양자_국소성의 원리, 상보성, 양자 얽힘, 양자 중첩, 위키백과

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분류: 양자역학

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[국소성의 원리]

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국소성의 원리(principle of locality)란 공간적으로 멀리 떨어져있는 두 물체는 절대 서로 직접적으로 영향을 줄 수 없다는 물리학 원리이다.

한 물체가 다른 물체에게 영향을 미치기 위해서는 반드시 둘 사이의 공간이 매개되어야 한다.

이것은 아인슈타인의 "양자역학과 실재"라는 글에서 처음으로 다음과 같이 명시되었다.

“앞으로 이야기할 논의는 공간상으로 떨어져있는 두 물체 A와 B의 상대적 독립성에 대한 것이다. A에게 어떤 외부의 영향이 주어진다고 해도 그것은 B에게 직접 영향을 주지 않는다. 이것은 국소작용의 원리로 알려져 있고, 아직까지는 장 이론에서만 의미있게 사용되고 있다. 만약 이 주장이 완전히 틀린 것이라면, 닫힌 계는 존재할 수 없을 것이고 따라서 물리 법칙들의 공리들 역시 실험적으로 타당하게 증명할 수 없을 것이다.”

지구의 공전 모형을 생각해 보자. 이 우주에 지구와 태양만 존재하고, 지구는 태양의 주위를 공전하고 있다고 가정한다. 뉴턴 역학에 따르면, 태양이 어느 순간 이 우주에서 사라져버린다면, 지구가 궤도에서 벗어나는 순간 직선 운동을 하게 된다.

하지만 이는 국소성의 원리에 위배된다. 국소성의 원리에 따르면 태양이 사라진 직후에, 그 영향은 태양 주변부에만 미치게 되고 이것이 점차적으로 전파되어 지구에 영향을 주게 된다. 이때 그 영향이 전파되는 속도는 빛의 속도와 같고, 이는 일반상대성이론의 결론 중 하나이다. 국소성의 원리가 정확히 적용되고 있음을 볼 수 있다.

EPR 역설

아인슈타인은 양자역학의 체계가 국소성의 원리에 모순된다고 지적했으나, 숨은 변수 찾기와 관련된 여러 실험을 통해 오히려 양자 세계에서 국소성의 원리가 통하지 않으며, 비국소적이란 것이 밝혀졌다.

[locality principle]

https://www.bing.com/search?q=locality+principle&qs=UT&pq=locality+principle&sc=

In physics, the principle of locality states that an object is influenced directly only by its immediate surroundings. A theory that includes the principle of locality is said to be a "local theory". This is an alternative to the concept of instantaneous, or "non-local" action at a distance

(어떤 대상은 직접적 환경에 의해서만 바로 영향을 받는다.)

[참고] 직접적 환경이란?

환경이란 어떤 사물을 둘러싸고 있는 다른 사물을 말한다. 한경은 상대적일 수밖에 없는데, 예컨대 A와 B라는 두 개의 사물이 있다면, A의 환경은 B이고, B의 환경은 A이다. 이런 경우의 환경은 어떤 것이든 직접적 환경이다.

그런데 세상은 보통 셋 이상의 사물들로 계층적으로 구성되어 있다. 예컨대 어떤 사물들이 [[A, B] C]와 같이 구성되어 있을 때, 이때 B는 A의  직접적 환경이고, C는  [A, B]의 직접적 환경이다. A나 B도 C의 환경이고, C도 A나 B의 환경이지만, 그러나 직접적 환경은 아니다. 직접적 환경이 아닌 환경을 간접적 환경이라 한다.

국소성 원리는 사물들 사이에 영향을 미치는 힘은 직접적 한경에 놓인 두 사물 시이에서만 작동한다는 것이다.

여기서 사물들 사이의 힘의 영향 관계를 살피려면, 그것들 사이에 작동하는 힘의 중심을 고려해야 한다. 이 문제는 조금 복잡한 문제라 관련된 여러 가지 문제들을 충분히 고려해야 할 것이다.

(언어학에서는 국소성 원리는 기분적으로 어떤 구조를 이루는 성분들의 관계를 설명하는 데 사용된다.)

[상보성 (물리학)]

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%81%EB%B3%B4%EC%84%B1

양자역학에서 상보성 원리(相補性原理, complementarity principle)는 양자역학적 물체가 어떤 실험을 하느냐에 따라 파동 또는 고전적 입자의 성질을 보인다는 원리이다. 코펜하겐 해석의 기본 원리이며, 입자의 파동-입자 이중성과 관련이 있다. 닐스 보어가 코펜하겐의 연구소에서 불확정성 원리를 해명하기 위하여 도입하였다.[1][2]

상호보완성은 전통적인 좁은 의미에서 양자 역학적인 하나의 대상이 예를 들면 빛과 같이 경우에 따라 입자 혹은 파동으로 행동할 수 있는 것을 의미한다. 그러나 절대 동시에 입자이며 파동일수는 없다는 점에서 상호보완성이라고 부른다. 대상이 가진 입자성을 더욱 명확하게 하려고 하면 할수록 대상의 파동성은 더욱 찾아볼 수 없게 되어 버린다.

배경

상호보완성의 개념이 큰 의미를 갖는 것은 이것이 어떤 물리적 실재의 특정한 성질들을 측정할 수 있거나 알 수 있는지를 말해줄 뿐만 아니라, 더욱 중요하게 물리적 세계속에 존재하는 대상의 성질을 얼마나 한계지을 수 있는지를 정량적으로 말해주기 때문일 것이다. 물리적 실재에 대한 모든 성질들은 상보적으로 쌍을 이룬 켤레(conjugate)로서만 존재한다고 닐스 보어는 말하고 있다. 따라서 물리적 현실은 켤레를 이루는 물리량들을 상보적 속성이 결정하는 한계내에서 명확하게 하는 과정을 통해 정의되고 결정된다고 할 수 있다.

