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이 영상을 보기 전에 다음 2개 영상을 먼저 보는 것을 강추드린다 부엉.
1. 빛은 입자일까 파동일까? https://www.youtube.com/watch?v=VNioq1QbL3Q\u0026t=360s
2. 앤트맨으로 설명하는 양자역학 https://www.youtube.com/watch?v=kyZ0ar4zHMU
플랑크의 흑체복사, 아인슈타인의 광전효과는 빛이 파동임과 동시에 입자임을 밝혀냈고 이는 곧 양자역학이 발전되는 계기가 되었습니다. 톰슨 모형, 러더퍼드 모형, 보어 모형까지 원자 모형이 발전됐고, 이 보어모형이 설명하지 못했던 부분을 드 브로이가 물질파로 설명해냅니다. 알버트 아인슈타인은 이 드 브로이의 물질파를 과학 발전의 혁명이라며 드브로이를 치켜세웁니다.
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양자역학 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
양자역학(量子力學, 영어: quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)은 분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 작은 크기를 갖는 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 12/4/2021
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양자역학이란 무엇인가? – 브런치
양자역학(量子力學, quantum mechanics)은 무엇일까? 이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)으로, …
Source: brunch.co.kr
Date Published: 5/7/2022
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양자역학이란 무엇인가? – 네이버 블로그
간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 5/2/2021
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양자역학이란 무엇인가? [김상욱, 부산대학교 물리교육과 교수
현대 과학의 가장 큰 쾌거는 ‘이 세상의 모든 것은 원자로 되어있다’는 사실을 발견한 것이다. 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있는데, 전자가 있던 …
Source: m.science.ytn.co.kr
Date Published: 2/11/2022
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양자역학 – 나무위키:대문
양자역학은 원자 단위 아래의 아원자 입자 등 미시 세계와 그러한 계에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대물리학의 한 분야이다. 양자역학은 주로 미시세계 …
Source: namu.wiki
Date Published: 1/7/2022
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양자 역학이란 무엇인가 – YES24
양자 역학이란 무엇인가. : 원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론. 마이클 워커 저 / 조진혁 역 / 이강영 감수 | 처음북스( …
Source: www.yes24.com
Date Published: 1/29/2022
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양자역학이란 무엇인가 – 원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론>
새로운 견해를 대개 ‘양자론’이라고 지칭하며, 이러한 견해를 설명하고 일반적으로 적용되는 계산법으로 통합한 수학적 접근을 ‘양자역학’이라 한다. 이러한 결과물을 …
Source: www.aladin.co.kr
Date Published: 12/6/2022
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양자역학이란? 현대 물리학 기초 이론 – 매일경제
양자역학이란? 현대 물리학 기초 이론 – 매일경제, 작성자-뉴스팀, 섹션-entertain, 요약-[매경닷컴 MK스포츠 뉴스팀] 국립국어원 표준국어대사전은 …
Source: m.mk.co.kr
Date Published: 5/15/2022
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양자 물리학이란 무엇인가: 기원과 원리 | 네트워크 기상학
양자 물리학이란 … 양자 물리학은 양자 또는 기계 이론이라고도 합니다. 그것은 길이의 규모와 원자 및 아원자 에너지 현상에 중점을 둔 기계 이론에 기반을 두고 있기 …
Source: www.meteorologiaenred.com
Date Published: 8/3/2022
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위키백과, 우리 모두의 백과사전
양자물리학은 여기로 연결됩니다. 영화에 대해서는 은 여기로 연결됩니다. 영화에 대해서는 양자물리학 (영화) 문서를 참고하십시오.
