양자역학 4가지 특징

[뽀야]

첫째로  물질과 반물질의  쌍 생성과 소멸 ( Pair production - annihilation)

 최소 초대칭 표준 모형( Minimal Supersymmetric Standard Model, 약자 MSSM)은  표준 모형에 초대칭과 R반전성을 최소한으로 가미하여 얻은, 기본입자를 다루는 이론이다.

아직 실험적으로 검증되지 않았고, 대형 강입자 충돌기에서 검증을 위한 실험들이 진행 중이다.

MSSM은 1981년에 그리스의 사바스 디모풀로스(Σάββας Δημόπουλος)와 미국의 하워드 조자이가 계층 문제를 풀기 위하여 도입하였다.

둘째. 양자 중첩quantum superposition

물리적 해석

평범한 일상의 사물과 사건이 중첩과 같은 양자 역학적 특징을 나타내지 않는 것처럼 보이는 이유를 묻는 것은 당연합니다. 사실, 이것은 때때로 리처드 파인만 (Richard Feynman)과 같은 "신비한"것으로 간주됩니다. [21] 1935년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 현재 슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)로 알려진 잘 알려진 사고 실험을 고안하여 양자 역학과 고전 물리학 사이의 이러한 부조화를 강조했습니다. 

한 가지 현대적인 견해는 이 미스터리가 양자 결맞음에 의해 설명된다는 것입니다. [인용 필요] 거시적 시스템(예: 고양이)은 시간이 지남에 따라 고전적으로 구별되는 양자 상태(예: "살아 있는" 및 "죽은")의 중첩으로 진화할 수 있습니다.

이를 달성하는 메커니즘은 중요한 연구의 주제입니다. 한 가지 메커니즘은 고양이의 상태가 환경 상태(예: 고양이를 둘러싼 대기의 분자)와 얽혀 있음을 시사합니다.

환경의 가능한 양자 상태(환경의 양자 상태를 정확하게 제어하거나 측정할 수 없는 한 물리적으로 합리적인 절차)에 대해 평균을 구하면 고양이에 대한 결과 혼합 양자 상태는 고전적인 관찰자가 이 상황에서 예상하는 것처럼 고양이가 죽거나 살아 있을 확실한 확률이 있는 고전적인 확률적 상태에 매우 가깝습니다.

제안된 또 다른 이론 부류는 근본적인 시간 진화 방정식이 불완전하고 어떤 유형의 근본적인 Lindbladian의 추가가 필요하다는 것입니다.,

이 추가의 이유와 추가 용어의 형식은 이론마다 다릅니다.

대중적인 이론은 Lindblad 용어가 상태의 공간적 분리에 비례하는 지속적인 자발적 현지화입니다. 이것 역시 준고전적 확률적 상태를 초래합니다.

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더 많은 중첩 응용 프로그램

중첩은 양자 물리학의 분야를 넘어 일상 생활로 확장됩니다. 다음은 매일 중첩을 관찰할 수 있는 몇 가지 방법입니다.

1. 우리가 만들어내는 모든 소리는 서로 다른 파장의 중첩이 서로 다른 톤을 만들기 위해 모입니다. 악기를 연주할 때 더욱 느낄 수 있습니다.
2. 햇빛(백색광)은 서로 다른 빛의 파장이 중첩되어 붕괴될 때 무지개를 형성합니다.
3. 전기 공학에서 여러 전원이 있는 회로가 있는 경우 한 번에 하나의 전원을 사용하여 회로를 분석하여 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.
4. 지질학자들은 암석층의 상대적 나이를 결정하기 위해 중첩을 사용합니다. 암석 층이 겹쳐져 있기 때문에 가장 오래된 암석 층이 맨 아래에 있고 가장 어린 암석 층이 맨 위에 있습니다.

이상의 4가지를 특징으로 하여   고전역학은 결정론적인데 비하여 퀀텀역학은  우연성을 배제하지 않으며  확률론적인 입장을 가진다.

즉, 고전역학은 현재의 상태를 정확하게 알고 있다면 미래의 어느 순간에 어떤 사건이 일어날지를 정확하게 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취한다. 고전역학은 인과법칙을 따르고 우연성을 배제한다.

