아인슈타인이 틀렸다..'양자 얽힘' 실험으로 증명 (네이처紙)서울신문 | 입력 2015.10.22. 13:46 | 수정 2015.10.22. 14:46
거의 1세기 동안 과학자들은 고전 물리학 법칙을 깨뜨리는 것으로 보이는 '양자 얽힘'에 대해 치열한 논쟁을 계속해왔다. 원자를 구성하는 한 쌍의 소립자들이 시간과 공간을 초월하는 존재처럼 보이는 양자적 현상에 관한 것이었다.
짝을 이룬 두 입자들은 아무리 서로 떨어져 있다 하더라도, 어느 한쪽이 변동하면 그에 따라 '즉각' 다른 한쪽이 반응을 보인다는 불가사이한 특성을 가지는데, 양자이론에서는 이 두 입자가 서로 '얽혀 있다'고 하며, 이를 일컬어 '양자 얽힘'이라고 한다.
하지만 아인슈타인은 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 주장하면서 그 같은 현상을 '유령 같은 원격작용'이라면서 결코 받아들이지 않았다. 아인슈타인은 그 같은 양자 현상에는 우리가 아직 모르고 있는 '숨겨진 변수'가 있으며, 그것을 알게 되면 유령 같은 원격작용의 의문이 풀릴 것이라고 보았다.
이것이 지난 1세기간 양자론자들과 아인슈타인이 치열하게 대결한 논점이다. 그런데, 아인슈타인의 바람과는 반대로 이 같은 양자 현상이 사실임이 기념비적인 놀라운 실험 결과로 확고하게 입증되었다고 영국 일간지 데일리메일이 21일(현지시간) 보도했다.
1964년, 영국 물리학자 존 벨은 유령 같은 원격작용을 해명할 수 있는 '숨겨진 변수'를 제거하기 위해 한 실험을 고안해냈다. 이 실험으로 아인슈타인이 말하는 숨은 변수는 없다는 것이 증명되었는데, 이를 벨의 부등식이라 한다. 하지만 이 벨의 부등식에 많은 허점이 있음이 밝혀지면서 양자 얽힘을 완전히 설명하지 못한다는 비판을 받았다.
이번 '네이처' 지에 발표된 논문에 따르면, 실험을 이끈 연구자들은 양자 얽힘 실험에서 중요한 두 개의 허점을 보완했다고 밝혔다. 독일 연구진은 작은 다이아몬드에 갇힌 '얽힌' 전자들을 델프트 대학 캠프스 양쪽으로 1.3km 떨어진 곳에다 두고 실험을 했다. 두 전자들이 서로 소통할 수 없게끔 두 장소 사이의 통신수단은 완벽하게 차단되었다.
소립자는 양자적인 속성의 하나로 스핀이라는 회전 운동량을 갖고 있다. 한 쌍의 소립자는 각각 다운 스핀과 업 스핀으로 되어 있는데, 관측되기 전까지는 한 입자가 어떤 스핀을 갖고 있는지 알 방도가 없다. 이를 양자론에서는 두 상태가 '중첩'되어 있다고 본다.
일단 측정으로 한 입자의 상태가 확정되면 다른 입자는 '동시'에 그 반대되는 상태로 확정된다. 두 입자의 거리가 수백 광년 떨어져 있다 하더라도 결과는 달라지지 않는다. 양자론자들은 측정이 없다면 실제도 없다고 말한다. 이 같은 양자론자의 주장에 아인슈타인은 "내가 달을 보지 않는다면 달이 거기 없다는 것인가?" 하고 푸념하기도 했다.
논문 대표저자인 로널드 핸슨 교수는 "두 개의 전자가 얽혔을 때 보여주는 현상은 참으로 흥미롭다"고 말하면서 "두 전자가 어느 것이든 업 스핀이 될 수도 있고 다운 스핀이 될 수도 있지만, 한 전자가 업 스핀일 경우, 다른 전자는 반드시 다운 스핀이 된다"고 밝혔다. "우리가 측정할 때 그들은 완벽한 상관관계임을 보여준다. 한쪽이 업 스핀이면 다른 한쪽은 반드시 다운 스핀이 된다. 그 같은 반응은 동시에 나타난다. 걸리는 시간이 제로라는 뜻이다. 두 입자가 은하의 반대쪽에 있더라도 마찬가지다."
