퀀텀quantum이란?

[뽀야]

퀀텀(quantum) : 양자

• 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위이다. 이 개념의 기저에는 물리적 성질의 기본요소가 "퀀텀화"되어 있다는 생각이 깔려 있으며, 그 생각을 "퀀텀화 가설"이라 한다.
• 광자는 빛의 단일 퀀텀이며, 이에 따라 "광퀀텀"(light quantum)라고도 부른다. 원자에 속박된 전자의 에너지도 퀀텀화되어 있으며, 이에 따라 원자는 안정화되고 물질도 안정화된다.
• 양자역학 이론의 일부로서, 양자 개념은 물리학자들에게 미소세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조의 일부로 여겨지고 있다.

예를 들어, 빛은 특정 주파수(또는 다른 형태의 전자기 복사)의 단일퀀텀입니다.마찬가지로, 원자 내에 결합된 전자의 에너지는 퀀텀화되고 특정 수 값에만 존재할 수 있습니다.

 ( 3628800, 37324800, 326592000, 38400000, 792000, 209952000 등등)

원자와 물질은 일반적으로 안정적입니다. 왜냐하면 전자는 원자 내에서 별개의 에너지 수준에서만 존재할 수 있기 때문입니다.

퀀텀화는  더 광범위한 물리학의 기초 중 하나입니다.

에너지의 퀀텀화와 에너지와 물질이 상호 작용하는 방식에 대한 영향(퀀텀 전자기역학)은 자연을 이해하고 설명하기 위한 기본 프레임워크의 일부입니다.

퀀텀이라는 단어는 라틴어로, "얼마"를 의미합니다."Quanta"는 "전기의 퀀텀"(전자)를 줄인 중성 복수형으로,1902년 필립 레너드가 광전효과에 관한 논문에서 사용되었는데, 그는 헤르만 폰 헬름홀츠가 전기 분야에서 이 단어를 사용했다고 인정했습니다.

하지만, 일반적으로 퀀텀라는 단어는 그 이전에 잘 알려져 있었습니다.

퀀텀은  "충분한 양"과 같은 개념으로  종종 사용되었습니다. 헬름홀츠와 율리우스 폰 메이어 둘 다 물리학자였을 뿐만 아니라 의사였습니다.

헬름홀츠는 퀀텀의 개념을 사용했고,  메이어가 1841년 7월 24일자 편지에서  열역학 제1법칙을 공식화한 것에서 찾을 수 있습니다.

1901년, 막스 플랑크는 "물질과 전기의 퀀텀", 가스, 그리고 열을 의미하기 위해 퀀텀를 사용했습니다.

1905년, 플랑크의 연구와 레나르트의 실험적인 연구에 대응하여, 알베르트 아인슈타인은 그가  빛의 퀀타 ("Lichtquanta")라고 부르는 공간적으로 국부적인 패킷에 방사선이 존재한다고 제안했습니다.

방사선의 퀀텀화 개념은 흑체방사선으로 알려진 가열된 물체로부터의 방사선 방출을 이해하기 위해 노력해 온 막스 플랑크에 의해서 1900년에 발견되었습니다.

플랑크는 에너지가 작고 차등적인 이산 패킷(그가 "다발" 또는 "에너지 요소"라고 부른)에서만 흡수되거나 방출될 수 있다고 가정함으로써, 열을 가했을 때 색이 변하는 특정 물체를 설명했습니다.

1900년 12월 14일, 플랑크는 독일 물리학회에 보고했고, 흑체복사에 대한 그의 연구의 일부로서 퀀텀화의 아이디어를 처음로 소개했습니다.

그의 실험의 결과로, 플랑크 상수로 알려진 h의 수치를 추론했고,전하  단위와  분자의 수인 아보가드로와 롯미츠  수에 대한 더 정확한 값을 독일 물리학회에 보고했습니다.

그의 이론이 검증된 후, 플랑크는 1918년에 그의 발견으로  노벨 물리학상을 수상했습니다.

