양자역학 -5

[뽀야]

0.

오늘은 "슈뢰딩거의 고양이"에 대해 이야기하고자 합니다.

시작 전에

슈뢰딩거에 대한 사생활 내용이 참 많습니다.

물리학계의 카사노바로 불리는 바람둥이였다고 하죠.

애인이 수시로 바뀌고, 아내를 두고 애인과 여행을 하면서 슈뢰딩거의 파동방정식을 완성했다는....

좋게 포장(?)하면 자유로운 사고관을 가지고 있어서 자유로운 과학사고관을 가졌다고 해야 할까요??

1.

슈뢰딩거의 고양이가 가지는 의미와 결론부터 이야기하자면

슈뢰딩거의 고양이는

양자역학에서 가장 중요한

관측(측정) 전과 관측(측정) 후의 다른 상태가 되는 것이

미시세계에서만 적용해야 하는 것인가?

그럼 거시세계에는 적용이 안되는 것인가?

또 그럼 미시세계와 거시세계의 중간 어디까지 양자론이 적용되는 것이냐(경계점(특이점)이 어디냐?)

를 제시한 비판적 실험입니다.

(이 경계를 연구하는 분야가 양자론 중 중시세계 파트입니다.)

답은 공간크기적 특이점이 없다는 것입니다.

즉, 거시세계에서도 양자역학적 상태가 나타날 수 있다는 것이죠.

(슈뢰딩거의 고양이로 이야기하자면, 고양이가 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 존재할 수 있다는 것이죠)

그럼 왜 거시세계에서 잘 보여지지 않느냐? 에 대한 답은 뒤에서....

다른분야의 책을 읽다보면, 양자역학을 비유, 응용해서 설명하는 부분이 간혹있는데

그런 책들 중 일부에서 양자역학적 상태는 미시세계에서만 나타나고,

미시세계와 거시세계를 구분하는 것은 크기이며

심지어 공간의 크기가 정확히 명시되어, 어디까지에서만 양자역학적 현상이 나타난다고 책에 적혀 있더군요.

완전 틀린 내용이죠.

논리적으로 생각해보면 그 내용이 틀린 내용이라는 것이 알 수 있는데 말이죠

아래와 같이 접근하면 되는 것을...

그 정확히 명시된 크기보다 조금만 아주 조금만 크면 거시세계에서 보여지는 것처럼 보여지는 것인가?

그 정확히 명시된 크기보다 조금만 아주 조금만 작으면 미시세계에서 보여지는 것처럼 보여지는 것 인가?

그럼 그 명시된 크기보다 다시 조금만 작거나, 조금만 더 크다면 어떻게 될것인가?

더더더 조금만 작다면, 또는 더더더더 조금만 크다면 거시세계이냐? 미시세계이냐?

그보다 더더더더더더더더더더 작다면

그보다 더더더더더더더더더더더더더더 크다면 그때는 거시세계냐? 미시세계냐?

이렇게 뭔가 찝찝함이 생기면

뭔가 잘못되었다는 것을 느끼고, 기준이 아니라는 것을.....

거시세계, 미시세계, 중시세계

이런 용어에서 확장한 잘못된 생각과 이해인 듯 보입니다.

즉, 양자역학적 상태가 보여지는 기준은 크기가 아니라는 것을 알 수 있습니다.

2.

"슈뢰딩거의 고양이"는 사고실험(생각실험)입니다.

보어가 이끄는 양자역학의 주해석론인 코펜하겐해석을 지지하는 물리학자들의 생각을 비판하기 위해 고안한 사고실험이죠.

코펜하겐 해석에서는

관측(측정) 전에는 상태가 어떤 상태인지 정확히 말할 수 없으며, 굳이 말하고자 한다면 확률적으로 말할 수 있다는 해석입니다.

이에 대해 말이 되느냐

아인슈타인은 달을 예를 들며

"아무도 달을 쳐다보지 않는다면, 저 달은 없는 것이냐?" 라고 주장하였듯이

슈뢰딩거는 아인슈타인쪽에 서서

고양이로 예를 들어, 보다 섬세하게(?) 비판을 한 것이

슈뢰딩거의 고양이 입니다.

아인슈타인의 달을 이용한 비판은 두리뭉실한 비판으로 보여지고, 슈뢰딩거의 고양이는 보다 섬세하게.... 미시세계와 거시세계를 연관시킨 상황을 설정한 실험이죠

그래서 아인슈타인의 달은 잘 모르는 사람이 많으나, 슈뢰딩거의 고양이는 많이들 알고 있는 것으로 보입니다.

