우주는 알라딘의 요술램프 #우주다큐 #과학다큐, 양자역학을 알면 우주가보인다

원하는 것은 무엇이든 만들어 낼 수 있는 마법의 상자가 있다고 칩시다 사과를 달라고 하면 사과가 나오고 연필을 달라고 하면 연필이 나오는 상자입니다 빵을 달라고 하면 빵이 들어 있습니다 마치 알라딘의 램프와 같은 상자입니다 이상한 점은 상자를 열고 안을 들여다보기 전까지는 무엇이 만들어질지 결정되지 않는다는 것입니다이 상자는 우리가 원하는 건 엇 든 만들어낼 수 있고 줄 수 있습니다 우리는 이미 상자를 선택했고 상자를 열었을 때만 우리가 원하는 것 사과 연필 빵 중 하나만 들어 있게 됩니다 그런데이 모든 가능성은 상자 안에 동시에 존재합니다 이것은 양자역학 작동 방식으로 입자가 관찰되기 전에 무엇인지 알 수 없는 것입니다 입자는 한 번에 여러 가지가 될 수 있는 상태로 존재합니다 관찰되면 하나의 상태 로 붕괴됩니다 이러한 방식에 대한 해석을 코펜하겐 해석이라 합니다 입자를 관찰하는 것이 입자가 확실한 상태를 취하게 하는 원인이라고 설명합니다이 과정을 파동 함수 붕괴라고 합니다 파동함수가 실제하는 것이 아니라는 사실을 기억하고 파동함수의 붕괴는 주관적으로 해석된다는 점을 유의하세요 한 입자의 스핀을 관측하는 순간 그 관측자는 다른 입자의 스핀을 알게 됩니다 하지만 이것은 다른 입자의 관측자가이 사실을 알게 된다는 것을 의미하지는 않습니다 다른 입자의 관측자에 대해서는 여전히 파동 함수는 중첩되어 있으며 정보는 여전히 빛보다 빠른 속도로 전달되지 않는다는 점입니다 측정 행위는 더 이상 중첩 상태를 유지할 수 없는 방식으로 입자와 상호 작용합니다 대신 단일하고 명확한 상태를 취합 이 이야기에서 상자를 열고 안을 들여다보는 것은 입자를 관찰하는 것과 같아서 입자를 하나의 어떤 것으로 만듭니다 고대 그리스인들은 기본 원소가 공기 불 또는 물일 수 있다고 생각했습니다이는 당시 제한된 기본 물질 집합으로 자연의 다양성을 설명하려는 혁신적인 아이디어였습니다 100년 전 물리 학자들은 막스 칼을 에른스트 루트비 플랑크 알베르트 아인슈타인 닐스 보어 등이 수행한 원자 실험에서 원자 자체가 훨씬 더 작은 입자로 만들어졌으며 이러한 입자가 고전 물리학으로 설명할 수 없는 이상한 행동을 보였다는 것이 밝혀졌습니다 현대 물리학은 우주의 구성 요소가 전자 쿼크 중성미자와 같은 아원자 입자라고 말합니다 이러한 입자는 물질의 기본 구성 요소로 여겨지며 우리 주변에서 보는 모든 물질은 이러한 입자의 다양한 조합으로 구성되어 있습니다 그러나 이야기는 여기서 끝나지 않습니다 양자 이론은 우주의 기본 구성 요소가 공간과 시간 자체의 구조로 확장되는 입자를 넘어선다는 것을 보여줍니다이 프레임워크에서 우주는 단순히 공간을 움직이는 입자로 구성된 것이 아니라 공간과 시간의 구조 내에서 역동적인 장과 힘이 상호 작용으로 구성됩니다 양자장 이론에서 설명하는 이러한 장은 이러한 기본 장의 양자역학으로 나타나는 입자와 함께 현실을 구성하는 모든 것의 진정한 본질입니다 오늘날 우리는 현실의 가장 깊은 층이 양자 이론에 의해 지배되는 기본 입자로 구성되어 있다고 믿습니다이 보이지 않는 작은 영역은 우리가 보고 경험하는 모든 것이 시작되는 곳입니다 