이번 실험에서는 쌍을 이룬 전자들을 이용했는데, 이들 전자 쌍들은 모두 측정하는 데 있어 서로 소통할 수 있는 어떤 허점도 완벽히 봉쇄되었다. 또한 두 탐지기 사이의 1.3km란 거리는 한 전자를 측정하여 상태를 확정하는 사이에 빛이라도 주파할 수 없는 먼 거리로, 국지적인 허점을 제거한 것이다.
이 반직관적인 양자 얽힘 현상은 기왕의 철학에 심오한 질문을 던진다. 이 같은 현상이 알려주는 바는 우주가 국지적이 아니라, 비국지적이라는 사실이다. 공간이란 사물이 따로 존재한다는 것처럼 보여주는 관념일 뿐, 실은 하나로 연결된 것이라는 얘기다. 이것이 빅뱅에서 출발한 우주의 속성이라는 것이다.
어쨌든 인간이 빛과 물질을 가장 극미한 상태에까지 다룰 수 있는 능력을 보여주었다는 평가를 받는 이번 실험에 대해 버밍엄 대학의 카이 봉스 교수는 "양자 역학이 고전 역학과 얼마나 다른지, 또 양자역학으로 인류가 앞으로 전례없는 발전을 이룰 가능성을 보여준 실험이다"고 평가했다.
이번 실험은 실용적인 측면에서 양자 얽힘을 이용한 통신의 암호화에 한발 다가간 것으로 과학자들은 보고 있다.
입자물리학은 우리의 상식을 뛰어넘기에 어려워도 지극히 정상임
최대한 쉽게 써보려고 노력했으니까 용어에 쫄지말고 읽어봐
짤은 LHC 에서 실험한 두개 검출기중 CMS라는 검출기에서 힉스입자가 두개 광자로 붕괴한 흔적임(초록색 _ 네이버 캐스트에서 가져옴)
선 3줄요약
1. 힉스입자는 질량을 주는게 아니다
2. 힉스 메커니즘이 질량을 주는거다.
3. 힉스입자와 힉스메커니즘은 다른거다.
지금 힉스입자 발견됬다고 뉴스 퍼오는 게이들이 존나 눈에 띄는데 글을 일일히 다 보니까
"힉스입자가 질량을 부여한다 "
라는 개소리를 써놓고 있고, 힉스입자가 뭔지도 모르면서 일베한번가보려고 아는척하는게 안타까워서 간략하게 써봄
어렵다고 그냥 넘기지말고 쭉 읽어봐 , 어디가서 유식한 티라도 내야되지 않겠盧?
힉스입자에 대한 가장 큰 오해 - 힉스 입자가 질량을 부여한다.
언론에서도 맨날 신의 입자니, 질량을 부여하니 뭐니 떠드니까 이런 오해를 하는 것도 이상하지는 않지
'힉스 메커니즘' 을 통해 질량이 부여되는거지 힉스 입자 자체는 질량부여랑 전혀 상관없어
힉스 입자와 힉스 메커니즘은 둘다 힉스라는 이름이 들어가기 떄문에 힉스입자가 힉스메커니즘 띄는거 아님? 이라고 생각할 수 있는데 전혀 다르다
힉스 입자라는 것은 '힉스 메커니즘'을 통해 질량이 부여될 떄 생겨나는 입자야.
힉스 메커니즘이 뭔데?
일단 표준이론, 게이지 대칭성을 알고 밑으로 가면 힉스 메커니즘 알려줌
19세기무렵부터 거의 200면정도동안 입자물리학은 엄청나게 발달했어.
입자물리학에는 양성자, 중성자, 전자 등 핵반응을 설명하는 ' 표준모형 이론 ' 이란게 있지
표준이론에서 물질을 구성하는 입자중 원자를 쪼개고 쪼개서 더이상 쪼갤 수 없는 가장 기본단위입자를 중입자(쿼크 6종류, 업,다운 참, 스트레인지 바텀 톱) , 경입자 ( 전자, 뮤온, 중성미자 , 타우입자, 뮤온중성미자) 라고 해
그리고 얘들을 3쌍의 쿼크 : 업-다운 , 스트레인지-참 , 보텀-톱 , 그리고 렙톤 (경입자) : 전자-중성미자, 뮤온-뮤온중성미자 , 타우-타우중성미자 로 쌍을 이루고
얘들 상호간에는 중력/전자기력/약력/ 강력 이 존재함;.
표준이론 이라는 것은 전자기력과 약력 (원자핵 붕괴에 의해 작용하는 힘)을 하나로 묶는 이론이야.
