의 트랜지스터를 함께 사용하면 휴대전화와 노트북에 사용되는 컴퓨터 칩이 만들어집니다.

​

유사하게, 빛을 파동이 아니라 입자(광자)로 설명함으로써 광섬유 케이블을 통해 데이터를 전달하는 레이저를 이해할 수 있습니다. 레이저는 인터넷이나 글로벌 통신을 가능하게 해줍니다.

 

토마스 영의 이중슬릿 실험

19세기 초 Thomas Young은 이중 슬릿 실험을 수행했습니다. 빛이 파동임을 증명한 최초의 실험이었습니다. 실험은 두 개의 슬릿이 있는 스크린에 빛을 발사하는 것입니다. 스크린 뒤에는 슬릿을 통과한 빛을 감지할 수 있는 두 번째 스크린이 있습니다. 이렇게 하면 슬릿에서 나오는 빛이 퍼지면서 섞이는데 결과적으로 후면 스크린에 줄무늬 간섭 패턴이 나타납니다. 이는 파동의 특성을 나타냅니다.

 

Thomas Young and the Wave Nature of Light (BBVA openmind)

반응형

 

 

 

실험에서 사용한 빛을 전자로 교체하거나 한 번에 하나씩 발사되는 다른 입자로 교체하면 동일한 패턴을 기대할 수 없습니다. 전자를 하나만 발사한 경우 스크린에는 한 개의 전자점만 관측됩니다. 이 결과는 두 개의 슬릿 중 한 곳을 지나갈 확률이 50%이고, 전자가 입자라는 증거를 나타냅니다. 하지만 전자를 한 번에 대량으로 발사하거나 하나씩 연속적으로 발사하면 스크린에 파동의 특성인 간섭무늬가 나타납니다. 각 입자는 전체적으로 파동과 같은 현상에 기여하고 있습니다. 즉, 파동과 입자 이중성을 지닙니다.

​

개별 입자가 통과하는 슬릿을 확인하려면 슬릿 출구에서 입자 탐지기를 사용하여 실험을 관측할 수 있습니다. 이렇게 하면 모든 물결 모양의 간섭무늬가 사라집니다. 후면 스크린에 입자의 특징인 두 개의 슬릿 모양의 라인이 형성됩니다. 관찰하는 행위, 더 정확하게는 측정하여 시스템을 교란시키는 행위 자체가 전자가 입자처럼 행동하도록 합니다.

 

 

확률의 양자역학

 

아인슈타인은 시간, 공간, 중력의 신비를 푸는 사이에 파동-입자 이중성의 이면에 있는 자신의 생각을 소개했습니다. 그리고 그는 이 분야에 몇 가지 다른 중요한 공헌을 했습니다. 그러나 1920년대 중반까지 그는 양자 이론의 발전과 거리를 두기 시작했습니다. 이것은 양자역학이 확률을 계산하는 규칙만 제공하고 정확한 측정값을 제공하지 않았기 때문입니다. 아인슈타인은 우주의 구조에서 '우연'이 중요한 역할을 한다는 사실을 받아들일 수 없었습니다.

​

많은 사람들 중에서 Erwin Schrödinger는 우주가 원리의 중심에 '우연'이 있음을 보여준 사람으로 유명합니다. 그리고 그는 그 과정에서 미시 세계에 대한 완전히 새로운 관점을 제시했습니다. 원자 구조 이론의 문제를 해결하기 위해 슈뢰딩거는 파동 함수로 알려진 확률 파동이 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 결정하는 방정식을 만들었습니다.

​

이는 주어진 시간에 주어진 전자에 대해 원하는 위치에 있을 확률을 정확하게 계산할 수 있음을 의미합니다.

 

 

더 많은 양자 이상 현상

 

슈뢰딩거가 확률 파동 방정식을 연구하는 동안 Werner Heisenberg는 양자 기이함을 추가했습니다.

​

하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 입자의 위치와 속도(기술적으로는 운동량)를 완전히 정확하게 알 수는 없습니다. 그리고 하나를 더 정확하게 알수록 다른 하나는 정확성이 더 낮아진다는 것입니다.

​

이것은 이중 슬릿 실험에서 양자 거동의 파괴를 설명합니다. 기기가 슬릿 출구에서 입자의 운동량과 위치를 측정할 때 양자 역학은 붕괴되고 입자는 일반 물체처럼 행동합니다.

​

Heisenberg는 에너지와 측정 시간이 동일한 관계에 있음을 밝혔습니다. 양자 시스템의 에너지를 보다 정밀하게 측정하려면 이를 수행하는 데 더 오랜 기간이 필요합니다.

​

이것의 한 가지 이상한 결과는 입자의 에너지가 짧은 시간에 걸쳐 크게 변동할 수 있다는 것입니다. 양자 터널링(quantum tunnelling)으로 알려진 이 효과로 인해 단기간 에너지 부스트는 입자가 합리적으로 뚫을 수 없어야 하는 장벽을 터널링 할 수 있도록 합니다.

​

효과는 단지 이론적인 개념이 아닙니다. 스캐닝 터널링 현미경이 재료 표면에 있는 개별 원자의 상세한 이미지를 촬영할 수 있습니다.

 

 

양자역학 기술

 

오늘날 양자 역학은 상대성 이론보다 훨씬 더 광범위하게 물질의 구성 요소에서 빅뱅 및 그 사이의 거의 모든 것에 이르기까지 기본 물리학의 모든 영역에 퍼져 있습니다. 그리고 그것은 미래에 더 많은 일상생활에 스며들 것입니다.

​

예를 들어, 2007년 스위스는 투표 조작에 맞서기 위해 전국 의회 선거에서 처음으로 양자 암호화를 사용했습니다. 그리고 2017년 중국 물리학자들은 정보 패킷을 티베트에서 지구 표면 위 1,400km 떨어진 위성으로 순간이동했습니다. 이 두 가지 성과는 데이터 보안에서 양자 기술의 힘을 보여줍니다.

​

그러나 더 큰 영향이 있을 수 있습니다. 전 세계의 과학자들이 최초의 유용한 양자 컴퓨터를 위한 토대를 마련하고 있습니다. 기존 컴퓨터의 비트는 0 또는 1을 저장합니다. 양자 컴퓨터에서 큐비트는 0, 1, 0과 1을 동시에 저장할 수 있습니다.

​

이론상 양자 컴퓨터는 이 효과와 다른 양자 효과를 이용하여 기존 컴퓨터가 오랜 시간이 걸리는 계산을 빠르게 수행할 수 있습니다.

 

Winter_leaf