흥미돋 [양자역학] 우주가 하나의 거대한 입체영상이라면?

[shhyelow]

2011.6.20이후 적용 자세한사항은 공지확인하시라예

출처:  여성시대 shhyelow

쩌리방 복습하다가

블랙홀 홀로그램가설에 대해 궁금해하는 여시의 글을 보고

이렇게 글 써봐

내가 잘 설명할 수 있을지는 모르겠네 ㅋㅋㅋㅋ

야구공이 반대편에서 날아온다고 가정해볼게

4번타자에게 그 공을 되받아치는 것은 아주 쉬운 일이야

4번타자는 그 동안의 경험으로

야구공이 언제, 어디에, 얼마의 속도로 날아올지

예측할 수 있기 때문이야

한마디로 4번타자가 홈런을 칠 수 있는 이유는

공이 우리의 일상 세계를 지배하고 있는 물리 법칙

그대로 운동하기 때문이지

이걸 달리 말하자면

날아온 공의 미래, 운명은

물리 법칙에 따라 미리 결정되어 있다고 할 수 있어

이런 주장을 '결정론'이라고 해

이야기를 야구공에서 좀 더 확장해볼게

우리가 사는 우주에는

야구공뿐만 아니라

다양한 것이 움직이고 있어

'결정론'이 정말이라면

우리 주변에서 일어나는 모든 사건은

미리 정해져 있다고 생각할 수도 있겠지?

이 같은 주장을 뒷받침해준 물리 법칙은

사과와 만유인력으로 유명한

아이작 뉴턴의 '뉴턴 역학'이야

뉴턴 역학은 간단하게 말해서

물체가 힘을 받아 운동하는 방법을 설명하는 이론을 말해

투수가 야구공을 던질 때,

뉴턴 역학을 사용해

공을 던진 순간의 속도와 방향, 높이를 대입해 계산하면

지면에 공이 떨어지는 위치를 정확히 알아낼 수 있어

즉, 공의 낙하 지점은

던지는 순간에 이미 '결정'되는 거야

아주 오랜 기간 동안 과학자들은

뉴턴 역학의 '결정론'을 믿어왔어

그러나 과학자들의 결정론은

20세기에 등장한 '양자역학'에 의해 무너지게 되었지

아래 동영상은 '양자역학'이 어떤 건지 설명해주는 짧은 동영상이야

검색해보니 쩌리방에도 몇 번 올라온 것 같더라고

본 여시들도 많을 듯 ㅋㅋㅋㅋ

이게 양자역학의 핵심이자 모순이 생기는 이유야

양자역학의 문제는 두 가지야

첫째, 입자와 파동의 성질이 동시에 존재한다.

둘째, 관측하는 순간 진실이 바뀐다.

전자는 입자와 파동의 성질이 동시에 존재해

(이걸 '이중성'이라고 해)

이들이 슬릿을 통과할 때 왜 파동의 성질을 띠는지 확인해보려고 하면

갑자기 입자의 성질로 바뀌어

이걸 입자의 상태로 '붕괴'한다고 말해

괴상하지?

괴상해도 엄청 괴상해 ㅋㅋㅋㅋ

이 실험을 설명하기 위해 과학자들은 여러가지 해석을 내놓았어

그 중 가장 많은 지지를 받고 있는 해석은 코펜하겐 해석이야

코펜하겐 해석은 간단히 말해,

'전자의 파동은 거시적인 물체와 상호 작용하면 수축을 일으킨다'는 이론을 말해

쉽게 풀어볼게

동영상에 나오는 눈 달린 물체는 우리 눈에 보이는, 거시적인 물체야

이런 물체들은 전자처럼 두 개의 성질을 동시에 갖고 있지 않아

그런 거시적인 물체와 전자가 접촉하면

전자의 파동적 성질이 사라진다는 뜻이야

왜?

관측이라는 말은,

쉽게 말해 물체에 빛이 닿아 반사된 빛을

우리의 눈으로 포착한다는 뜻이야

한마디로 물체를 보기 위해서는

물체에 빛을 닿게 해야만 해

빛에는 물체를 미는 힘이 있어

하지만 그 힘은 아주 작기 때문에

야구공처럼 눈에 보이는 거시적인 물체의 움직임에는

아무런 변화도 미치지 못해

그러나 전자 같은 미시 입자들이라면 어떨까?

미시 입자는 작기 때문에

관측을 위해 빛을 닿게 하면 입자는 튕겨 나가

결국 관측을 하면 미시 입자의 움직임에 영향을 주게 돼

1927년 독일의 이론물리학자 베르너 하이젠베르크는

아래와 같은 내용의 이론을 하나 발표해

"미시 입자의 위치와 움직임을 동시에 정확히 구하는 건 불가능하며

어느 정도의 불확실성이 반드시 남는다."