양자역학(量子力學, 영어: quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)은 분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 분야이다. 또는 아원자 입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론이다. ‘아무리 기이하고 터무니없는 사건이라 해도, 발생 확률이 0이 아닌 이상 반드시 일어난다’는 물리학적 아이디어에 기초한다.[1] 양자역학의 양자는 물리량에 기본 단위가 있으며, 그 기본 단위에 정수배만 존재한다는 뜻을 담고 있다. 현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주고, “물질의 운동이 본질적으로 비결정론적인가?” 라는 의문을 제기하며 과학기술, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가된다.[2][3]
19세기 중반까지의 실험은 뉴턴의 고전역학으로 설명할 수 있었다. 그러나, 19세기 후반부터 20세기 초반까지 이루어진 전자, 양성자, 중성자 등의 아원자 입자와 관련된 실험들의 결과는 고전역학으로 설명을 시도할 경우 모순이 발생하여 이를 해결하기 위한 새로운 역학 체계가 필요하게 되었다. 이 양자역학은 플랑크의 양자 가설을 계기로 하여 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 디랙 등에 의해 만들어진 전적으로 20세기에 이루어진 학문이다. 양자역학에서 플랑크 상수를 0으로 극한을 취하면 양자역학이 고전역학으로 수렴하는데, 이를 대응 원리라 한다.
미시세계를 탐구하는 양자역학에서 물리량은 기본적으로 불연속적이다. 이와는 반대로 거시세계를 탐구하는 고전역학에서 물리량은 연속적이였다. 다루는 이는 관찰 기준의 차이이다. 이해를 돕기 위한 간단한 비유로 우리가 모래사장을 멀리서 바라본다고 하면 이는 우리가 물리현상을 거시세계에서 보는 것이라고 할 수 있다. 이 관찰에서 모래사장의 표면은 연속적으로 보인다. 이는 거시세계에서 우리가 관찰하는 물리현상에서 물리량이 연속적으로 관찰된다는 것에 비유된다. 만약 우리가 점점 모래사장에 가까이 다가가 모래사장을 관찰한다면 이는 거시세계에서 미시세계로 관찰의 단위를 줄인 것이다. 모래사장 가까이서 모래사장을 관찰한다면 모래사장의 표면은 불연속적으로 관찰 될 것이다. 이는 미시세계에서 물리현상에 물리량이 불연속적으로 관찰 된다는 것과 비슷하다. 즉, 거시세계에서 특정 물리량을 관찰하면 그 물리량의 불연속성이 미시세계의 관찰 기준에 비해 너무 미세해 마치 그것이 연속적인 것처럼 보이지만, 관찰 단위가 거시세계보다 작은 미시세계에서 대상을 관찰하면 그 불연속성이 보이더라’라는 것이다.
양자역학은 모든 역학, 전자기학(일반 상대성 이론은 제외)을 포함하는 고전 이론을 일반화한다. 양자역학은 고전역학으로 설명되지 않는 현상에 대한 정확한 설명을 제공한다. 양자역학의 효과는 거시적으로는 관측이 어렵지만[4] 고체의 성질을 연구하는 과정에서 양자역학 개념이 필수적이다. 예를 들어 드하스-판알펜 효과는 양자역학을 통해서만 설명이 가능하다. 물론, 원자 또는 그보다 작은 영역에서는 분명해진다.
양자역학이라는 용어는 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)이 처음 제시했다. 독일어 ‘Quantenmechanik(퀀텐메카닉)’이 영어 ‘Quantum mechanics’로 번역되었고 일본에서 이를‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 번역했는데 이것이 한국에 그대로 들어와 ‘양자역학’이라 부르게 되었다.