이 이론의 틀은 '게이지 대칭성' 이야
게이지 대칭성은 '위상이 바뀌어도 물리 법칙은 변하지 않는다' 라는 의미를 가져
고전역학에서는 예를들자면 달이 지구를 도는데 특정 시점에 위치와 속도를 안다면 달의 운동을 알 수 있고, 달이 중력을 받아서 원운동을 한다는 물리법칙은 변하지가 않아
근데 양자역학의 관점에서는 많은 물리량을 '파동'으로 표현하게 되지? 근데 파동은 위상이 바뀌면 그에 따라 여러가지가 변해
SIN 그래프에서 0일때 Y값의 위상은 올라가는 방향인데 파이 일떄는 내려가는 방향이잖아? 근데 이 사인함수를 뒤집으면 0일떄 내려가게되고 파이일떄 올라가는 그런거라고 생각해. 지금 막 쓰다보니 아름다운 비유를 못하겠다.
파동 위상이 바뀜에 따라 다른 부차적인게 변하는걸 상쇄시켜서 위상이 바뀌어도 물리법칙이 바뀌지 않는 게이지 대칭성을 유지하려는거지
대칭성 - 대칭성깨짐 의 단적인 예는 자석에서 볼 수 있어
이 상황이 대칭적인 상황을 말하는거야
자석이 되기전 자석 내부 원자구조야, 모두 제각각 다른 방향을 가리키지?
이때는 전체적으로 일정한 방향이란게 없어. N S극이란 개념이 없지?
이렇게 자석이 되어버리면 모두가 같은 방향을 가리키게 되면서 N/ S 극의 개념이 생겨
쉽게 말해서 너희가 철가루를 종이 위에 휙 하고 던져봐. 그러면 지들 멋대로 떨어져서 놓이지? 이때 이 철가루들의 머리가 가리키는 방향을 평균내보면
위, 아래 오른쪽 왼쪽 가리키는게 모두 상쇄돼서 0이라고 하는게 대칭성의 개념이라고 보면돼
근데 게이지 대칭성에서는 대칭상태로 만들어 놓아도 질량이 생기는 순간 대칭성이 꺠져
그래서 게이지 대칭성에서 '모든 입자에 질량이 없다 ' 고 하는게 약점이야.
그럼 이제 힉스 메커니즘에 대해 알아보자
앞서 게이지 대칭성이 있으면 전자, 쿼크, W입자, Z입자등 모든 입자들이 질량을 가질 수 없는데 실제로는 광자와 글루온 을 빼면 모두 질량을 가지고 있어
이 질량이 생기는 원리가 힉스 메커니즘 이야
이거 과정을 한시간동안 열심히 쓰다보니까 ㅁㅈㅎ 폭탄을 먹을 것 같아서 진짜 졸라 짧고 간단하게 말해줄게
입자 4개가 있어. 얘들은 지금 대칭성을 유지하고 있음 ( 맨위에 자석 첫번째그림)
근데 어떤이유에서 대칭성이 깨지고 입자 4개중 하나가 자석이 되버려 (자석은 비유를 하는거임)
그러면 쿼크, 전자 같은애들이 와서 존나 쎄게 달라붇는데 이 달라붙는 과정에서 질량이 생김.
그리고 대칭성이 깨짐으로 인해 양자역학적인 진동이 생기는데 이떄 저 3개의 남은 입자(자석말고) 를 질량을 갖기전의 W, Z입자에 흡수되게 만들어버림
그러면 W,Z입자가 저 입자들을 먹으면서 질량이 생기는거임
이 과정에서는 힉스입자는 전혀 관련이 없음
즉 질량이 생기는건 달라붙고 흡수되는 과정을 통해 질량이 생기지, 힉스입자가 옛다 질량받아라 이게 아님
그럼 힉스입자는 뭔데?
힉스 입자는 저 질량을 주는 힉스 메커니즘 과정에서 생겨나는 입자인거야
W, Z입자에 흡수되면서 W,Z에 질량이 생겼는데 보니까 어디에도 흡수되지 않는 입자가 있는거야
대칭이 깨지면서 쿼크와 전자에게 질량을 주는 자석을 만든뒤에 그 주변에 진동하는 입자인거지
설명하는게 산으로 가는것 같지만 결론은 힉스입자는 입자들 사이에서 질량이 생기는 힉스 메커니즘 과정에서 생기는 입자라는거야
그냥 추가적으로 힉스입자에 대해 말해주면
힉스 입자는 다른 입자들과 달리 스핀 이라는게 없어. 유일함
막 전자의 스핀은 1/2 , 뭐 이런거 있잖아 이거 자체가 없는 '스칼라 입자' 임
지금까지 힉스 입자를 찾는데 엄청 애를 썼잖아?