퀀텀과학이란 퀀텀역학의 물리학이론에 근거한 과학이론이다.

그리고 퀀텀과학( quantum-science)에 근거한 철학과 우주론이 퀀텀철학과 퀀텀우주론이다.

영어의 퀀텀을 일본인들이 양자라고 번역하여 현재도 많이 사용되고 있다. 간단하게  "에너지덩어리" 의미라고 할 수가 있다.

퀀텀의 개념과 아주 비숫한 것으로  "햇볕'의 개념이 있다.

 동양의 고전 철학개념으로는 무극과 반극 태극 혹은 천지인의 3가지의 영역이 있는데

양자과학은 주로 무극 혹은 천의 영역에 해당한다고 할 수가 있다.

우리가 흔히 접하기 쉬운 것으로 햇볕이 있다.

국제적인 물리학계에서는 퀀텀과학을 현대물리학이라고 규정하고 아인슈타인의 상대성이론을 포함하는 기존의 물리학을 고전물리학이라고 규정하고 있습니다.

그렇다면 고전물리학과 퀀텀과학이 다른 점은 무엇이 있을까요?

가장 두드러진 점이 바로 우주의 에너지대사과정에 대한 특징적인 차이입니다.

즉 고전 역학에서는 에너지의 변환과정이  주로 핵  분열(fission)과  융합(fusion)의 개념을 가지고 물리현상을 설명하고 해석했고

대체로 고전 과학이론으로는 대표적인 것이  카오스이론인데  융합(fusion)의 개념대신  융합성(concrescence)의 개념을 주로 사용하였다.

 부연하자면 수소 우주는 물질의 에너지 변환과정이 핵분열과 수소 양성자 연쇠반응 등으로 해석합니다.

그러나 퀀텀 과학은  물질과 반물질의 개념 과 쌍생성과 쌍소멸의 과정으로 설명합니다.

물론 퀀텀의 차원에서는 고전물리학에서 찾아보기 힘든 특징이 더 있습니다.

즉,  양자 중첩quantum superposition),   양자얽힘(quantum entanglement)과 양자결맞음(quantum- coherence) 입니다.

고전과학에서는 우주의 운동을 빛과 에너지와  질량관계로만 파악하는데 제한되었다.

따라서 비질량의 영역을 다를 수가 없다.  사실 우주는 비질량의 영역이 절반이상을 차지한다고 보야야한다.

즉,우주에는 질량이 없는 반물질이 주류를 형상하고 있는 것으로 밝혀졌다.

특히 퀀텀 과학은 고전물리학에서 다루지 않는 개념으로  양자얽힘과 양자 결맞이의 개념이 있는데

이 개념은 주로 비질량의 개념이고 비국소성의 개념이다.

  고전과학에서는 다룰 수가 없는 개념입니다.

퀀텀과학의 영역 :  표준모형이론

양자물리학은 이른바 복합계와도 다릅니다.

복잡계란 카오스 이론이기도하는데 응집물리학인데흔히 카오스이론을 의미하기도 합니다.

 기후의 변화라든가 전자기장 등의 운동 응집물리학 파동과 섬동성등을 의합니다. 

이들의 입자들은 미세한 규모일뿐이고 주기율표상의 구분에 근거한 입자들이라는 겁니다. 

융합성의 개념은 좀 묘한 개념인데 양자과학과 카오스이론과 의 결합영역이라고 보시면 좋겠습니다.

현실 세계는 중첩이고 이중적이라고 하는 경우로 사용합니다.

미시세게와 거시세게의 중첩, 이러한 중첩이 세상을 반영하여 융합성의 개념이 사용됩니다만.

사실 융합성의 개념은 퀀텀 과학의 핵심개념은 아닙니다.

아무튼 양자역학은 복잡성이나 카오스론과는 달리  주기율표상의 원자이론 구성체계와는 보다 구체적인 작은 입자들의 운동원리를 기반으로 과학이론을 구축합니다.