경이로움으로 가득찬 세상이면서도 종 이상하게 느껴질 수 있습니다 우리가 아는 것부터 시작해 보겠습니다 눈에 보이는 모든 물질은 그 중심에 양성자와 중성자가 있는 원자로 구성되어 있습니다 그러나 이러한 양성자와 중성자는 가장 작은 입자가 아닙니다 가장 작은 규모에서 현실을 설명하는 입자 물리학의 표준 모델에 따르면 더 작은 입자도 있습니다 놀랍게도 우주의 모든 것은 원자 로 거슬러 올라갈 수 있습니다 원자는 물리적 화학적 특성을 포함하여 더 큰 눈에 보이는 세상의 특성과 속성을 유지하는 가장 작은 물질 단위입니다 원자는 근본적으로 자체 에너지 수준 속성 및 보존 법칙을 가진 양자 실체입니다 여러 가지 방법으로 알려진네 가지 기본 힘과 상호 작용합니다 모든 물리학은 단일원자 내부에서 볼 수 있습니다 원자가 우주에 대해 알려줄 수 있는 것은 다음과 같습니다 지구상에는 약 아 개의 원소가 자연적으로 발생하고 우주적 과정을 통해 형성됩니다 각 원소에는 양성자와 중성자로 구성된 핵이 있고 양성자 수와 같은 수의 전자로 둘러싸인 원자가 있습니다 각 원소는 경도 색상 녹는 점과 끓는 점 밀도 전도도 전자음성도 이온화 에너지 등 여러 가지 고유한 속성을 가지고 있습니다 원자에 대해 놀라운 점은 원자의 종류를 정의하는 속성은 핵의 양성자수 하나뿐이라는 점이며 따라서 이러한 속성이 무엇인지 정의합니다 일상생활에서 우리가 당연하게 여기는 현실은 원인과 결과의 특정 규칙이 있습니다 예를 들어 무언가가 발생하고 그로 인해 처음에 무슨 일이 일어났는지에 따라 다른 일이 발생합니다 다른 원인은 다른 결과로 이어집니다 그러나 양자 물리학의 경우 표준 규칙은 근본적으로 다릅니다 시스템의 특정 속성에 내제된 불확실성이 있기 때문에 시작 점조차 임의의 정밀도로 정의할 수 없습니다 양자 시스템이 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 설명하는 예측 가능한 결정 논적 방법은 없으며 계산할 수 있는 확률 집합만 있습니다 충분히 정확한 측정 관찰 또는 상호 작용을 수행하면 단일 결과가 표시됩니다 그러나 측정 관찰 또는 상호 작용의 행위는 시스템의 상태를 변경시킵니다 이러한 행동은 거의 1세기 동안 논쟁되어 왔습니다 해석하지 않는 것이 불안할 수 있지만 해석은 우리가 양자 현실을 진정으로 이해하는 것을 방해할 수 있습니다 양자 이론은 원자와 그 구성 요소의 미시적 세계를 매우 효과적으로 설명합니다 그러나 놀랍게도 그것은 또한 예를 들어 입자가 두 가지 이상의 일을 동시에 할 수 있는 상태에 중첩으로 존재할 수 있는 매우 반직관적인 현실을 드러냅니다 1935년 에르빈 슈레딩 건는 양자 이론의 결과를 설명하기 위해 유명한 사고 실험을 고안했습니다 그는 독약 병이 있는 상자에 갇힌 고양이를 상했습니다 슈레딩거의 고양이 실험은 실제로 제할 수 없습니다 현실 속의 고양이는 삼과 죽음이 확정된 상태에 있으며이를 확인하기 위해선 직접 뚜껑을 열어봐야 하기 때문입니다 슈레딩거의 사고 실험에 논리상 허점도 없습니다 하지만 이중 슬릿 실험을 통해 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 것 역시 증명되었습니다 그렇다면 