양자역학이란 말을 이해하려면 ‘양자’와 ‘역학’을 각각 살펴보는 것이 좋다. ‘양자(量子)’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학(力學)’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만, 실제로는 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있다. 간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있다.[5]
역사 [ 편집 ]
연혁 [ 편집 ]
형성기 [ 편집 ]
제1차 세계 대전의 종료와 평화의 회복과 더불어 물리학의 발전이 시작되었다. 1918년도의 노벨상은 패전국 독일의 물리학자인 막스 플랑크에게 수여되었으며(알베르트 아인슈타인 1921년, 닐스 보어 1922년), 독일을 중심으로 하여 양자론이 진전되었다. 그 주요 중심지는 1921년 이론물리학 연구소가 개설된 코펜하겐(닐스 보어)을 비롯하여 뮌헨(아르놀트 조머펠트), 괴팅겐(막스 보른, 막스 플랑크), 레이던(파울 에렌페스트)이며, 그 밖에 취리히의 에르빈 슈뢰딩거, 베를린의 알베르트 아인슈타인이 가담하였다. 이 형성기는 또한 젊은 세대의 활약이 특징적이었다.[9]
양자역학 형성의 길은 두 갈래로 되어 있다. 한쪽은 보어의 원자 모형에서 출발하여 대응원리(對應原理)에서 행렬 역학으로 통한 길이다. 또 한쪽은 아인슈타인의 광자로 비롯하며, 루이 드브로이의 물질파를 거쳐서 도달하는 파동역학의 길이었다. 이 둘은 그 형성과정이나 수립된 이론이 전혀 달랐지만 얼마 안 가서 실은 같은 내용이라는 것이 판명되고, 통일체로서의 양자학으로 간추려졌다. 그리하여 양자역학의 형성이 일단락될 무렵, 물리학은 재차 새로운 단계에 이르렀다.[9]
성립기 [ 편집 ]
행렬역학과 파동역학은 다른 관점에서 출발하였고, 전혀 다른 형태를 갖추고 형성되었으나, 그 이룩한 결과는 일치했다. 이것을 우연이 아니라고 생각한 에르빈 슈뢰딩거는 파동역학에서 행렬역학의 유도를 시도하여 양자의 동등성(同等性)을 증명하는 데 성공하였다. 폴 디랙과 파스쿠알 요르단(Pascual Jordan)은 변환이론(變換理論)을 수립하였으며, 이것으로 두 개의 이론은 하나로 통합되어 1926년경에는 양자역학이 성립되었다.[10]
양자역학의 형식은 성립되었어도, 그 물리적 해석에는 아직도 많은 문제가 남아 있었다. 예컨대 파동의 개념에 대하여서도 파동역학의 창시자 슈뢰딩거는 이것을 실재(實在)하는 것으로 보았지만 아인슈타인의 반론을 받고, 보른의 확률해석이 이에 대체되었으나, 마침내 이것도 불충분하여 많은 모순으로 유도되는 것이 판명되었다. 이리하여 결국 낡은 물리학의 사고방식으로는 양자론의 개념은 어떻게도 설명할 수 없음이 차차 확실해졌고, 드디어 1927년에 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 등장하였다. 파와 입자의 두개의 상(像)을 결부시킴으로써 발생하는 이 관계는, 미시적 세계에서는 일상경험에서 만들어진 관념은 이미 통용되지 않는다는 것을 강조하는 것이다. 보어는 이 생각을 다시 자연인식 일반에 펼쳐 양자역학의 일관된 해석을 수립하려고 하여, 같은 해 상호보완성 원리를 제창하였다. 현상의 시공적(時空的)인 기술과 인과적 관계와는 서로 보충하는 동시, 서로 배제한다는 것이 골자이다.[10]
아인슈타인은 이와 같은 새로운 양자론의 해석에 찬성하지 않고 일관하여 EPR 역설 등 의문을 계속 제출하였지만, 한편으로는 기묘한 양자역학의 주장은 당시의 사상계에도 큰 영향을 주어, 물질의 부정이나 주관주의·실증주의 경향의 세력이 증가하는 기초가 되기도 하였다.[10]
철학적 함의 [ 편집 ]
물리학의 미해결 문제
(더 많은 물리학의 미해결 문제 보기) 양자역학의 파동함수는 어떻게 해석해야 하는가? 양자역학의 대상은 실재하는가? 양자역학의 측정은 결정론적인가?