즉, 양자역학은  주기율표의 이론과는 달리,  표준 모형이라고 하는 퀀텀 18개의 양자( quantum)의 운동을 다루지만 ,  복잡계 카오스 이론은 균질한 알갱이 즉 미세한 물질인 응집물질을 다루는 것이고 주기율표상의 성질을 보존하기에 고전물리학입니다.

양자역학의 주인공은 아래와같이 양자표준모형이라고 합니다.

국제적으로 엄격한 검증을 통해서 규격화 된것입니다.

이에 대하여 의심적인 말들이 많이 있지만 문제는 객관적인 검증을 통한 것이라는 점입니다.

그래서 다양한 문제제기를 하는데 올바른 해석이 키포인트라는 겁니다.

이를테면 양자들간의 질량의 편차가  심한데 , 이를 두고 양자역학의 개념 자체를 무효화하려는 시도들조차도 있는데

이는 잘못된 평가라고 봅니다.

아무튼 퀀텀 역학의 표준모형에서는  중력자의 보손이 생략되는데 이러한 문제점은 보강되어야할 것입니다.

 물론 표준모형이론 자체가 불충분합니다만  지금은 진행형입니다.

이를  극복하려는 다양한 시도들이 제출되고 있습니다.

  ev질량  

전자  1458000000- 7290000000      전자질량729=27^2  

양성자 1,088,640-  87091200  (10×8×8×6×40=153,600  8×136,080=1088640×8=8709120)

중성자 29,160,000- 583200000

원자  622,080 -  9953280

  kg질량
전자   20,412,000 -  326592000
양성자  2,939,328- 14696640(알파2)
중성자  243,855,360- 10,973,491,200
원자  1,049,760,000- 52,488,000,000     

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deuteron masskg  5080320 (50803200)

deuteron mass in u 2520000 (1008000)

triton mass  kg 211680000(1,058,400,000)

triton mass in u 63000000(126000000)

이중수소(Deuterium) 313,600

삼중수소(Tritium) 1036800

                                                                         표준모형 (퀀텀)

Higgs 125.25 ± 0.17 GeV / c 2   80(16),  100(15), 800(14)                         

W : 80.433±0.009 GeV / c 2 (2022)- 2880  2560 

Z : 91.1876±0.0021 GeV / c 2    3024,  4536

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muon

1.883531627(42)×10−28 kg    241920,  1935360  전자의 207배 

105.6583755(23)  GeV / c    6300000,  37800000

0.1134289259(25) da   155520,  1555200

수명2.1969811(22)×10−6초  13824  55296

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tau

1776.86±0.12 MeV/c2  14112  28224

(뮤온의 경우 105.66 MeV/c2, 전자의 경우 0.511 MeV/c2와 비교).

퀀텀의  4가지 특징

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.

이 말이 무엇을 의미하는가? 간단하게 해석하면...

양자역학의 이론은 처음 플랑크에 의하여 플랑크 상수가 정립되면서 양자방정식이 정립되고 

기본양자의 수가 18개가 발견되었습니다.

그래서 이를 표준모형화하면서 비로소 양자역학이 정립되었습니다.

그런데 문제는 이 표준모형이 여러가지의 문제점이 발견되고 한계가 드러나게됩니다.

6가지 정도의 문제점이 드러납니다만 이중에서 이른바 계층문제가 있다는 것입니다.

계층문제란 18개의 양자들간의 에너지 질량이 서로 디쭉박쭉이라는 겁니다.

둘쑥날 쑥한 정도가 너무 상식밖이라는 겁니다.

이를테면 페르미온 입자와 보손입자들간의 상호관계에서 100배 이상  너무 차이가 생깁니다.

이문제를 해결함으로서 표준모형의 문제점을 해결하게됩니다.

 여기서 등장하는 것이 바로 쌍생성과 쌍소멸의 물리학적인 현상입니다.

광자의 생성과 소멸과정을 중심으로 보자면...

빛 광자인 X-선과 감마선의 물질과 상호작용하는 주된 방법은 세가지가 있다.