양자역학의 주인공은 광자 중력자 전자 글루온 w보손 z보손과 힉스의 6개보손은 아주 핵심되는 양자역학의 주인공들입니다.

 우주만물은 질량이 없는 상태에서 질량을 가지게되는 것인데 질량이 없는 상태를 빛이라고 하고 빛의 에너지 덩어리가 모인 것이  12개의 페르미온양자들입니다.

 우주만물은 빛입자들을 중심으로하는 18개의 양자이 모이고 흩어지는 결과라는 점입니다.

이 모이는 과정에서 다양한 현상들이 생깁니다. 

세째. 양자얽힘(quantum - entanglement) 

이 특징으로 인하여 고전역학은 시공간의 국소성(locality)을 다루는데 비하여 양자역학은  “비국소성(non-locality)”의 공간을 다룬다.

 아인슈타인은 시공간의 상대성을 제청하면서 근대물락의 한계를 넘어섞으나 국소성의 관점에서 머물렀습니다만 

양자역학은 비국소성의 차원을 두루게됩니다.

“비국소성” 이론에서는 입자들은 하나로 연결되어 있기 때문에 상호 작용이 거리와 상관없이 빛보다 빨리 동시적으로 순간적으로 이루어진다고 생각하였습니다. 예를 들면 우주의 한 끝에 있는 입자의 속성을 변화시켰을 때 그 입자와 상관관계를 이루고 있는 다른 입자의 속성도 역시 동시적으로 변화된다고 생각하였습니다.

양자얽힘(quantum entanglement)은 퀌텀 세상의  기이한 특성으로 알려져 있다.

2015년 네덜란드 로날드 헨슨 연구팀이 주도한 국제연구팀이 양자얽힘 현상이 실제 존재한다는 것을 실험으로 입증했다.

한 번 짝을 이룬 두 입자들은 아무리 서로 떨어져 있다 하더라도, 어느 한 쪽이 변동하면 그에 따라 ‘즉각’ 다른 한 쪽이 반응을 보이는 불가사의한 특성을 가지는 데, 양자이론에서는 이 두 입자가 서로 ‘얽혀있다’고 하며 이를 일컬어 ‘양자얽힘’이라고 한다. 1964년 아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)이 이론으로 발표했다.

가령 한 입자의 위치나 운동량, 스핀과 같은 특성을 측정한 순간, 이들이 아무리 멀리 떨어져 있다 하더라도 다른 한 입자의 해당 특성이 ‘즉시’ 바뀌어 입자의 상태를 결정하게 된다는 것이다.

이는 입자가 오직 즉각적인 주위 환경에 의해서만 직접 영향을 받는다는 표준 물리학의 ‘국소성의 원칙’에 위배된다. 때문에 이 이론은 물리학적 연구가 아니라 철학적 연구라고 여겨졌다. 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)도 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 주장하면서 이 이론을 “유령 같은 원격작용”이라며 결코 받아들이지 않았다.

2015년 10월 <네이처>지에 발표된 논문을 통해 ‘양자얽힘’이 실재한다는 강력한 증거를 보여주는 실험결과가 알려졌다. 이 실험은 네덜란드 델프트 공과대학 카블리 나노과학연구소의 물리학자 로날드 핸슨(Ronald Hanson)의 연구팀이 주도했고 스페인과 영국의 과학자들이 참여했다. 연구팀은 델프트 대학 캠퍼스 내부 1.3km 떨어진 거리에 두 개의 다이아몬드를 배치하고 각각의 다이아몬드 전자에 자기적 속성인 ‘스핀’을 갖도록 했다. 실험결과는 한 전자가 업 스핀(예를 들어 반시계 방향으로의 회전)일 경우, 다른 전자는 반드시 다운 스핀(시계 방향의 회전)이 된다는 것을 보임으로써 완벽한 상관관계를 입증했다. 물리학자들은 이 실험을 통해 양자역학 실험이 실제로 가능함을 증명했다는 점에 찬사를 보냈고, 과학저널 <사이언스(Science)>지는 이 실험을 2015년 최고의 과학적 성과 중의 하나로 선정했다.

