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역사적으로 파동-입자 이중성은 빛이 과연 입자인지, 아니면 파동인지에 대한 논란으로부터 비롯되었다. 빛이 두 가지 성질을 모두 지닌다는 사실이 실험을 통해 증명되었고, 이후 빛 뿐만이 아니라 다른 모든 물질도 입자와 파동의 성질을 둘 다 지닌다는 사실이 발견되었다.
빛의 이중성
빛의 정체에 대한 논의는 아주 오래전부터 계속되었다. 위의 '역사'부분에서도 언급하였듯 고대의 데모크리토스, 아리스토텔레스부터 르네 데카르트, 아이작 뉴턴, 크리스티안 하위헌스, 토머스 영, 제임스 클러크 맥스웰, 하인리히 루돌프 헤르츠, 알베르트 아인슈타인에 이르기까지 많은 과학자들이 빛의 정체에 대해 논쟁하였고, 현재는 빛이 입자적 성질과 파동적 성질을 모두 가지고 있다고 설명한다.
이중 슬릿 실험은 토머스 영이 한 실험으로 빛의 간섭무늬를 관찰하여 빛의 파동설을 강력하게 뒷받침한 실험이다. 이후 이 실험은 빛 뿐 아니라 일반적인 물질(전자 등)들로도 행해졌다.
일반적으로 모든 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지고 있다. 다만 파동으로 생각했던 빛이 입자라는 사실이 먼저 밝혀진 것이다. 입자라고 생각한 전자가 파동임을 보인 것은 프랑스의 루이 드 브로이이다. 그는 1924년, 모든 물질은 파동의 성질을 가지고 있다고 주장하고 물질마다의 파동을 ‘물질파’라고 주장하였다. 1927년에 미국의 데이비슨이 실험적으로 전자에 파동적 성질이 있다는 것을 증명하였다. 모든 물질에 파동성이 있지만 그것을 확인하기 힘든 이유는 파장이 매우 짧기 때문이다.
이중 슬릿 실험, 특히 관측의 유무에 따라 광자, 혹은 전자의 특이한 행동 - 관측하지 않으면 파동처럼, 관측하면 입자처럼 행동 - 을 설명하기 위해 여러가지 접근이 시도되었다. 그리고 그것을 조금 더 확장하여 이중 슬릿 실험에서 뿐 아니라 고전 역학으로 쉽게 설명되지 않는 여러 현상들이 어떠한 물리적인 의미를 가지게 되느냐에 대해서도 논의하게 되었고, 그로 인해 '양자역학'과 여러 해석들이 탄생되었다.
코펜하겐 해석
코펜하겐 해석은 보어(Niels Henrik David Bohr), 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg) 등 당대 유명한 물리학자들이 함께 만든 것으로서 양자역학에서 가장 널리 받아들여지고 있는 정통해석이다. 코펜하겐 해석의 관점에서는, '관측'이 중요시 여겨진다. 즉, 관측하기 전에는 여러가지 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 하나의 상태는 객관적인 사실로 존재하는 것이 아니라 관측자와의 상호작용의 결과라고 주장한다.
코펜하겐 해석의 가장 기본적인 두가지 원리는 상보성 원리와 불확정성 원리이다.
상보성 원리는 물리적 실재에 대한 성질들은 상호보완적인 짝을 이루어 존재한다는 것이다. 즉 어떤 물리적 실재는 경우에 따라 A로도 B로도 존재할 수 있음을, 하지만 동시에 A이자 B일 수는 없음을 의미한다. 예를 들면 빛은 경우에 따라 입자 혹은 파동으로 행동할 수 있지만 동시에 입자이며 파동일수는 없다. 파동 입자의 이중성 이외에도 운동량과 위치 등도 상보성원리로 설명할 수 있다.
불확정성 원리는 하이젠베르크가 주창한 것으로, 위치와 운동량은 동시에 온전하게 측정될 수 없으며 두 측정값의 오차는 특정 값보다 줄어들 수 없다는 것이다. 간단히 다음과 같이 나타내진다.