△x는 위치의 불확실성

△p는 움직임(운동량)의 불확실성

h는 플랑크 상수인 6.626×10-34J·s를 뜻해

식 오른쪽에 있는 h/2는 분자, 분모 모두 일정한 수치야

그렇기 때문에 왼쪽에 있는

위치의 불확실성과 움직임의 불확실성 가운데 한쪽이 작아지면

나머지 한쪽이 반드시 커지게 돼

즉, 위치의 불확실성을 0으로 만들면

움직임의 불확실성이 무한대가 되고

반대로 움직임의 불확실성을 0으로 만들면

위치의 불확실성이 무한대가 돼

한마디로 인간이 위치와 움직임을 동시에 아는 건 불가능해

뉴턴역학이 가능하려면,

즉, 모든 물체의 움직임은 결정론적이고

미래는 정해져 있다는 결론에 도달하려면

인간은 위치와 움직임을 정확히 예측할 수 있어야 해

그러나 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면,

이것이 불가능하기 때문에 미래는 비결정론적이야

결정론은 확률론으로 한순간에 뒤집어벌

물체의 위치가 어디쯤에 있을 확률,

물체의 움직임이 어디쯤에 있을 확률을 계산해

물체가 변화할 확률을 계산할 수밖에 없어

주사위를 던져서 반드시 '3'이 나오게 만들 수는 없어

'3'이 나올 확률만 계산할 수 있을 뿐이야

이렇게 과학자들은 양자역학의 모순을 해결했어

하지만 불확정성 원리는 또다른 모순을 불러오게 돼

야구공, 포켓볼 등 모든 물질을 만드는 근본은 바로 원자야

원자를 더욱 쪼개면

'쿼크', '전자' 등이 나와

쿼크나 전자는 양자 역학에서 말하는 바로 그 비결정론적인 존재들이야

물리학자들은 멘붕에 빠져

야구공이 비결정론적인 미시 입자의 집합체라면

야구공 그 자체도 비결정론적인 움직임을 보여야 하지 않을까?

때문에 아인슈타인은 '신은 절대 주사위 놀이를 하지 않는다'

라고 말하면서 양자역학을 강력하게 비판했어

양자론의 주역 중 한 사람인

오스트리아 이론물리학자 에어빈 슈뢰딩거도

아인슈타인처럼 양자론에 확률이 들어가는 것을 싫어했어

'슈뢰딩거의 고양이'는 정말 기괴한 사고 실험이야

먼저 나무 박스 안에 적은 양의 방사성 물질과 방사선 검사기,

망치, 병에 든 독약, 한 마리의 고양이를 넣었다고 가정할게

나무 박스는

방사성 물질에서 방사선이 나오면

검사기가 그것을 감지해서

망치가 작은 병을 부수는 구조로 설계되어 있어

작은 병이 깨져서 독약이 나오면

고양이는 질식해서 죽게 돼

고양이의 목숨은 방사선이 나오느냐 나오지 않느냐에 달려 있어

방사선은 방사성 물질 안의 원자핵이 붕괴되면 나와

그리고 원자핵은 아주 작은 세계인 미시 세계의 물질이야

양자 역학에 따르면 관측하기 전에는

전자의 위치가 한 지점으로 결정되지 않아

이와 마찬가지로 원자핵의 상태도

나무 박스를 열고 그 안을 보기 전에는

원자핵이 붕괴된 상태와 붕괴되지 않은 상태 중

그 어느 것도 결정되지 않아

그러면 이때 고양이는 어떻게 되어 있을까?

원자핵이 붕괴된 상태도 아니고

붕괴되지 않은 상태도 아니라면

고양이는 살아 있는 상태도 아니고

죽어 있는 상태도 아닌

기괴한 상태에 놓여 있게 되는 거야

상식적으로 살아 있는 상태도 아니고

죽어 있는 상태도 아닌 고양이가

나무 박스 안에 들어 있는 것은 불가능해

원자는 입자와 파동의 성질을 동시에 띨 수 있어

왜인지는 알 수 없으나 실험 결과 그래

그렇다면 원자핵은 붕괴될 수도 있고

그렇지 않을 수도 있겠지?

하지만 고양이는 아니야

고양이는 입자의 성질만을 가지게 돼

고양이를 이중슬릿에 집어던져봤자

절대 고양이는 간섭무늬를 띠지 않아

그렇다면 양자역학은 틀린 학문일까?

왜 원자는 입자와 파동의 성질을 동시에 띠는데

원자가 결합되어 만들어진 고양이는 입자의 성질만을 띠는 걸까?