네째. 양자결맞음 (quantum- coherence)

고전역학은 미세물질의  분열과 융합과정으로 제한되지만, 퀀텀역학의 중요한 특징으로 양자 결맞음(quantum    coherence) 이 있습니다.

고전역학은 미세한 물질의 분멸과 융합을 다루는데 비하여 양자역학은 차원이 다른 더 깊고 심원한 영역으로 파고들어갑니다.

그러므로  양자역역이야말로 가장 전체성의 관점에서 우주자연을 다루게되는 것입니다.

우주는 전체적인 관점에서  다루어야 그 진리성 진실성을 얻게 됩니다.

이러한 관점에서 양자역학의 양자결맞음 (quantumcoherence) 이야말로 고전물리학과 구별되기에   현대물리학이라는 칭호를 부여하는 것입니다.   

결맞음은 파동이 간섭 현상을 보이게 하는 성질이다.

이 성질은 광학에서 등장하는 영의 이중슬릿 간섭실험과 관계되는 개념이지만 파동과 관련된 모든 분야, 예를 들면, 음향학, 전자공학, 신경과학 및 양자역학 분야에도 사용된다.

두 개 이상의 파동이 합해질 때 두 파동의 위상에 따라 상쇄 간섭 혹은 보강 간섭이 일어나는데, 결맞음이 잘 될수록 간섭 현상이 잘 일어난다.

상쇄간섭에 의해 파동이 얼마나 완전히 사라지는가를 측정함으로써 결맞음의 정도를 알 수 있다.

이 성질은 홀로그래피 등에 사용된다.

식물의 광합성은 양자물리학을 이용하고 있었다.
(Photosynthesis Uses Quantum Physics)

 사람과 동물의 생명은 직간접적으로 식물(plant life)에 의존하고 있다.

그리고 모든 식물의 생명은 흡수한 빛에너지를 살아있는 세포가 이용할 수 있도록 에너지로 변환시키는 매우 정교한 생화학적 기계들에 의존하고 있다.

미국 일리노이 주의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구자들은 이러한 시스템이 어떻게 작동하는 지를 밝히기 위해서 초고속 분광기(ultrafast spectroscopy)를 사용해 왔다.

가장 최근의 발견인 자색세균(purple bacteria)에서 새로 발견된 고도로 복잡한 광합성은 그들을 매우 당황시키고 있었다.

광합성 기계들은 빛의 양자성질(quantum nature)의 장점을 취하는 최첨단기술을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

연구자들은 먼저 -150℃ 이하로 그 광합성 박테리아를 냉동시켜, 빛을 수집하는 박테리아의 단백질 복합체 내의 초고속 광자와 전자의 상호작용이 천천히 발생하도록 만들어서, 보다 상세한 조사를 할 수 있도록 했다.

그들은 생화학적 빛 수확 단백질 복합체 안으로 빛의 한 파장이 특정한 색소 분자로 가도록 비추었다.

각각의 복합체는 정교한 배열을 지닌 여러 색소들을 포함하고 있다.

”아르곤 국립연구소의 과학자들은 이전에는 누구도 관찰한 바가 없는 무엇인가를 목도했다.

아르곤 국립연구소의 특집기사에 따르면, '단일 광자(single photon)가 동시적으로 서로 다른 색소체(chromophores, pigments)를 자극하는 것으로 나타났다”는 것이다.

이것은 하나의 빠르게 움직이는 입자가 동시에 두 장소에서 나타난다는, 빛의 ‘양자결맞음(quantum coherence)’이라는 기묘한 관측과 일치되는 것이었다.

박테리아의 생화학은 빛을 수확할 때, 이러한 빛의 성질을 이용하고 있었다.

그러나 어떻게 이용하는 것일까?

연구자들은 PNAS 지에서, 이 '양자결맞음”으로 빛을 포획하는 것은 ‘보조인자(색소) 사이의 전자적 결합(electronic coupling)’과 그 결합을 특화하는 정확하게 위치된 단백질들에 주로 기인하는 것 같다고 발표하였다.