이 원리는 양자역학을 위해 새로 만들어낸 것이 아니라 양자역학의 통계적 해석으로부터 얻어진 결과이다. 이 오차보다 줄어들 수 없는 이유에 대한 한가지 견해는 '관측'을 할 때 관측대상에게 아무런 영향을 주지 않는 것이 불가능하기 때문이다. 예를 들자면, 전자기파로 어떤 대상을 관측할 때 위치를 정확하게 알아내기 위해 짧은 파장을 이용하게되는데 파장이 짧아질수록 전자기파의 에너지가 커지기 때문에 전자기파의 운동량은 점점 더 불확실해지고 그 측정값의 오차가 점점 더 커지게 된다. 따라서 위치와 운동량의 측정값 곱은 어느 한계치보다 작아질 수 없다
코펜하겐 해석은 여러 과학자들의 비판을 받아왔다. 그 중 한가지 이유는 우리가 '관측'을 하는 행위가 너무 중요해서 그로 인해 세상이 결정된다는 것은 너무 말도 안되는 이야기라고 생각되었기 때문이다. 아인슈타인은 '누군가 달을 보고 있을때만 달이 존재하는가? 그렇지 않을 것이다'라며 끝까지 이 해석을 받아들이지 못하고, 여러 사고실험, 특히 'EPR 역설'로 이 해석에 반기를 들었다. 하지만 이후 '벨의 부등식'과 그 부등식의 실험적 검증으로 인해 아인슈타인이 틀렸고 양자역학의 원리가 옳다는 것이 증명되었다. 또한 슈뢰딩거는 '슈뢰딩거의 고양이'라는 사고실험을 통해, 이러한 불확정성이 원자 이하의 미시세계가 아닌 거시세계로 확장된다면 얼마나 이상하게 느껴질지 생각해보게끔 만들고, 이를 통해 이 해석에는 문제가 있을 것이라고 주장하였다. 하지만 관측의 중요성을 강조하여 혹자는 '인간의 마음은 양자역학을 넘어선 특별한 존재이다. 그래서 관측에 따라 물질의 상태가 정해지는 것이다' 라고도 하였다.
다세계 해석
휴 에버렛(Hugh Everett III)이 주장한 해석으로서 인간에게도 (관측대상에게 그랬듯이) 양자역학을 적용, 인간 역시 여러 상태가 중첩되어있는것으로 이해하였다. 그래서 확률에 따라 가능한 여러가지 경우의 수만큼의 세계가 존재하며, 그 세계들 간에는 상호작용이 없다고 하였다. 이 해석 역시 몇 개의 우주가, 얼마나 존재하는가, 확률에 따라 어떻게 결정되는가 등의 몇가지 문제점을 가지고 있지만 코펜하겐 해석과 더불어 현재 제일 보편적으로 받아들여지는 해석이다.
이처럼 양자역학은 뉴턴 이후부터 이제까지 물리학자들이 가진 결정론적 사고 - 물리법칙으로 모든 미래를 예측할 수 있다 - 가 맞는 것인지에 대해 다시 한번 생각하게끔 만들어주었다. 양자역학의 여러 논쟁들과 해석들은 매우 철학적이다. 하지만 과학계에서는 철학적인 논의는 뒤로 하고, 일단 이론을 적용하여 계산하였을 때 많은 현상들을 예측할 수 있었기 때문에 일단 양자역학을 받아들이고 그 활용에 더 집중하고 있다.
우주는 '매트릭스'인가: 현대 과학이 발견한 실재성 https://youtu.be/yNIBK79kvxw
EBS 특별기획 통찰(洞察) - 자연의 예측 가능성 양자역학
_#001 https://youtu.be/EmHIKMzkLTk
_#002 https://youtu.be/UVgsT1nweKc
_#003 https://youtu.be/--AUHJ28zX8
공간의 물리학 (7분만에 상대성이론 훑어보기) https://youtu.be/eGcdSSYmWlc
책 <보이는 세상은 실재가 아니다>
[칼럼] 빛은 무엇인가? (1) - 빛의 본질에 관하여 ▷ http://www.vekni.org/index.php?mid=Germanyinformation&document_srl=45831
빛 "너는 입자냐, 파동이냐?고 묻지 말라." ▷ http://www.injurytime.kr/news/articleView.html?idxno=4307
빛이 입자인가 파동인가 하는 빛의 입자-파동 논쟁은 아이작 뉴턴 시대(17, 18세기)까지 거슬러 올라갑니다. 뉴턴의 빛에 관한 연구는 잘 알려져 있습니다. 그는 빛을 입자의 흐름이라는 결론을 내렸습니다. 이에 반해 네덜란드의 물리학자 하위헌스(Christian Huygens)는 빛이 파동이라고 주장했습니다. 당시에는 뉴턴의 명성이 워낙 높던 터라 빛의 입자설이 우세했습니다.
그러다가 1802년 영국의 의사이자 아마추어 물리학자인 토머스 영(Thomas Young)이 그 유명한 ‘영의 실험’을 통해 빛의 입자설에 치명타를 날렸습니다. 빛이 파동의 강력한 증거인 간섭 현상을 일으킨다는 사실을 실증해 보인 것입니다. 게다가 19세기 중후반 맥스웰이 전자기이론을 정립하자 빛이 전자기파의 일종인 파동이라는 사실은 의심의 여지가 없게 되었습니다.
그러나 20세기의 벽두인 1905년 아인슈타인이 광양자라는 개념을 도입해 ‘광전효과’의 메커니즘을 규명함으로써 빛의 입자설을 부활시켰습니다. 이로부터 18년 후 아인슈타인의 광양자 가설을 증명한 콤프턴의 X선-전자 산란(콤프턴 산란) 실험에서도 빛은 입자임이 분명해 보였습니다.
빛은 정말로 입자일까요? 그렇다면 빛이 파동임을 입증한 ‘영의 실험’은 어떻게 된 것일까요?
...(중략)...