양자역학(量子力學)의 결론들은 당시 과학자(및 일반인)들이 가진 고전역학적 직관으로는 이해하기 힘든 것이었기에, 이 이론이 실재에 대해서 무엇을 말해주는지에 대해 많은 해석과 철학적 논쟁이 있었다.
많은 수의 물리학자들은 보어 등이 개발한 코펜하겐 해석을 받아들이고 있다. 이 해석에서 양자역학의 확률적 측면들은 우리의 지식의 부족함을 말해주는 것이 아닌 실재 그 자체이며, 따라서 결정론적 이론에 의해 설명될 수 없다.
양자역학을 개발한 이들 중 한 명인 아인슈타인은 이 이론의 무작위성을 좋아하지 않았고, 양자역학의 현상인 도깨비 원격현상등을 강력히 부정하면서 “신은 주사위놀이를 하지 않는다”라고 말했다. 그는 양자역학의 근본에는 보다 깊은 국소적 숨은 변수 이론이 있을 거라고 주장했다. 아인슈타인은 양자역학에 대해 여러 가지 반박을 제시했는데, 그중 가장 유명한 것은 EPR 역설이라 불린다. 벨은 EPR 역설을 이용해, 조건법적 명확성(counterfactual definiteness)을 가정한 경우 양자역학과 국소적 이론 사이에 실험적으로 확인 가능한 차이가 있음을 증명했다. 실험을 통해서, 실제 세계는 조건법적으로 명확하지 않거나 비국소적이라는 것이 증명되었다.
영문학 교수이자 작가인 루이스는 비결정론이 그의 철학적 신념에 어긋난다는 이유로 양자역학을 불완전한 이론으로 보았다.[11] 그는 하이젠베르크의 불확정성 원리가 존재론적 비결정성이 아닌 인식론적 한계를 보여줄 뿐이라고 생각했으며, 다른 많은 이들과 마찬가지로 이런 이유에서 숨은 변수 이론을 지지했다. 코펜하겐 해석을 둘러싼 보어-아인슈타인 논쟁은 당시의 양자역학을 둘러싼 논쟁 중에서 가장 대표적인 것이었다.
현재 표준적인 양자역학의 해석은 코펜하겐 해석이나, 그 외에도 다음과 같은 해석들이 존재한다.
숨은 변수 이론 이 해석은 아인슈타인이 주장한 것이었는데, 후에 실험을 통해 완벽히 반박되었다.
봄 해석 (Bohm interpretation)
다세계 해석 이 해석은 (제한적 의미에서) 국소적이지만 조건법적 명확성을 포기한다.
파동함수·불확정성 원리 등장- 앎의 한계 지적 [ 편집 ]
양자역학이라는 새 이론은 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론이었다. 학자들은 이 이론을 토대로 점점 더 많은 문제들을 풀어나갔다. 하지만 또 한편으로 이 새로운 이론은 ‘우리가 안다는 것은 도대체 무엇인가’라는 아주 근본적이고 철학적인 문제를 새로 꺼내기 시작했다.