거 에서도 한 마리의 고양이가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 일이 벌어질 수 있을까요 현실 세계에서 우리는 그런 장면을 목격할 수 없습니다이 의문을 해결하기 위해 거시 세계와 미시 세계의 경계를 들여다 보아야 합니다 플러렌을 이용한 이중 슬릿 실험 결과를 살펴보면 플러렌 크기는 앞에서 실험한 전자에 비해 매우 큽니다 원자과 전자의 크기 비가 10만대 1이고 소 원자들이 예계 모여 입체적인 구 형태를 만든 플러레 수소 원자보다 5만 배는 더 큽니다 미시적 세계와 거시적 세계의 경계쯤 되는 플러렌 분자로 이중 슬릿 실험을 할 경우 간선 무늬가 아닌 단지 두 개의 띠를 만들게 됩니다 하지만 실험 환경을 진공에 가깝게 조성할수 간선 무늬가 생깁니다 공기는 기체이기 때문에 분자 자체가 많지도 않고 앞에서 말한 것처럼 전자의 크기가 분자의 크기에 비해 너무 작기 때문에 전자를 이용한 이중 슬리 실험에서는 진공이 아니더라도 간선 무늬를 만듭니다 이번엔 풀러렌이 아닌 전자 실험으로 다시 넘어가 이번에는 에이 슬릭과 비 슬릿의 관측 장비를 달아서 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 확인해 보도록 하면 해당 실험에서는 전자는 a 슬릿과 비 슬릿 중 하나만 통과하며 간선 무늬가 아닌 이중 띠를 만듭니다 공기 중에서의 플러렌 실험과 관측 장비를 단 전자 실험의 공통점은 공기 중에서의 플러렌 실험에서는 공기와 풀러렌이 서로 상호 작용을 했고 관측 장비를 단 전자 실험에서는 관측 장비의 광자와 전자가 서로 상호 작용을 했다는 것입니다 즉 플러렌 분자와 전자와 같은 입자들은 다른 입자들과 상호작용을 하기 전까지는 여러 개 중첩된 상태를 가지고 있다가 다 입자들과 상호작용을 하는 순간 결어긋남 상태가 되어 더 이상 간섭을 일으킬 수 없으며 파동성을 잃는 것 즉 파동 함수의 붕괴에 이르게 됩니다 슈레딩거의 고양이도 위에 풀러렌의 처지와 똑같습니다 상자 안의 물체들이 각각 다힌 게라면 외부에는 그들의 상태를 관측할 수 없고 그들은 파동성을 잃지 않고 동시에 여러 상태를 갖게 될 것입니다 상자는 진공도 아니며 적외선과 같은 광자를 방출하고 있을 것입니다 즉 이중 슬릿 실험에서의 전자와 진공에서의 플러렌 그는 다르게 상자 안의 고양이 청산가리가 듬 병 가이거 계수기는 서로 의미 있는 상호 작용을 하 데다가 상자 안과 밖을 상자 자체가 연결해 주기에 상자 자체부터가 완전한 고립계 아닙니다 다시 말해 상자 박과 안은 언제나 의미 있는 상호작용을 하며이는 언제나 상자 안이 관측되고 있음을 나타냅니다 그러므로 상자 속의 고양이는 상자를 열든 열지 않은 죽거나 살아 있는 둘 중 하나의 분명한 상태를 가지게 됩니다 그러므로 현대에서 다루는 슈레딩거 사고 실험의 해석 의인은 어디까지나 양자 역학의 근본적인 개념을 다루기 위한 사고 실험입니다 방사성 원자의 붕괴는 망치를 작동시켜 병을 부수고 과적으로 고양이를 죽일 수 있습니다 원자가 붕괴되고 붕괴되지 않는 중첩 상태에 있다면 고양이는 동시에 죽고 살아 있을 것입니다 알아내는 유일한 방법은 상자를 여는 것입니다이 사고 실험은 미시적 영역에서 