이중슬릿 실험의 결과로 볼 때 빛은 파동성을 가지고 있음이 분명해졌습니다. 그런데 우리는 앞에서 아인슈타인과 콤프턴이 빛의 입자성을 확인한 사실을 이미 알고 있습니다. 그렇다면 결론은 자명합니다. ‘빛은 입자성과 파동성을 함께 갖고 있다.’ 물리학계는 이를 ‘파동-입자의 이중성(wave-particle duality)’이라 부릅니다.
빛은 입자 아니면 파동이라거나 입자와 파동은 배타적이라는 고전물리학에 기초한 이분법적 사고는 이제 통하지 않게 된 것입니다. 게다가 뒤에서 다루겠지만 빛뿐 아니라 입자라고 철석같이 믿었던 전자와 같은 물체들도 파동성을 보인다는 것이 확인되었습니다. 미시세계에서는 입자성과 파동성이 한 물체에 공존하는 것입니다.
“양자역학을 이해하는 사람은 이 세상에 아무도 없다.”는 파인만의 발언은 이처럼 미시세계가 상식적으로는 도무지 이해하기 힘들다는 뜻입니다. 물리학자들은 이 같은 현상을 수학적으로 명료하게 기술하고 있으며, 실험결과를 놀라울 정도로 예측할 수 있습니다. 그러나 왜 미시세계의 존재들이 파동성과 입자성을 동시에 갖는지에 대한 이유를 설명할 수 있는 사람은 오늘날까지 이 세상 어디에도 없습니다.
양자역학 두 번째 이야기 - 입자냐, 파동이냐! https://youtu.be/a4LsdqwZEaU
빛은 입자일까, 파동일까? 그리고... - 양자역학 Part 2 https://youtu.be/xqOopbe2Cw8
대체 양자역학이란 무엇일까!? - 양자역학 Part 3 https://youtu.be/y7KGp6jjiNU
대체 물질의 근원은 뭘까? - 양자역학 Part1 https://youtu.be/EhyleQ2ClqI
시간은 흐르지 않는다 | 현대 물리학이 밝혀낸 시간의 비밀 https://youtu.be/U29HZLsUcGg
책 <시간은 흐르지 않는다>
NASA에서 연구중인 공간이동 우주선[과학] https://youtu.be/eMSuzv1cE-4
책 <예언된 미래 SF>
EBS 끈이론 1부 우주 비밀의 열쇠, 끈이론의 출현 https://youtu.be/f4zXxukiDtQ
EBS 끈이론 2부 끈이론, 딜레마에 빠지다 https://youtu.be/Uf1xpW4V9wA
EBS 끈이론 3부 끈이론의 미래 https://youtu.be/BmtA7O6AFA8 TED [브라이언 그린] 끈 이론 https://youtu.be/NB5SuzNXD74
브라이언 그린: 2002년 <앨리건트 유니버스>, 2005년 <우주의 구조: 시간과 공간, 그 근원을 찾아서>,
2009년 <블랙홀을 향해 날아간 이카로스>, 2012년 <멀티 유니버스: 우리의 우주는 유일한가?>
초끈이론 간단 설명! [Feat. 지식인미나니] https://youtu.be/ETqMG_-g4VQ
라면이 익기 전 이해하는 힉스입자 [feat. 과학쿠키] https://youtu.be/NZD2ZFvyJzo
힉스 입자 발견은 인류에게 어떤 의미인가 https://youtu.be/eYsTGmii2cQ
표준모형과 힉스입자 - 박인규 서울시립대 물리학과 교수 / YTN 사이언스 https://youtu.be/DUqqvhwJx48
* 표준모형 이론이 포함하지 않는 것 : 중력, 암흑물질(Dark Matter), 우주의 가속 팽창의 원인인 암흑에너지(Dark Energy)
2011 Isaac Asimov Memorial Debate: The Theory of Everything : https://youtu.be/Eb8_3BUHcuw
- 1:02:10 Dr. Jim Gates "컴퓨터 코드가 숨겨져 있다"
- 1:34:15 "방정식에 컴퓨터 코드가 있다. ... 실제로 컴퓨터 코드라는 말은 무엇입니까?" Dr. Jim Gates "...이것이 바로 디지털 데이터를 정확하게 전송하는 방법입니다. 이 목적으로 사용되는 코드 중에는 특수 코드 클래스가 있습니다. 선형 자기 이중 오류 수정 코드를 차단합니다
영화 루시의 노먼 박사 역을 맡은 모건 프리먼 배우 풍에
영화 매트릭스의 모르페우스 역을 맡은 로렌스 피쉬번 배우와 마블 영화들의 사무엘 L 잭슨 배우 느낌도 살짝 나는
박사 짐 케이트의 언급은 파격적입니다..
공식적으로 힉스입자가 발견되었다고 2013년 3월 18일에 CERN은 발표했습니다.
2011년의 10년 후, 2021년 끈이론은 무엇을 말해줄까요?
현재 그들은 무엇을 하고 있을까요?
이미지출처: http://dl.dongascience.com/magazine/info/?group=012&pg=5
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