원자와 관련된 것을 설명하기 위해 양자역학은 ‘파동함수’라고도 하고 ‘상태함수’라고도 하는 수학적인 장치를 사용한다. 파동함수는 우리가 알고자 하는 양자역학적 계의 모든 양자역학적 정보를 담고 있다. 양자역학이 제안된 초창기부터 많은 물리학자들은 파동함수의 의미를 둘러싸고 논쟁을 벌였다. 이로 인해 파동함수가 정확히 무엇인지 도무지 알 수 없는 상황이 돼 버렸다. 다시 말하면, 파동함수가 우리가 가진 거시세계에 대한 직관 중 어떤 것에 대응하는지 알 수가 없다. 그전까지 물리학에서는 대체로 수학을 이용해 물리학 방정식이나 공식을 만들면, 그 의미는 인간이 경험하는 거시계로부터 얻은 직관과 잘 대응된다고 생각해 왔다. 그런데 양자역학에서는 가장 핵심이 되는 파동함수가 정확히 무엇인지 아무도 제대로 대답할 수 없는 듯 보였다. 게다가 하이젠베르크는 이 양자역학이라는 이론 안에 소위 ‘불확정성 원리’가 있음을 밝혔는데, 이는 입자가 어떤 속도로 어디에서 움직이고 있는가, 특정 시간에 얼마나 많은 에너지를 가지고 있는가 등을 안다는 것에 근본적인 한계가 있음을 말해 주었다. 실용적으로 물리현상을 아주 잘 설명해 주는 이론이 있는데, 정작 그 이론은 고전적으로 통용되던 우리가 안다는 것에 대해 회의적인 관점을 제시하고 있었던 셈이었다. 그보다 불과 100여 년 전에 프랑스의 수학자 피에르 시몽 라플라스(Pierre Simon de Laplace, 1749~1827)는 라플라스의 악마라는 개념을 통해, 원칙적으로는 물리학을 통해 물질계의 모든 것을 예측 할 수 있다고 제안했지만, 파동함수와 불확정성 원리의 등장으로 인해 우리가 원자에 대해 무엇을 알고 있는지, 그 개념마저 흔들리기 시작했다.
양자역학의 영향 [ 편집 ]
프랑크와 보어의 초기 양자역학은 전자의 궤도가 점프하는 현상을 강조한 반면 후기의 슈뢰딩거, 하이젠베르크의 이론은 전자의 위치가 확률적 분포로밖에 알 수 없다는 점을 강조했다고 볼 수 있다. 초기의 양자역학은 원자폭탄, 반도체 등에 이론적 배경을 제공했고 후기의 양자역학은 물질에 대한 인간의 인식에 큰 변화를 주었다는 것에 큰 의의가 있다. 특히 후기 양자역학은 인간의 인식의 한계성을 인정함으로써 현대철학에도 큰 영향을 주었다.
한편으로는 19세기 말부터 20세기 초반까지의 실험가능한 물리학의 혁명적 발전이 실험이 불가능한 한계에 다다랐다는 점을 내포하기도 했다. 물리학은 실제로 20세기 후반부터 지금의 21세기 초반까지 끈 이론, 통일장 이론 등 여러 이론을 내놓았으나 실험이 불가능한 가설에 그치는 경우가 많았다.
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
참고 문헌 [ 편집 ]
참고 자료 [ 편집 ]
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양자역학이란 무엇인가?
양자역학(量子力學, quantum mechanics)은 무엇일까?
이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)으로, Quantenmechanik(크반텐메하닉)이란 이름을 붙였다. 양자역학은 고전역학과 달리 원자의 세계를 주제로 삼는다.
원자는 눈에 보이지 않지만 수학적으로 10의 마이너스 10승 크기다. 크기에 감이 오지 않을 것이다.
여기 하나의 동전을 원자라고 보면 동전의 전체크기는 지구의 크기라고 볼 수 있다.
전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하며 확률적으로 존재한다.
이것을 ‘불확정성의 원리’라고 하며 이 결과를 어떻게 이해하는지가 바로 양자역학의
처음과 끝이라고 할 수 있다.
원자는 가운데에 원자핵이 있고 주위에 전자가 돌아다닌다.
전자는 음전하를 띠고 있는데 진동하면서전자파 또는 빛이라 부르는 것을 외부에 방출한다.
이 때 원자는 소멸하지 않는 이유는?
원자핵과 전자가 왜 충돌하지 않을까? 고전역학으로는 설명할 수가 없는 질문을 해결하기 위해 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 원자구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 공로로 1922년 노벨물리학상을 수상했다.
하지만 리처드 파인만은 “양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람은 나를 포함해 아무도 없다”고 말했다.
