양자역학 정리

이 글은 코펜하겐 학파가 주장한 양자역학에 대해 단순히 나의 이해만을 위해 작성한 글임을 밝힌다.

 

 

-이중슬릿 실험

 

파동은 입자임이 정설이었으나 파동임이 밝혀졋. 이는 진공상태에서의 전자(입자)가 관측이나 측정이 없는 상태에서 결과로써 알 수 있던 것이다. 즉 여기서 뜻하는 관측, 측정이란 빛, 공기 등의 매질, 측정 장치 등 전자의 이동경로를 방해할 수 있는 모든 방해요소를 뜻한다.

측정, 관측 장비를 통해 관측했을 때 우리는 이중슬릿의 전자모양이 두 줄임을 알 수 있다. 이것이 증명하는 것은 관측했다는 사실 자체만으로 (여기서는 봤다(watch)라는 사실에 초점이 맞춰진 것이 아니다. 봤다라는 것이 전자가 빛에 반사돼 관측됨을 뜻하기 때문에 전자가 파동의 형태에서 입자의 형태로 변하는 것을 뜻한다 )이것은 중첩상태에 있던 전자가 관측을 통해 하나의 상태로 결정됨을 뜻한다. 이것이 양자중첩 상태이며 상보성의 원리(입자와 파동의 형태로 존재가능)를 뜻한다. 여기서 왜 관측을 통해 이중슬릿 실험의 결과가 달라지느냐 묻는다면 현대과학 기술의 부족이라고도 설명할 수 있는 것이 최근에 입자와 파동의 형태를 동시에 지니는 전자를 발견하는데 성공했다고 밝혔다. 단 현재 주제는 과거의 제한적인 과학기술과 발전에 국한시킨 상태에서 전자의 상태를 전제한다.

우리가 원자의 위치와 운동량을 같이 알 수 없음을 아는가. 측정하려는 행위가 결과에 영향을 미치기 때문에 하나의 정보(전자의 위치)를 알기 위해 측정과 관측을 하게되면 나머지 정보(운동량)를 정확히 알 수 없게 된다. 슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 양자역학을 비판하기 위해 만들어졌지만 오히려 양자역학을 설명하는 대표적 실험이 된다. 여기서 많은 과학자들이 고양이의 중첩상태에 대해 강하게 비판했다. 여기서 여러가지 문제점 및 의문점이 발생한다. 미시세계에서의 관측이 전자의 형태를 결정할 수 있는 것은 '양자'의 영역이기 때문에 가능하다고 치자. 그러나 거시세계에서는 그것이 불가능하다. 우리가 관측하면 전자의 형태가 하나로 결정되는 이유는 미시세계이자 양자의 영역이기 때문에 가능한 것이다. 이것이 거시세계에서도 적용되라는 법은 없다. 상보성의 원리가 특정매질, 물체에 의해 전자의 파동을 결정한다는 거니까. 이 거시세계와 미시세계의 경계에 대해서는 현재까지도 연구가 이뤄지고 있다. 애초에 파동일 떄와 입자일때 전자를 동시에 관측하는 것은 불가능하다고 말했던 닐스보어의 말은 과학기술의 발전이 부족했기 때문이었음을 전술한 연구결과를 통해 알 수 있다. 

슈뢰딩거의 사고실험에서 고양이의 삶과 죽음의 중첩상태는 전자를 관측했을 때 전자가 어느 위치에 있을지 예측하지 못하는 것과 같다. 확률적으로만 알 수 있을 뿐이라는 것이다. 왜냐하면 앞서 설명했듯 전자는 파동의 형태로 존재하다가 관측시에는 입자로 존재하기 때문에 그때 전자의 위치가 결정되기 때문이다. 따라서 슈뢰딩거의 고양이 실험을 통해 우리가 알 수 있는것은 미시세계에서는 우리가 알지 못하는 기이한 현상이 발생하고 있다는 것이고 이를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며 거시세계와 미시세계에 대해 다시 생각해 볼 기회를 주는 것이다.