일상 세계로 양자적 이상함을 가져와 과학자들이 그것에 맞서도록 강요했습니다 물리학자들은 지난 10년 동안 이러한 거시적 중첩 즉 자나 다른 양자적 실체를 포함하는 중첩을 슈레딩거 고양이 상태라고 부릅니다 이러한 고양이는 연구자들이 양자 세계와 고전적 세계 간의 전환을 탐구하는데 도움이 되었습니다 또한 우리가 일상적인 물체를 동시에 두 가지 상태로 보지 못하는 이유와 그럴 수 있는지에 대한 설명도 시작했습니다 이론적으로 양자적 동물이 동시에 살아 있고 죽을 수 있다는 생각은 양자적 이상함에 전형적인 예입니다 양자 물리학이 어떻게 또는 왜 작동하는지 또는 양자 이론에서 수학적 객체가 무엇을 나타내는지 같은 질문은 우리가 원하는만큼 많은 답을 가지고 있지만 이러한 질문은 우주 자체의 현실보다 우리와 우리의 편견 편양 및 우주에 대한 가정에 대해 훨씬 더 많은 것을 말해 줍니다 우리가 실제로 자연에서 관찰할 수 있는 것은 위치 운동량 단면 산란 진폭 및 개별 양자 상태와 같은 입자 속성이 거의 없습니다 현실의 근본적인 본질에 대해 묻는 것은 그것이 우리의 직관에 맞는 규칙을 따른다고 가정하지만 그 반대가 사실일 수도 있습니다 현실에 대한 우리의 인식은 우리의 감각과 능력에 의해 제한되며 우주를 지배하는 진정한 규칙은 우리가 상상하는 것보다 우리에게 더 생소할 수 있습니다 이러한 장은 전체 우주에 스며들어 항상 모든 곳에 자녀 광자가 존재함을 의미합니다 가상 입자라고 하며 실제 입자를 생성할 충분한 에너지가 없을 때에도 잠깐 나타났다가 사라집니다 장은 수학이 그것 없이는 작동하지 않기 때문에 더 기본적인 것으로 간주됩니다 그러나 장의 양자적 본질은 그것을 직접 관찰할 수 없다는 것을 의미합니다 모든 관찰에는 에너지가 필요하며이는 장이 입자를 생성하도록 강제합니다 따라서 우리는 종종 입자에 대해 이야기하는데 입자는 우리가 관찰할 수 있는 것이기 때문입니다 거의 모든 입자는 같은 질량을 가진 대응하는 반입자를 가지고 있지만 반대 전화를 가진 반물질은 가시 우주에서 드물고 대부분 입자 충돌로 생성됩니다 우주는 압도적으로 물질로 구성되어 있으며 양자 세계가 상식에 어긋나는 규칙에 따라 작동하는 이유를 아무도 모릅니다 입자는 특정 조건에서 파동처럼 행동할 수 있으며 심지어 입자의 개념조차도 자세히 살펴보면 불확실해 입자의 위치를 정확히 알아내려고 하면 운동량이 가려지고 운동량을 기록하면 위치가 가려집니다 이것이 하이젠베르크의 불확정성 원리로 이러한 속성 자체가 본질적으로 모호하다는 것을 시사합니다 양자리 의 가장 놀라운 측면은 입자 질량 전하 각 운동량 또는 스핀을 정의하는데 필요한 최소한의 속성입니다이를 통해 수학적 방정식은 입자의 행동 확률을 예측하는 파동 함수를 통해 입자를 완전히 설명할 수 있습니다이 개념은 파동 입자 이중성 및 중첩과 밀접하게 연결되어 있습니다 입자는 관찰될 때까지 파동과 같은 상태 범위에 존재하며 관찰되는 지점에서 파동 함수가 붕괴되고 특정 상태를 취합니다 그러나이 붕괴를 관찰하는데 필요한 사람 또는 무엇이 필요한지에 대한 질문은 여전히 답이 없습니다 감지기로 충분한가 아니면 인간의 의식이 역할을 하는가 양자물리 학자들은 인간 의식의 필요성에서 파동 함수 붕괴는 