양자전기역학으로 노벨상 수상자가 이런 말을 할 정도라면 양자역학이 얼마나 난해한지 짐작할 것이다.
슈뢰딩거는 이러한 양자역학을 빗대어 유명한 고양이 실험을 예로 들었다.
“조금 끔찍하지만 이런 가정을 해본다. 방사성 핵과 함께 연결된 망치 아래 독가스가 들어 있는 그릇이 놓여있다, 실험 초기 조건으로 한 시간에 핵이 붕괴할 확률을 50%가 되도록 맞춰놓는다. 그리고 그 안에 고양이를 넣는다. 이 상태에서 우리가 예상할 수 있는 고양이의 미래는 둘 중 하나다 설거나 죽거나” 반은 죽고 반은 산다는 확률만이 있고 증간은 존재할 수 없다. 확률로만 존재하는 세계가 가당키나 한 것인가?
‘양자(量子)’란 영어의 quantum으로 양을 의미하는 quantity에서 온 말로,
무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다.
‘역학(力學)’은 ‘힘의 학문’으로 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론이다.‘힘과 운동’의 이론이다.
덴마크의 수도 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크를 중심으로
양자역학의 표준적인 해석을 체계화하려 애썼다. 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라 부른다.
1927년 솔베이 회의에 참석한 물리학자들.
코펜하겐 해석은 대략 다음과 같은 주장으로 이루어져 있다.
첫째, 양자계의 상태는 파동함수로부터 결정되며, 파동함수의 절댓값 제곱은 측정값에 대한 확률밀도함수이다.
둘째, 모든 물리량은 관측 가능량으로서만 의미를 갖는다. 특히 서로 양립하지 않는 물리량들(예를 들어 위치와 운동량)은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 동시에 원하는 임의의 정확도로 측정값을 정할 수 없다.
셋째, 양자계는 파동으로써의 속성과 입자로써의 속성을 상보적으로 가지며, 이러한 상보성은 모든 물리적 대상에서 발견된다.
넷째, 측정의 순간에 ‘파동함수의 오그라듦’이라는 불연속성과 양자도약이 필연적으로 일어난다.
다섯째, 아인슈타인-포돌스키-로젠의 사고실험과 관련해 양자계는 근원적으로 비분리성 또는 비국소성을 갖는다.
모든 물리학자가 코펜하겐 해석을 동의하지 않는다. 물리학은 한사람씩 과학의 예측가능성을 거수로 표결해야 하는 시대가 되었다,
양자역학이 주는 가장 큰 교훈은 늘 의심해야 한다.
세상은 내가 관찰하는 ‘주관적 사실’이 나 자신에게는 ‘객관적 현실’로 변화한다는 것이다.
알파고와 이세돌의 바둑 경기 중 알파고가 둔 수를 바둑 기사들은 전혀 이해하지 못 하겠다고 한다. 세월호 참사 때도 합리적 의심을 제기했지만 비합리적 비과학적 상황을 설명할 수 없었다.
솔직히 양자역학은 어렵고 이해가 되지 않는다.
아인슈타인은 말했다. “우리가 달을 못 보았다고 해서 달이 없었던 것인가? ”
우리가 미시세계를 보지 못하였다고 해서 그 전까지 양자역학이 없었던 것은 아니다.
우주는 탄생되기 전에는 하나의 점이었고 이것이 폭발하면서 빅뱅이 일어난 것으로 유추하기도 한다.
아무도 가 본적 없는 양자속에 발을 딛는 것 자체가 미스터리이다.
인간의 직관으로 이해할 수 있는 시대는 지나갔고 모든 과학이 양자역학 없이 존재할 수 없다는 사실 한 가지만 알아도 양자역학의 아주 작은 겉 부분을 알게 되었다는 안도의 숨을 쉴 뿐이다.
양자역학이란 무엇인가?