이 세 경우 모두에서 광자에너지는 전자에게 전달이 되고, 전자는 다시 흡수물질의 원자에게 에너지를 잃어버립니다.

광자에너지가 낮을 대는 광전자 효과가 에너지 손실의 주된 원인입니다.

에너지가 높아지면 높아질 수록 광전자 효과는 약하지며 콤프턴 산란의 중요성이 높아집니다.

원자번호가 높을수록 광전자 효과의 중요성이 늦게까지 남게됩니다. 무거운 원자에서는 광자에너지가 약 1MeV가까이 되어야 콤프턴 산란이 지배적으로 영향을 미치는 반면 가벼운 원자에서는 수십 KeV에서도 지배적이 됩니다.

광자 에너지가 경계 값인 1.02MeV를 넘어서면 점차 쌍생성이 증가하게 됩니다.

흡수체의 원자번호가 증가할수록 낮은 에너지에서부터 감마선의 주된 에너지 손실 원인은 쌍생성이 됩니다.

가장 무거운 원자에서는 약 4MeV에서 그 중요도가 콤프턴 산란과 교차되지만 가벼운 원자에서는 그보다 더 큰 에너지에서 교차가 됩니다.

따라서 전형적인 방사능 붕괴에 의한 에너지 범위에서의 감마선은 주로 콤프턴 산란으로 물질과 상호작용을 합니다.

특히 초소 초대칭 양자모형은 훈민정음의 음양오행 이나 5운 6기운동과 매우 흡사합니다.

특히 우주의 최초의 물질이 생성되는 과정을 설명하는 양자역학의 힉스장이론과  금척의 마고성의 이론은 

바로 최소 초대칭 양자모형에서 접접을 이루고 있습니다. 

 아래는 이 물리이론인 쌍생성과 쌍소멸이론을 소개합니다.

쌍생성( Pair production)과 쌍소멸이론 ( Pair annihilation)

아래 그림에서는 과정을 간단하게 파인만 그림으로 나타내었다.

  전자와 양전자쌍이 소별하여 두 개의 광자나 나오는 파인만 그림 

에너지가 작은 쌍소멸의 경우에는 광자의 질량이 0이므로 대부분 광자가 나온다.

그러나 고에너지 충돌에서는 이러한 쌍소멸에 의해 여러 다양한 종류의 무거운 입자도 만들어질 수 있다.

전자·양전자 쌍이외에 양성자·반양성자 쌍이 소멸할 경우는 더 복잡하다.

양성자는 전자와 달리 쿼크 세 개가 결합하여 만든 강입자이기 때문이다.

따라서 양성자와 반양성자가 충돌하면 쿼크와 반쿼크가 만나 소멸하고, 나머지 쿼크와 반쿼크는 다시 재배열 하여 여러 개의 파이온이나 케이온과 같은 중간자가 만들어진다.

새로 만들어진 중간자는 불안정하고 여러 반응을 거쳐 감마선, 전자, 양전자 중성미자로 변환된다.

이런 형태의 반응은 강입자와 반강입자가 만나면 항상 일어난다.

관련이미지

                                                                                 쌍소멸

쌍생성( Pair production)

입자와 반입자가 쌍으로 생성되는 현상. 전자와 양전자의 쌍생성이 가장 흔하다.

전자의 쌍생성을 위해선 전자 질량의 두배(1.02 MeV)가 넘는 에너지가 필요하다.

빈 공간에선 광자의 에너지와 운동량이 보존되어야 하기 때문에 쌍생성은 불가능하다.

광자가 다른 입자와 운동량을 주고받는 경우에 비로소 쌍생성이 가능하다.

1932년 앤더슨이 우주 방사선 실험으로 쌍생성이라는 현상을 발견한다.

1934년 한스 베테와 발터 하이틀러는 광자가 물질과 상호작용하여 쌍생성을 일으키는 충돌 단면적을 계산한다.

계산에 의하면 쌍생성은 브렘스슈트랄룽(제동복사) 대비 7/9 의 단면적를 가진다.