사실 다른 입자들은 질량이 양성자의 1/100이니 뭐니 하며 예측을 하고 찾아서 쉽게 찾았는데 힉스입자는 다른입자와 상호작용은 하는데
정작 힉스입자의 질량은 알 수가 없었어. 양성자의 10배인지 100배인지 1/10인지 갈피를 못잡았지
그래서 저렇게 입자 충돌을 시킨뒤에 그 흔적을 찾는거지
모래사장에 난 발자국을 따라가는 그런거 ㅇㅇ
그래서 찾은게 B 중간자 라고 하는것이 붕괴할때 힉스입자가 관련되있는걸 알게 되었어
이 과정에서 양성자질량의 약 100배이상이라는 정보를 알게 돼
근데 입자의 질량이 크면 붕괴될때 단순히 2개가 아니라 여러개로 붕괴되는데 많을 수록 찾기가 힘들겠지?
광자 2개를 측정하면 어느 질량의 입자에서 붕괴 됬는지 알 수 있어 (내가 이 이상 전문적인건 잘모름)
하여튼 이렇게 수년간 입자가속기 돌려서 입자를 깨 부수면서 결국엔 힉스 입자를 찾게된거야
인류 역사상 가장 정확한 이론, 양자역학
뉴턴이 완성시킨 근대 물리학은 거시적 물리 세계를 거의 완벽하게 설명하였다.
뉴턴 역학은 행성의 운동에 관한 케플러 법칙은 물론, 세차운동이나 밀물과 썰물의 원리까지도 설명이 가능하였다. 그 후 천체역학뿐 아니라 자연의 모든 현상을 뉴턴 역학의 기본 원리를 이용하여 수학적으로 설명하려는 시도가 진행되면서, 뉴턴 역학은 정교한 수학적 체계를 갖추게 되었다.
그러나 자연과학이 다루는 영역이 확대되고 관측이 정밀해지면서 완벽해 보였던 뉴턴 역학에서도 오류와 한계가 드러나기 시작했다. 흑체 복사나 수성의 근일점 이동과 같이 뉴턴 역학이 설명하지 못하는 문제는 상대론과 양자론이 나오면서 해소됐다. 특수상대론과 양자역학이 대두되면서, 뉴턴 역학은 천천히 움직이는 거시적인 물체에 대해서만 정확한 이론이며, 빠르게 움직이는 물체를 기술하려면 상대론이 필요하고, 미세한 물질을 기술하려면 양자역학이 필요하다는 것이 알려졌다.
양자역학은 상대성이론, 정보이론, 분자생물학과 함께 지난 세기에 인류가 만들어 낸 혁명적인 과학 발전의 중심축을 이룬다. 양자역학이 다루는 미시세계에서는 우리가 일상적으로 살아가는 거시세계와는 전혀 다른 현상이 벌어진다. 그래서 양자역학은 우리의 경험 속에 축적된 세계 이해와는 완전히 다른 방향에서 다루게 된다. 그런 현상에는 비연속성(discreteness), 파동과 입자의 이중성(duality), 양자 상태의 중첩, 측정에서의 양자 상태의 붕괴, 불확정성(uncertainty), 양자상태의 얽힘(entanglement)에 의한 비국소성과 비분리성 등이 있다.
고전적인 물리량은 모두 연속적인 값을 갖는다. 날아가는 돌의 에너지 값은 우리가 상상할 수 있는 모든 수치를 다 가질 수 있다. 이와 달리 양자계의 에너지는 특정한 값만이 불연속적으로 측정된다. 빛 에너지의 경우, 어떤 기본 에너지 값의 정수배에 해당하는 에너지만이 측정된다. 이 기본 에너지에 대응하는 물체를‘양자(量子, quantum)’라고 한다. 이는 우리말로는‘덩어리’나 ‘알갱이’정도로 번역할 수 있을 것이다. 바닷가의 모래사장이 개개의 모래 알갱이로 이루어져 있듯이, 우리의 우주 또한 양자라는 알갱이로 이루어져 있다는 것이 양자역학의 출발점이다.