1913년에는 덴마크의 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)가 새로운 원자 모형을 제안했다. 이것은 영국의 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)가 1911년에 제안한 모형에 바탕을 두고 있었다. 러더퍼드의 모형은 마치 태양계처럼 한가운데 원자핵이 있고 그 주위를 전자들이 궤도를 이루면서 회전하는 모형이었다. 보어는 이 원자 모형이 제대로 작동하기 위해서는 모든 궤도가 허용되는 것이 아니라 띄엄띄엄 떨어진 몇 개의 궤도만 허용 가능하다고 가정해야 함을 주장했다. 1920년대 혁명, 진정한 양자역학 탄생
학자들은 이와 같이 띄엄띄엄 떨어져 있는 특정의 ‘양자’가 몇 개 있는지 세는 식으로 새롭게 힘과 운동의 관계를 밝히려 했다. 하지만 이러한 노력은 1920년대에 들어와 난관에 부딪혔다. 기초적인 아이디어만으로는 설명할 수 없는 새로운 현상들이 속속 발견됐기 때문이다. 이러한 양자 이론은 네덜란드 물리학자 제이만(Pieter Zeeman, 1865~1943)이 발견한 현상이나 독일의 오토 슈테른(Otto Stern, 1888~1969)과 발터 게를라흐(Walther Gerlach, 1889~1979)가 발견한 현상은 전혀 설명할 수 없었다. 수소 다음으로 간단한 원자인 헬륨의 원자 모형도 난항이었다. 이 당시에는 물리학에서 신줏단지처럼 모시고 있는 에너지 보존 법칙을 버려야 할지도 모르는 상황이었다. 이후 물리학자들의 계속된 연구 결과, 양자역학은 초기의 ‘양자’ 가설을 기본으로 삼아 전혀 새로운 역학으로 탄생했다. 1925년 무렵부터 독일의 막스 보른, 베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901~1976), 파울리(Wolfgang Ernst Pauli, 1900~1958), 파스쿠알 요르단(Pascual Jordan, 1902~1980) 등이 행렬이라 부르는 수학 기법을 이용해 기존의 역학과 완전히 다른 새로운 역학을 만들어냈다. 이로써 그동안의 어려움을 모두 극복할 수 있었다. 처음에는 이 역학을 ‘행렬역학’이라 불렀다. 그 뒤 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger, 1887~1961)가 새로운 방정식과 더불어 ‘파동역학’이라고 부르는 새로운 역학을 제안했다. 행렬역학과 파동역학 모두 그동안 난관에 부딪혔던 현상들을 아주 탁월하게 설명해냈다. 여기에 영국의 폴 디랙(Paul Adrian Maurice Dirac, 1902~1984)이 제안한 새로운 이론이 덧붙여졌다. 결국 이 세 가지 모두 같은 역학 이론임이 밝혀졌고, 막스 보른은 이 새로운 역학에 ‘양자역학’이라는 멋진 이름을 붙여주었다. 파동함수·불확정성 원리 등장- 앎의 한계 지적
양자역학이라는 새 이론은 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론이었다. 학자들은 이 이론을 토대로 점점 더 많은 문제들을 풀어나갔다. 하지만 또 한편으로 이 새로운 이론은 ‘우리가 안다는 것은 도대체 무엇인가’라는 아주 근본적이고 철학적인 문제를 새로 꺼내기 시작했다.
양자역학이란 무엇인가? [김상욱, 부산대학교 물리교육과 교수·이강영, 경상대학교 물리교육과 교수]
양자역학이란 무엇인가?
‘양자역학을 이해하는 사람은 아무도 없다’는 말이 있을 정도로, 어려운 학문으로 알려져 있는 양자역학.
‘이매진’ 이번 시간에는 부산대학교 김상욱 교수, 경상대학교 이강영 교수와 함께 양자역학을 보다 쉽고 재미있게 알아보는 시간을 갖는다.
현대 과학의 가장 큰 쾌거는 ‘이 세상의 모든 것은 원자로 되어있다’는 사실을 발견한 것이다.