환상이며 모든 가능한 상태가 평행 우주에 존재한다는 생각에 이르기까지 다양한 해석을 할 수 있습니다 다세계 해석에는 간단한 답이 없습니다 우리는 오늘날 우주에 대해 알고 있는 것을 올바른 질문을함으로써 배웠습니다 즉 물리적 시스템을 설정한 다음 우주가 무엇을 하고 있는지 확인하기 위해 필요한 측정과 관찰을 수행함으로써 말입니다 우리가 미리 직감했을 이도 모르는 것과 달리 우주는 따르는 규칙이 기괴하지만 일관성이 있음을 보여주었습니다 규칙은 우리가 현실이라고 부르고 싶다면 이전에 본 어떤 것과도 근본적으로 다릅니다 물리학에서 측정 가능하거나 관찰 가능한 것 너머의 객관적인 존재가 아니라 관찰 가능하고 측정 가능한 것을 가능한 한 정확하고 완벽하게 설명하는 것이 우리의 가장 큰 목표입니다 양자 연산자가 양자 파동 함수에 작용하는 이론을 만들면 가능한 결과의 확률 분포를 정확하게 계산할 수 있습니다 대부분의 물리 학자에게는 이것으로 충분합니다 그러나 이러한 방정식의 가정을 추가하고 양자 역학에 대한 다른 해석을 내놓을 수 있습니다 속성에 대한 가정이 다른 다양한 양자 해석이 있습니다 차이점에도 불구하고 어떤 실험도 이러한 해석을 서로 구별할 수 없습니다 그러나 국소적 실수 결정론적 숨겨진 변수와 같은 특정 해석은 제 있 실망스럽게도 이러한 모든 해석과 다른 해석은 실험적으로 서로 구별할 수 없습니다 이러한 해석 중 하나를 다른 해석과 구별하는 실험을 설계하거나 수행할 수 없었으므로 물리적으로 동일합니다 기본적인 객관적인 관찰자가 독립적인 현실이라는 생각은 증거가 없는 가정이며 수천 년 동안 우리의 직관이 그렇게 말했을뿐입니다 따라서 과학은 우리의 편견을 확인하는 것을 목표로 하지 않고 우리의 선입 경과 상관없이 현실의 본질을 밝히려고 합니다 양자 역학을 이해하려면 편견을 버리고 우주가 우리에게 말하는 것을 받아들여야 합니다 소스에서 방출되어 별도의 관찰자에게 도달하는 얼킨 광자는 무작위 결과를 나타내지만 상관 관계를 나타냅니다 이러한 상관관계가 국소적 실제론 따르는지 여부는 벨의 부등식 을 따르는지 위반하는지 따라 달라집니다 우주를 이해하는 것은 관찰자의 측정 및 상호 작용과 별개의 진정한 현실을 밝히는 것이 아닙니다 현실은 측정 관찰 및 상호 작용과 얽혀 있을 수 있습니다 근본적인 수준에서 우주를 더 잘 이해하려면 해석을 구별하기 위한 실험적 테스트가 필요합니다 지금까지 국소적 실제로이 필요한 해석만 배제되었습니다 해석 중에서 선택하는 것은 미약의 문제입니다 편광 상관관계의 실험적 측정은 양자 역학의 이론적 예측과 일치합니다 광자 간의 국소적 실제 상관관계는 관찰된 정밀도를 설명할 수 없음을 나타냅니다 과학에서 우리는 현실이 무엇인지 선언한 다음 관찰을 우리의 가정에 맞게 조정하지 않습니다 정확성 예측 능력 및 최소한의 가정으로 관찰을 예측하는 이론과 모델은 살아남습니다 물리학은 현실이 당혹스럽고 기괴해 보이는 것에 대해 고민하지 않습니다이 문제는 우리가 현실이 제공하는 것보다 우주에 더 많은 것을 요구할 때만 발생합니다 우리가 더 많은 것을 가르쳐주는 실험을 고안할 때까지는 이상하고도 놀라운 현실이 있습니다 편견에 따라 추가적인 구조를 부과하는 것보다 정 을 받아들이는 