σpair=(7/9)σbrem.

1934년 그레고리 브라이트와 존 휠러는 광자끼리의 충돌로 일어나는 쌍생성(γγ→e+e−)에 대해 연구했다.

이러한 종류의 쌍생성은 브라이트-휠러 과정(Breit-Wheeler proces) 라고 부르며 RHIC이나 LHC에서 중이온끼리 충돌시킬 때나 강력한 레이저를 쬘때 관찰할 수 있다.

쌍소멸이론 ( Pair annihilation)

쌍소멸이란 한 입자가 이에 대응하는 반입자와 충돌하여 소멸하는 과정을 말한다.

전자와 양전자가 충돌하여 소멸하는 과정을 예로 들 수 있다.

이 과정에서 에너지와 운동량이 보존되고, 입자가 소멸된 후 한 쌍의 광자가 나타난다.

반입자는 입자와 정확하게 반대 양자수를 가지고 있으므로, 원래 쌍의 모든 양자수 합은 0이다.

따라서 전체 양자수가 0이고, 에너지와 운동량이 보존되기만 하연 이를 만족하는 어떤 입자도 만들어질 수 있다.

입자와 반입자가 충돌하면 그 에너지는 힘을 전달하는 입자인 글루온, W, Z보손, 혹은 광자로 변환되고,

이 입자들이 또 다른 입자로 변환된다.

상대성이론과 양자역학의 쌍소멸과는 어떠한 차이가 있을까요?

상대성이론 :   e = mc^2

광전효과:    299792458  →  2×9×9×7×9×2×4×5×8= 3265920(전자) 

다시 부여하자면..

쌍생성이란?  

광자는 충돌의 과정을 통해서 자신의 에너지 전부(=광전자 현상) 또는 일부(=콤프턴 효과)를 전자에게 줄 수 있습니다.

또한 광자가 전자와 양으로 대전된 전자인 양전자로 물질화되는 것도 가능합니다.

이러한 과정을 쌍생성이라고 하고 이대 전자기적 에너지가 물질로 전환이 됩니다.

원자핵 근방에서 일어난다면 어떠한 보존법칙에도 위배가 되는것 없이 전자-양전자 쌍이 생성이 됩니다.

전자와 양전자의 전하 합은 0으로 광자의 전하와 같습니다.

정지에너지를 포함한 전자와 양전자의 총 에너지의 합은 광자의 에너지와 같습니다.

그리고 선형 운동량은 원자핵에 의해서 보존이 됩니다. 원자핵은 광자의 운동량 중 이런 반응이 생기기에는 충분한 양의 운동량을 갖고 있지만 에너지는 상대적으로 질량이 매우 크기 대문에 광자의 에너지 중 무시할 만한 정도만 가져갑니다.

자유공간에서는 에너지와 운동량을 동시에 보존시키는것이 불가능하기 대문에 쌍생성이 이루어지지 않습니다.

전자와 양전자의 정지에너지는 모두 0.61MeV입니다. 그렇기 때문에 광자의 에너지가 최소한 1.02MeV이 됭어야 쌍생성이 일어날 수 있습니다. 이 이상의 광자에너지는 전자와 양전자의 운동에너지가 됩니다.

이에 상응하는 광자의 최대 파장은 1.2pm입니다. 이러한 파장을 갖는 전자기파를 감마선이라고 하며 자연 상태로는 방사선 핵 방출의 하나로서 또는 우주선에서 발견이 됩니다.

쌍생성의 역반응은 양전자가 전자에 가까이 위치해 있고 그들의 반대 전하 대문에 서로 접근할 경우에 일어나게 됩니다. 두 입자는 동시에 소멸되고 사라진 질량은 에너지가 되어서 두개의 감마선 광자를 발생시킵니다.

양전자와 전자의 총 질량의 합은 1.02MeV이므로 각각의 광자에너지는 0.51MeV와 질량 중심계에서의 각 입자 운동에너지의 절반되는 값을 더한 값입니다.