빛을 적게 받는 해조류(algae)와 마찬가지로, 박테리아의 빛-수확 복합체(light-harvesting complexes)는 먼 거리에 걸쳐 에너지 전달을 최대로 하기 위해 빛 양자들을 이용하도록 배열되어 있었다.

이것은 빛의 수확 효율을 극적으로 증가시키는 것이었다.

바꾸어 말하면, 박테리아는 오직 누군가에 위해서만 만들어진 기계들, 즉 빛의 복잡한 양자적 성질을 이해하고 있었던 누군가에 의하여 궁극적으로 만들어진 생화학적 초정밀 기계들을 장착하고 있었던 것이다.

이것은 공동연구자인 게리 비더레슈트(Gary Wiederrecht)를 깜짝 놀라게 만들었다.

그는 ”어떻게 자연(Mother Nature)이 이토록 믿을 수 없을 만큼의 우아하고 정교한 해결책을 만들었을까? 라고 묻고 있었다

물론 ”자연'은 그렇게 하지 못했다.

만약 자연이 그렇게 할 수 있었다면, 게리는 결코 그와 같은 질문을 하지 않았을 것이다.

마찬가지로, 아르곤 국립연구소의 생화학자이며 선임연구자인 데이비드 티에드(David Tiede)는

”그것이 정말로 우연히 거기에 존재하게 됐다면, 우리는 놀랄 수밖에 없다.

그렇지 않다면, 이 미묘하고 독특한 초정밀 기계들은 우리에게 무엇을 말하고 있는 것인가”라고 말했다.

자연과 우연이 이러한 첨단기술을 만들어낼 수는 없다.

그 기술은 현대 인류가 가지고 있는 최첨단 기술 이상의 것이고, 심지어 우리의 양자결맞음에 대한 이해를 넘어서는 것일 수도 있다.

만약 박테리아에 존재하는 광합성 기계들이 자연에서 생겨날 수 없는 탁월한 것이라면, 다른 분자 기계들의 기원과 마찬가지로, 그것의 기원은 자연 밖에 있는 누군가에 의해서만 오직 설명될 수 있는 것이다.

결국 위 4가지의 양자역학적인 특징을 가지고 있다는 의미입니다.

요약하자면...

양자과학은 양자역학의  양자얽힘 ( quantum  entanglement)에 의하여 비국소성을 다루고

양자과학은 양자역학의 결맞음(quantum coherence)으로 흔히 카오스이론물리학이나  복잡성이론과도  차별화되는 것입니다.

또한 양자과학은 물질의 쌍생성과 소멸의 열학학을 제시하면서 아인슈타인의 상대성이론과도 전혀 다른 에너지 물리학적인 열역학이론을 제사합니다.

양자과학은 고전물리학의 결정론과는 학률론적이고 우연성을 인전하여 확률론적이라는 특징이 있는데 연관성이이나 함수와 방정식의 수리연산과정에서도 차별화되는 특징을 가집니다.

  이러한 관점은 그 환산 방법이나 연산법에서도 기존의 방정식과는 다른 원리를 적용해야합니다.

수학적으로 표현하면 바로 군환체라고 하는 방법론입니다.

즉,  격자론과 행렬론의 방법론이 바로 그러한 예가 됩니다. 

양자역학은 시공간의 초월한 차원을 다룬다지만 흔히  차원이동과 같은 유사양자역학과는 구별되어야합니다.

 우주자연의 모든 존재자는 유한과 무한의 동시적 결합체로 규정합니다.

놀랍게도 초고대인들은 양자과학적인 생각을 하였습니다.

 우주는 빛에서 비롯하였다는 주장은 초고대시절부터 선지자들의 생각이고 종교지도자들고 그렇게 생각하였다고 합니다.

특히 우리조상들은 양자역학과 원리가 유사한 환역의 역학을 가지고 책력을 만들고 양자장론이나 힉스장 중력과과 동일한 개념을 활용하였는데 이게 바로 태극장이라고 하는 것입니다.