것이 낫습니다 그 중요한 실험을 수행할 때까지 과학적 입에 의존하는 대신 우리는 피상적으로 철할 것입니다 그때까지 우리는 어둠 속에 머물 것입니다 양자역학은 과학에서 가장 정확하고 강력한 현실 이론으로 자리잡고 있으며 수많은 실험을 예측하고 수많은 응용프로그램을 만들어냅니다 그러나 자 철학자는 여전히 의견이 엇갈립니다 아마도 대다수일 많은 물리학자는 물리학자가 양자 역학의 근본적인 의미를 이해하려고 하기보다는 계산에 집중해야 한다고 제안하는 코펜하겐 해석을 고수합니다 철학자 팀 모리는 이러한 접근 방식을 비판하며 세계가 어떻게 기능하는지 대한 자세한 설명을 제공하는 양자 역학에 대한 여러 해석을 강조합니다 그러나 다른 과학자들이 이한 해석을 을 밀히 살펴보면 복잡하고 있을 법하지 않아 회의론이 더 강화될뿐입니다 그들은 양자 역학을 정보에 대한 이론으로 규정하는 해석에 탐구하려 하지 않습니다 그러나 어떤 이들은 이러한 해석이 매력적이라고 생각합니다 그러나 다른 이들에게는 이러한 정보 기반 해석이 의식을 리하게 도입하여 객관성을 훼손하기 때문에 더욱 그럴 듯하지 않은 것처럼 보입니다 의식에 대한 논쟁도 비슷하게 논란이 많습니다 이전에는 의식이 신경 과정에서 발생한다는데 의견의 일치가 있었지만 이러한 이론에 대한 경험적 증거는 부족했습니다 결과적으로 통합 정보 이론과 양자 효과가 의식을 뒷받침한다는 제안을 포함한 수많은 이론이 생겨났습니다 후자에 대한 증거는 부족하지만 양자 현실을 이해하기 위한 여정은 우리의 초보적인 지각의 한계를 넘어섭니다 자연히 우리 감각에 직접 드러내는 모습에 유혹 당하기 쉽습니다 우리의 초보적인 지각에서 수집된 증거는 종종 우리가 살고 있는 세상에 대해 명확한게 아니라 모호하고 흐릿한 개념을 낳을 수도 있습니다 현대 물리학의 통찰력을 받아들이지 않고 존재를 평가하는 것은 마치 어둠 속에서 알려지지 않은 상대와 시름하는 것과 같습니다 적 실 정한 본질에 대한 이해를 심함 우리는 우리 자신에 대한 감각과 우주에 대한 경험을 근본적으로 재구성합니다 양자 물리학은 우리의 일상적 경험에 도전하기 때문에 매력적입니다 물질은 파동과 입자로 모두 작용할 수 있습니다 우주는 나눌 수 없는 양자로 구성되어 있습니다 우리는 구체적인 결과보다는 확률만 예측할 수 있으며 공간과 시간 모두에서 비국소적 작동합니다 그 효과는 가장 작은 규모에서 가장 분명하게 나타나 우주에 대한 가장 독특한 발견 중 하나입니다 하지만 우리는 종종 관찰 측정 상호작용과 같은 개념을 도입하여 방정식에 우리 자신을 통합합니다 우리 자신을 제거하면 방정식 결과 및 우주의 답이 남습니다 물리학은 우주가 작동하는 이유를 설명할 수 없습니다 우주가 어떻게 기능하는지 설명할 수 있을뿐입니다 현실의 근본적인 본질을 이해하기 위해 우주의 자신에 대한 질문을 하고 우주의 응답에 귀를 기울여야 합니다 우리가 추가하는 다른 모든 것은 우주의 것이 아니라 우리 자신의 구성물입니다 요점은 양자 역학이 현실에 대한 가장 정확하고 강력한 이론임을 가 밝혀야 할 수수께끼가 많다는 것 더 깊이 이해해야 한다는 점입니다 오늘 이야기는 여기까지입니다 다음에 또 만나요 안녕 [음악] [박수] [음악] [음악] [음악] 2 n [음악]