에너지와 선형 운동량을 동시에 보존 시킬 수 있는 방향으로 광자를 생성하기 때문에 쌍소멸이 일어나는 데는 핵이나 다른 입자의 영향이 전혀 필요 없습니다.

둘째     양자 중첩quantum superposition)

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Quantum_superposition_of_states_and_decoherence.ogv

File:Quantum superposition of states and decoherence.ogv - Wikipedia

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.

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중첩의 원리 - superposition principle

간단한 예로 A라는 사람이 하루에 한 일과 B라는 사람이 하루에 한 일을 합한 량과 이 두 사람이 힘을 모아 함께 하루에 한 일의 량이 같다면 중첩의 원리가 성립된다. 중첩의 원리란 A라는 인자가 일으킨 현상과 B라는 인자가 일으킨 현상을 합한 것은 A와 B 두 인자가 함께 일으킨 현상과 동일하다는 것을 의미한다.

중첩의 원리는 어떠한 현상과 이 현상과 연관된 인자 사이의 관계가 선형적(linear)인지 아니면 비선형적(nonlinear)인지를 판단하는 기준이 된다. 우리 주변에서 발생하는 모든 현상들은 거의 대부분 중첩의 원리를 따르지 않는다. 다시 말해 선형적인 거동을 나타내는 현상은 거의 존재하지 않는다는 의미이다.

예를 들어 좌측 끝단이 벽에 고정되어 있는 보(beam) 형상 부재의 우측 끝 단에 10이라는 힘으로 눌렀을 때 우측 끝 단이 아래로 변형되는 량이 100라고 가정하자. 중첩의 원리가 적용된다면 20이라는 힘으로 누를 경우에는 우측 끝 단이 아래로 변형되는 량은 200이 되어야 한다. 왜냐하면 20이라는 힘으로 누르는 경우는 각기 10이라는 힘으로 누르는 두 경우를 중첩하는 것과 동일하기 때문이다. 하지만 20이라는 힘으로 누르게 되면 이 보다 다른 변형값을 나타내기 때문에 중첩의 원리를 적용할 수 없다.

중첩의 원리가 적용되는 문제는 유한요소 해석(finite element analysis)을 통해 매우 효과적으로 풀 수 있다. 기존에 유한요소 해석을 통해 구한 해석결과들을 중첩함으로써, 원하는 결과를 빠른 시간 내에 간단히 구할 수 있기 때문이다.

. 

1. 파동의 중첩 : 

두 개 이상의 파동이 진행 중에 서로 만나 파동들의 변위가 합성되어 모양이 변한다.

① 위상이 같은 두 파동이 만나면 진폭은 두 파동의 진폭의 합과 같다.

② 위상이 반대인 두 파동이 만나면 진폭은 두 파동의 진폭의 차와 같다.2013. 9. 7.

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다차원의 중첩의 원리

중첩원리는  다차원의 개념으로  확장이 가능하다.

우리가 살고 있는 현실을 다차원이 중첩된 것이다.

다차원의 중첩원리를  구체적으로 설명한 것이 바로 끈이론이다.

즉 현실세계는 10차원 세계가 중첩되어 있다는 점을 강조한다.

                                                         위 그림은 나머지 6차원 공간을 3차원 공간에 표현한 것이다.

                                        이 6차원 공간은 좁은 구역에 아주 작게 말려있어 우리 눈에는 보이지 않는다.



영(0)차원 점을 한 방향으로 연결해 나가면 1차원 선을 만들어 낼 수 있다.

선을 그 선에 수직인 한 방향으로 쌓아나가면 2차원 면을 얻을 수 있다.

또 그 면에 수직인 방향으로 면을 쌓아 나가면 3차원 입체를 얻을 수 있다.

그러면 정육면체 같은 3차원 입체의 모든 면에 수직인 방향은 존재하는가? 즉 4차원 공간은 존재하는 것일까?