과학자들은 이 의문을 해결하기 위해 고민하기 시작해

오스트리아 비엔나대에 있는 안톤 자일링거 교수는

탄소를 60개 모아놓은 분자를 가지고 이중슬릿 실험을 진행해

하나의 원자가 아닌 여러 개의 원자를 합친 물질로 실험을 진행한 거야

결과는 어땠을까?

이중슬릿 실험은 성공했어

간섭무늬가 나왔어

원자의 결합도 파동의 성질을 가진다는 사실이 확인된 거야

(그림처럼 저렇게 많은 간섭무늬가 나오지는 않았어

세 개 나왔어)

과학자들은 다시 고민해

왜 이런 결과가 나왔을까?

고민 끝에 답이 도출되었어

이중슬릿 실험이 성공하기 위해서는 조건이 필요했어

진공상태에서만 가능하다는 거였지

원자가 날아갈 때 공기 중에 다른 입자들과 한 번도 충돌이 일어나지 않아야만

원자는 파동의 성질을 띠게 돼

충돌이 일어난다는 말은

공기 분자가 원자를 관측했다는 말이기도 해

원자는 인간이 관측했을 때에만 성질을 바꾸는 것이 아니었어

원자는 우주에 존재하는 어떤 것이라도

자신을 관측하면 성질을 바꿨어

이 말은 즉,

원자는 우주가 원자의 진로방향을 알 수 있는 상황이 되면

파동의 성질을 버린다는 것을 의미해

정리를 해보자면,

우주가 입자를 관측했을 때,

입자가 우주에게 관측됐을 때,

입자는 방향을 바꿔

우주가 입자를 관측하지 못하면

입자는 파동의 성질을 그대로 가지고 있게 돼

이걸 디코히어런스라고 해

이 사실을 슈뢰딩거의 고양이에 적용해볼게

고양이가 간섭무늬를 갖지 못하는 이유는,

고양이가 자신의 정보를 끊임없이 우주에게 노출함으로써

고양이가 우주에게 관측되기 때문이야

원자는 엄청 작은데 반해

고양이는 크기가 엄청 커

때문에 흘리고 다니는 정보의 양도,

돌아다니는 공기 분자에 부딪칠 확률도 원자보다 높아

인간도 마찬가지야

인간 역시 이중성을 가지고 있어

인간의 몸을 이루는 원자들은 전자를 공유해 (공유결합)

왼쪽 원자와 오른쪽 원자가 같은 전자를 공유하고 있는 거야

인간은 전자가 여러 원자에 동시에 있기 때문에 만들어진 결합이야

공유결합이 이루어지지 않으면

인간의 몸은 원자의 형태로 분해돼

이중성을 가진 인간이 파동의 성질을 갖지 못하는 이유 역시

우리가 우리의 정보를 끊임없이 우주에게 노출하고 있기 때문이야

우리의 정보를 노출하지 않으려면

숨도 쉬면 안되고

우리 몸을 구성하는 원자 하나도 외부로 떨어뜨리면 안돼

그러나 인간은 끊임없이 쉬지 않고

원자를 외부에 떨어뜨리면서

자신의 정보를 노출하고 있어

때문에 인간은 파동의 성질을 띠지 못해

이러한 실험결과를 바탕으로

이런 가설을 내놓는 과학자들이 있어

우주는 양자역학으로 이루어져 있고

때문에 우주에 존재하는 모든 것들은

관측될 때마다 모습이 바뀌어

지금 이 글을 읽고 있는 여시들도

우주가 여시들을 관측할 때마다 무한히 '붕괴'돼

비슷한 가설 중에

인간이 무언가를 선택할 때마다 세계가 분열된다는

인간 중심적인 가설이 있는데

이건 그 가설과는 달라

여시들이 우주에 관측'될' 때마다 붕괴되는 거야

우리는 모르고 있지만

우주가 인간을 관측할 때마다 '붕괴'돼

중요한 건 '실체'가 아니라 상태야

'실체'의 위치가 어디고 질량이 얼마고가 중요한 게 아니라

물질의 '상태'가 중요해

내 눈앞에 고양이가 살아 있느냐 없느냐가 중요한 거야

물질은 우주에 자신의 정보를 노출하고

그로 인해 우주에 관측될 때 비로소 '상태'가 결정돼

'상태'는 위치, 에너지, 질량 등

물질의 실체를 의미하는 게 아니야

'상태'는 그냥 '상태'일 뿐이야

사실 항상 이 가설을 설명할 때

나는 '심즈'로 설명하곤 하거든?

근데 고백하자면,

나 심즈 한 번도 해본 적 없어 ㅋㅋㅋㅋ

그래서 잘 설명할 수 있을지 모르겠다

혹시 내가 심즈에 대해 잘못 알고 있다면 알려줘

여시들이 심즈를 할 때

심즈 캐릭터는 2D 화면에서 움직이는 거잖아

근데 여시가 심즈 캐릭터가 되었다고 생각해봐

컴퓨터 화면 안으로 들어갔다고 생각하는 거지

그럼 여시 눈에 세상은 3D로 보이겠지?