예를 들면, 하나의 전자가 존재한다고 하자. 이때 위치와 운동량이 상보적인 관계에 있는 물리량이다. 만약 이 전자의 위치를 더욱 명확하게 하려고 하면, 이에 대하여 상보적인 관계에 있는 전자의 운동량에 대한 정보는 그만큼 반대 급부로 불명확해진다. 이것은 전자의 위치를 명확히 말할 수 있는 정확도의 한계가 존재한다는 것을 의미한다.

만약 전자의 위치 자체를 명확히 할 수 있게 되면 그에 반하여 전자의 운동량은 정의되지 않게 되어 버린다. 이는 상호보완성의 원리에서 봤을 때, 이것은 불가능하기 때문에 대상의 물리적 성질의 측정의 한계가 존재한다는 것이다. 이러한 측정의 궁극적인 한계는 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 정량적으로 구할 수 있다. 상보성과 불확정성의 논의를 바탕으로 한 양자 이론은 물리적 세계의 성질과 운동들이 본질적으로 결정되어 있지 않다는 미결정론을 제기하면서 향후 철학적 논쟁을 이끈다.

상보성과 파동 입자 이중성은 양자역학이 가진 독특한 특성이다. 그리고 이에 대한 이론적, 실험적인 연구들은 수차례 노벨 물리학상의 대상이 되었다. 그리고 과거 100여 년 동안 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크 등을 포함한 저명한 물리학자들 사이에서 활발히 토론되었던 내용이다.

실험적 접근

이처럼 양자물리의 영역은 일견 상당히 혼란스럽게 보인다. 간섭과 회절을 일으키는 빛은 에너지를 광양자의 다발로 공급한다. 공간을 직선으로 움직이면서 충돌을 하는 전자 또한 파동처럼 간섭무늬를 만든다. 그러나 이러한 혼란 속에서도 이에 준하는 질서는 존재한다. 빛과 전자의 거동은 똑같은 방법으로 혼돈을 준다. 왜냐하면 빛이나 전자 모두 다 파동과 입자의 특성을 나타내기 때문이다.

한성현 양자물리의 기초를 만든 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 이중성의 양립에 관한 이론을 정립하고 이를 상보성이라고 불렀다. 그의 개념에 의하면 양자현상은 상보적인 성질을 가진다. 즉, 입자 또는 파동으로 나타나는 이중성도 실험의 종류에 따라 하나의 성질로만 나타난다는 것이다. 각각의 에너지나 운동량의 변화를 조사하기 위한 실험에서는 입자의 성질이 나타나고 공간의 에너지 분포를 조사하기 위한 실험에서는 파동의 성질이 나타난다. 파동의 성질을 나타내는 빛과 입자의 성질을 나타내는 빛은 서로 보완하는 관계에 있어서 빛을 이해하기 위해서 두가지가 모두 필요하다.

[양자 얽힘]

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%96%91%EC%9E%90_%EC%96%BD%ED%9E%98

양자역학에서 양자 얽힘(quantum entanglement) 또는 간단히 얽힘은 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다.

예를 들어, 두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 하자. (예를 들어 두 스핀의 단일항 상태.) 양자역학에 따르면, 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없다. 하지만 측정을 한다면, 그 순간 한 계의 상태가 결정되고 이는 즉시 그 계와 얽혀 있는 다른 계의 상태까지 결정하게 된다. 이는 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보인다.

이러한 양자 얽힘 이론이 등장한 이후 양자암호, 양자컴퓨터, 양자전송 실험 등이 꾸준히 진행되었고 이를 통해 양자얽힘 이론의 예측을 실증할 수 있었다.[1] 

이러한 실험적 결과들이 점점 쌓여가는 한편 이론적인 논의도 꾸준히 진행되었는데, 그중 하나는 이 양자얽힘 현상이 국소성의 원리를 위배한다는 논의였다. 이 국소성의 원리는 계의 상태에 관한 정보가 항상 그 계의 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 원리로, 만약 양자얽힘 현상에 의해 정보가 전달된다면 주위를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있어 국소성의 원리와 모순을 일으키게 된다. 결국 양자얽힘 과정에서 실제로 정보가 어떻게 전달되는지에 대한 논의가 계속되었고, 이후 이 모순을 없앨 수 있는 양자역학의 새로운 해석방법이 대두하게 된다.

[양자 중첩]

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%96%91%EC%9E%90_%EC%A4%91%EC%B2%A9

양자 중첩은 양자역학의 기본 원리이다. 그것은 고전 물리학의 파동과 마찬가지로 두 개(또는 그 이상)의 양자 상태가 함께 더해질 수 있으며("중첩") 결과는 또 다른 유효한 양자 상태가 될 것이라고 한다. 양자 상태는 둘 이상의 다른 별개 상태의 합으로 표현될 수 있다. 수학적으로, 이는 슈뢰딩거 방정식의 해의 특성을 의미한다. 슈뢰딩거 방정식은 선형이므로 해의 모든 선형 조합도 해가 된다.

양자 시스템의 파동 특성의 물리적으로 관찰 가능한 표현의 예는 이중 슬릿 실험에서 전자 빔의 간섭 패턴이다. 패턴은 고전적 파동의 회절로 얻은 패턴과 매우 유사하다.

양자 중첩의 원리는 물리적 시스템이 입자 또는 장의 배열과 같은 많은 구성 중 하나일 수 있는 경우 가장 일반적인 상태는 이러한 모든 가능성의 조합이며, 여기서 각 구성의 양은 복소수로 지정된다.