그런 방향을 현실 세계에서 그릴 수 없다. 그러므로 아리스토텔레스는 공간은 3차원 이상 존재하지 않는다고 단호히 말했다.

뉴턴은 그런 4차원 공간이 존재할 가능성이 있음을 직감했지만 자기 상상의 한계를 벗어나 있음을 알고 그 당시 버클리 주교에게 편지로 고민을 솔직히 자백한다.

수학의 세계는 3차원의 모든 방향에 수직인 방향을 그려내고 4차원 공간이라 칭한다.

그리고 이런 개념을 5차원 6차원, 무한차원까지 확대시킨다. 그러면 왜 현실 세계에서는 4차원 공간을 그릴 수 없는가?

이 질문에 1919년 폴란드의 수학자였던 칼루자는 4번째 차원이 좁은 구역에 축소되어 우리 눈에 보이지 않을 가능성을 처음으로 주장했다.

초끈이론=‘공간 9차원+시간 1차원’을 설명

마음 투영된 삼라만상은 ‘자유자재’로 변해


그러나 이런 다차원의 개념은 반세기 지난 후 끈 이론이 나오면서 꽃피우기 시작했다. 끈 이론의 고전이라 할 수 있는 보조닉 끈이론에서는 26차원, 초끈이론에서는 10차원의 시공간의 개념이 탄생 하였던 것이다. 현대 물리학은 26차원은 어떤 수학적 관계식에 의해 10차원으로 바뀔 수 있고, 우리는 공간 9차원과 시간 1차원인 10차원 세계에 살고 있다고 말한다. 공간 9차원 시간 1차원의 개념은 물리학적 방정식의 결과일 뿐, 외부의 역동적 힘에 의해 이 차원은 달라질 수도 있고 극단적으로 시간 10차원으로만 이루어진 시공간도 가능하다. 왜냐하면 시공간 자체가 우주의 본질적인 요소가 아니기 때문이라고 초끈이론은 말한다.

시간과 공간이 우주의 본질적인 요소가 아니라면 그 근원은 무엇인가? 초끈이론이나 양자 중력이론 같은 최첨단 물리학도 아직 확실한 대답을 하지 못하고 있다. 만약 이런 이론들이 물리적 인과에 의한 방정식으로만 그 해답을 찾으려 한다면 시공의 근원적 요소는 영원히 해결하지 못하는 미궁으로 빠질지도 모른다.

왜냐하면 우주의 근원에는 우리의 마음이 존재하고 있기 때문이다. 필자는 최근 남방 경전에 이런 다차원 공간 개념과 의식 그리고 우주의 근원에 관한 문제가 분명하게 다루어지고 있다는 사실을 발견하고 놀란 적이 있다.

이 경전에 의하면 ‘…숨을 멈추는 단계→ 무한 공간을 상상하는 단계→ 무한 공간에 의식을 투영하는 단계’를 지나 생멸의 2원성을 초월한 우주적 본체로 진입해 들어간다. 현대 과학은 인간의 마음과는 전혀 무관한 물리적 공간 세계를 다루고 있지만 공간의 실체를 이해하려면 우리의 마음을 빼놓을 수는 없다. 삼라만상은 우리 마음의 투영일 뿐이기 때문이다. 그러므로 우리의 마음이 투영된 시공간은 물거품처럼 자유자재한 모습으로 변할 수 있고 적멸의 세계로 사라질 수도 있는 것이다.

‘온 바다는 하나의 물결안에 구현되지만 바다가 움추리는 것은 아니다. 하나의 작은 물결이 넓은 바다를 포괄하지만, 물결이 늘어나는 것도 아니다…두순의 법계관문’이 보여주듯이 마음은 물방울 하나에도 바다 전체에도 존재하는 것이다.

그러므로 시공의 모든 경계가 사라지고 융섭.융통하는 무한 법계를 이룰 수 있다. 하나의 물방울과 바다 전체는 파도 속에서 그 의미를 상실하고 파도가 멈춘 후 정적의 세계로 사라진다.

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.

이상의 3가지를 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. 

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.