하지만 진짜 현실은 2D인 거잖아

이걸 홀로그램 가설에 적용하면

우주 전체가 하나의 양자컴퓨터이고

그 안에 움직이는 물체들은

심즈 캐릭터인 거지

'내 눈앞에 펜이 놓여있다'고 했을 때

실제 내 눈앞에 펜이 존재하는 것이 아니라

우주가 '펜이 놓여있다'는 상태를 우리 앞에 홀로그램화해서

보여주고 있는 것일 수도 있어

우주에는 수많은 가능성이 공존해

그 중에 하나를 우주가 우리 앞에 보여주는 거야

심즈 캐릭터도

배고픔지수

애정지수 등등이 있잖아?

그 모든 것들은 정보지

우주는 배고픔지수가 0일 때 or 70일 때 등등의 상황 중에

하나를 우리 앞에 보여주는 거야

왜 이런 정신나간 가설을 내세우는 거야;;;;

라고 생각하는 여시들도 많을 것 같아 ㅋㅋㅋㅋ

It from bit

물질은 정보로부터 왔다

우주에서 가장 근본적인 것은 질량, 에너지가 아니라

정보(bit)라는 주장이야

'정보우주' 가설은

물리학자들이 우주에 대해 품는 근본적인 의문을 해결해준다는 장점이 있어

우주는 A, B, C 등 여러 법칙들로 이루어져 있어

이 법칙들은 또 이 법칙을 생산해내는 또 다른 법칙의 하위 카테고리야

카테고리를 타고 가다보면

모든 법칙들을 만들어낸

'궁극의 법칙'을 찾아낼 거야

그러나 한가지 문제점이 있어

'궁극의 법칙'은 어디서 왔냐는 거지

"우주는 신이 만들었어!!"

"그래? 그럼 신은 누가 만들었는데?"

처럼

"궁극의 법칙을 찾아냈어!!"

"그래? 그럼 그 궁극의 법칙은 어디서 왔는데?"

라는 질문에 답할 수 없어

그렇기 때문에 우주의 시작을 찾으려면

우주가 스스로 존재했다는 것을 과학적으로 증명할 수 있어야 해

즉, 무에서 유(궁극의 법칙)가 나왔다는 것을 증명해야 해

수학자인 폰 노이만은

유를 만들기 위해서는 숫자만 있으면 된다고 주장해

많이도 필요 없어

0과 1만 있으면 돼

(컴퓨터에서 0과 1은

bit 즉, 정보를 의미해)

0과 1만 있으면 그걸로 자연수를,

자연수에서 유리수를,

유리수에서 무리수를 만들면 되니까 ㅋㅋㅋㅋ

0과 1을 만들려면 공집합만 있으면 돼

공집합은 "원소를 하나도 갖지 않은" 집합이야

즉, 무를 의미해

지능이 있는 생물이 공집합을 '관측'해

생물은 깨닫지

공집합이 공집합을 포함한다는 것을 말이야

이렇게 1이 탄생하는 거야

이걸 '정보우주'라고 해

'정보우주'는 무에서 유를 창조할 수 있고,

실체에 대해 설명할 필요도 없고

왜 우리가 현재 이런 모습을 하고 있는지도 설명할 필요가 없어

우리가 현재 이런 모습을 하고 있는 건 그냥

모든 가능성 중 하나일 뿐이야

+

여시들이 이해하기 쉽게

원자를 관찰하면 '빛'의 영향 때문에 파동의 성질이 없어진다

라고 설명하긴 했는데

사실 그게 본질적인 이유는 아니고

우주가 원자의 정보를 빼내오면

파동의 성질이 없어지는 거야

혹시 오해하시는 여시들 있을까봐 덧붙여

원자에 전혀 닿지 않아도

정보를 빼내올 수 있어

그걸 디코히어런스라고 해

접촉 여부와 상관 없이 정보가 노출되면

파동의 성질은 없어져

쨌든 우주가 원자의 정보를 가지고 있기 때문에

이론상으로는 펜을 잃어버려도 우주에 기억된 정보를 재구성해

펜을 다시 만들어낼 수도 있어

[티끌 모아 안산]

여시야.. 이 글 꼭 이해하고 말테다... 흥미롭고 재밌는데 이해가 안 되어서 슬퍼ㅜㅜㅜ 멏번이고 읽어봐야지! 글 남겨둬줘서 너무 고마워!

[보따리아이스크림]

우리는 존재하면서 존재하지 않는다