고전물리학에서 파동과 입자는 서로 배타적인 개념이어서, 파동이면 입자일 수 없고 입자이면 파동일 수 없지만, 양자역학에서는 이 두 개념이 하나의 물체를 기술하는데 사용된다. 빛과 전자를 예로 들어 보자. 빛은 파동의 전형적인 특성인 간섭을 일으키므로 파동이어야 하지만, 광전 효과와 같은 현상은 빛이 입자가 아니라면 설명되지 않는다.
이는 빛이 보통은 파동처럼 행동하지만, 상황에 따라서는 입자처럼 행동할 수도 있다는 것을 보여준다. 전자도 입자라고 생각되지만, 어떤 때는 회절현상을 보이면서 파동처럼 행동하기도 한다. 이처럼 상황에 따라서 양자가 파동의 측면을 드러내기도 하고 입자의 측면을 드러내기도 하는 것을 이중성이라 한다. 일반적으로 양자계의 상태는 여러 가지의 가능성이 잠재되어 있는 중첩상태이다. 그런데, 이 중첩상태에 대해 측정을 하면 양자계는 그 중의 어느 한 상태로 옮아가게 되고 나머지 다른 상태에 대한 가능성은 소멸된다. 마치 야구선수가 타석에 들어섰을 때는 병살타에서부터 홈런까지 모든 가능성이 존재하지만 공을 치는 순간 그 중의 어느 한 상태만이 실현되는 것과 같은 것이다.
각 타자의 타율이 안타의 확률을 말해주듯이, 양자역학은 각각의 대안에 대한 확률을제시할 뿐이다. 이 점에서 양자역학은 전적으로 확률론적이다. 이처럼 측정 전의 양자 중첩 상태가 측정에 의하여 어느 한 상태로 변하는 것을 측정에 의한 양자상태의 붕괴라고 한다. 우리가 아는 측정이란 측정 대상을 변화시키지 않고 그 상태를 알아내는 일인데, 양자역학에서는 그게 원칙적으로 불가능하다.
불확정성 원리란 특정한 한 쌍의 물리량에 대해 이 둘을 동시에 정확하게 측정한다는 것이 불가능하다는 것이다. 대표적인 예가 위치와 속도다. 이 경우, 위치를 정확히 알면 알수록 속도에 대해서는 점점 더 알 수 없게 되고, 반대로 속도를 정확히 알면 알수록 위치에 대해서는 점점 더 알 수 없게 된다. 따라서 위치에 대한 불확정성의 정도와 속도에 대한 불확정성의 정도는 그 각각의 곱이 어떤 상수 이하일 수 없다는 것이다. 이 불확정성은 실험 기구의 발전이나 실험 기술의 향상으로 줄여나갈 수 있는 것이 아니라, 원리적으로 피할 수 없는 측정의 한계다.
마지막으로, 매우 특이한 양자현상이 양자상태의 얽힘(entanglement)이다. 얽힌 상태에 있는 두 입자로 이루어진 양자계를 만들 수 있는데, 이 계에서는 어느 한쪽의 변화가 다른 쪽의 변화를 일으킨다. 이는 우리의 우주가 국소적이고 분리되어 있지 않다는 것을 보여주지만, 얽힘과 관련된 비국소성이나 비분리성 등은 아직도 완벽하게 이해하지 못하는 부분이다. 그러나 양자계산이나 양자암호를 비롯한 양자정보이론에서 중요한 자원으로 쓰일 것으로 예상된다. 인류가 역사상 만들어 낸 가장 정확한 이론으로 평가받고 있는 양자역학은 현대물리학의 중심 이론으로서 물리학의 모든 문제를 설명하는데 있어 기본 이론으로서의 역할을 담당한다. 작게는 우리 주변의 물체의 성질에서부터, 크게는 우주의 기원과 진화에 이르기까지 거의 모든 문제에 양자역학이 적용될 뿐 아니라, 고전역학이 우리에게 제시했던 것과 상당히 다른 세계상을 제시 하면서 철학과 세계관의 영역에까지 상당한 영향을 미치고 있다.
지난 세기에 우리의 생활을 근본적으로 바꾼 반도체 혁명은 기본적으로 양자역학의 실생활 적용에 기인한다. 그리고 최근에는 단일 양자의 성질을 이용한 양자계산이나 양자암호에 대한 연구가 본격화되고 있다. 지난 세기에 나온 양자역학의 양자적 성질이 본격적으로 활용되는 시기는 아마도 이번 세기가 될 것이다.
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