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1519942&cid=60219&categoryId=60219

슈뢰딩거의 고양이와 아인슈타인의 달

대부분의 사람들이 하이젠베르크의 물리학에서 가장 어렵게 느끼는 것이 바로 주관성의 개념이다. 자연의 대상에 관해서 객관성을 유지해 독립된 지식을 얻는 것이 과학의 기본속성으로 인식되어 왔다. 주관적 견해는 절대로 과학이 아닌 다른 영역에서 다루어지는 것이 마땅하다고 굳게 믿었다. 그러나 이것은 하이젠베르크가 불확정성을 발견하기 전까지의 생각이다. 이제 그 주관도 자연을 결정할 힘을 얻게 되었다. 하이젠베르크가 신비체험을 통해서 얻은 물리학적 성과는 처음에는 그다지 호응을 얻지 못했다. 당시의 대표적인 과학자들은 하이젠베르크의 설명에...

terms.naver.com

코펜하겐해석에서 말하는 원자단위의 작은 단위(미시세계)에서 관측하기 전에는 어떤 상태인지 모른다면

그 상태가 고양이(거시세계)와 연결된 상태라면

거시세계의 고양이도 어떤 상태인지 모르는 상태가 맞느냐? 라고 비판한 내용입니다.

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=4389577&cid=60217&categoryId=60217

슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 코펜하겐 해석을 비판하기 위하여 슈뢰딩거(E. Schrödinger, 1887-1961)가 1935년 고안한 사고실험이다. 중첩으로 설명할 수 있는 양자 대상이 측정장치(일반적으로는, 인과적으로 연결된 고전 대상)를 함께 고려하면 결국 측정장치도 중첩을 일으켜야 한다는 역설이다. 중첩된 파동함수가 측정하는 순간 환원된다는 것에 대한 문제 제기이다. 양자역학에서 계(system)에 대한 정보는 파동함수에 들어있다. 그러나 파동함수 전체를 관찰할 수 있는 것은 아니며, 관측가능량(위치와 운동량 같은 물리량...

terms.naver.com

슈뢰딩거 고양이에서 미시세계 파트에 해당되는 부분에

가장 많이 언급되는 것이 반감기가 있는 방사성 붕괴입니다.

반감기를 지났을때 방사성원자가 방사선을 내보낼 확률이 1/2이며

그것은 고양이와 함께 들어 있는 상자를 열었을때만 방사선을 내보냈는지 안내보냈는지 확인이 가능하죠.

방사선을 내보내면 센서가 감지하여 독극물이 든 병이 깨져 고양이가 죽고

방사선을 내보내지 않으면 센서가 작동을 하지 않아 독극물이 병이 그대로 남아 있어 고양이는 죽지는 않는다.

(미시세계와 거시세계를 연계한 상황이 되는 것이죠)

방사선원자가 방사선을 내보고 내보내지 않은 상태가 함께 있는 양자상태라고 한다면

고양이가 살아있는 상태와 고양이가 죽어 있는 상태가 함께 있는 양자상태가 되느냐? 고 비판한 실험이죠.

즉, 양자역학에서 중요한, 2가지 이상의 상태가 중첩인 상태(superpositon)를 미시세계가 아닌 거시세계로 확장해서

연계 설명이 가능하냐, 그럴때 문제가 없느냐?라는 정말 획기적인 추론적 사고실험입니다.

답은

위에서 언급한 바대로

그외 모든 조건이 잘 한다면

"거시세계에서도 양자상태가 가능하다"는 것입니다.

물론 고양이와 같이 살아있는 생명체는 많이 어렵습니다.

방금 언급한 "모든 조건이 잘 되어진다면"이 중요할 듯 보입니다.

그 모든 조건이 잘 되어진다면은

중첩상태와 같은 양자상태를 만드는 것은

관측(측정) 전의 상태와 관련이 있습니다.

그럼 그 관측(측정)이 무엇이냐?

양자역학적 상태를 사라지게 하는 관측(측정)이 무엇이냐?

이것이 중요합니다.

양자역학에서는 관측(측정)이라는 말보다는 Decoherence(결어긋남)이라는 말을 씁니다.

관측(측정)이라는 말은 좀 모호하기 때문이죠.

Decoherence(결어긋남)은 다음글에서 자세히 이야기하고자 합니다.

양자역학에 대한 연재글은 아마도 '벨부등식' 내용이 마지막이 될거에요.

오늘은

슈뢰딩거의 고양이를 통해

양자역학적 세상이 미시세계에 국한된것이 아니라는 것을 알아보았습니다.

미시세계에서 잘 나타날 뿐이지, 거시세계에서도 충분히 가능하다는 것이죠.

양자역학적 상태는 크기와 상관이 없다는 것이죠.

현재 거시세계로 차츰차츰 크기를 키우며 실험을 하고 있죠.

언젠가 양자컴퓨팅을 하기 위해.....

이 글의 내용과 잘 부합되며, 잘 설명되어 있는 뉴스가 있어서 링크를 걸어 둡니다.

http://weekly.chosun.com/client/news/viw.asp?nNewsNumb=002586100019&ctcd=C08

양자정보학-광학자 정현석 서울대 교수

서울대 물리천문학부 정현석 교수의 연구실 책장에는 ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 제목의 책이 꽂혀 있었다. 정 교수는 양자광학 및 양자정보학(이론) 연구자. 지난 11월 22일 그를 취...

weekly.chosun.com

낭만고양이

양자역학에서 고양이는 낭만적이지 않습니다. 생과 사를 정해야 하거든요.