원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있는데, 전자가 있던 자리에서 사라져 다른 자리에 나타나는 현상을 ‘양자 도약’이라 부르고, 이를 수학적으로 정립한 이론을 양자역학이라 한다.
우리가 양자역학을 이해하기 어려운 이유는, 양자역학에서 다루는 대상이 ‘양자역학적인 상태’이기 때문이다.
이 양자역학적 상태의 대표적인 현상으로는 양자가 여러 위치에 동시에 존재한다는 개념의 ‘양자중첩’이 있다.
그렇다면 우리가 양자역학을 이해해야 하는 이유는 무엇일까? 그것은 양자역학이 활용될 ‘양자정보’ 분야의 중요성 때문이다.
최근 전 세계 학자들이 연구하고 있는 양자컴퓨터는 양자중첩의 개념이 적용된 컴퓨터다.
즉 모든 명령어를 0 또는 1의 숫자로 표현하는 컴퓨터가 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다는 것.
이러한 양자컴퓨터는, 개발될 경우 현재의 모든 암호체계를 쉽게 풀어버릴 것으로 예측된다.
우리 미래에 큰 변화를 가져다 줄 양자역학! ‘이매진’에서 그 어렵고도 흥미로운 세계를 만나본다.
Quantum mechanics … delivers much, but does not really bring us any closer to the secret of [12] . I, at any rate, am convinced that He does not play dice.양자역학은 (중략) 많은 것을 말해주지만, 신의 비밀에 가깝게 다가서게 하지는 않는다. 나는 신이 주사위 놀이를 하지 않는다고 확신한다. [13]
We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery. We cannot make the mystery go away by explaining how it works… We will just tell you how it works. In telling you how it works we will have told you about the basic peculiarities of all quantum mechanics.
우리는 고전적인 방법으로는 해석이 불가능한, 그러니까 절대로 불가능한 현상을 연구하려고 하고, 이 현상은 양자역학의 핵심을 담고 있습니다. 사실 이 현상에는 수수께끼만이 있을 뿐입니다. 우리가 이 현상의 원리를 설명한다고 해서 그 수수께끼를 사라지게 할 수는 없습니다. 다만 우리는 그 현상의 원리를 제시할 따름입니다. 동시에 모든 양자역학의 기본적인 특이점도 함께 말이지요.
양자론이 뭐야?
1945년생으로 1973년 교토대학교 대학원 물리학 박사과정을 수료하고 코펜하겐대학 객원교수를 역임하였다. 동경대학 이과대학 조교수와 동경대 대학원 이과계 교수이다. 우주론과 우주물리학을 전공하였다.
1945년생으로 1973년 교토대학교 대학원 물리학 박사과정을 수료하고 코펜하겐대학 객원교수를 역임하였다. 동경대학 이과대학 조교수와 동경대 대학원 이과계 교수이다. 우주론과 우주물리학을 전공하였다.
양자 역학이란 무엇인가
출판사 리뷰
# 이해할 수 없는 것을 이해하기
과학자는 기본적으로 세상의 이치를 밝히려고 한다. 그리고 그 과정에서 지금까지의 지식으로는 이해할 수 없는 현상을 만나고, 그 현상을 과학적인 방법으로 이해하려 한다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 이 세상이 원자로 이루어져 있다고 주장했다. 그러나 원자라는 것의 실체가 밝혀지는 데는 그로부터 수천년이 흘러야 했다. 원자의 세계가 조금씩 밝혀지면서 고전적인 지식으로는 이해할 수 없는 일이 일어났다. 심지어 아인슈타인마저 그랬다. 특히 양자역학이란 것을 말이다.
독일의 물리학자 막스 플랑크는 조금 더 효율이 좋은 전등을 만들려고 흑체복사를 연구했다. 흑체복사란 예전에 많이 사용하던 백열등을 상상하면 된다. 백열등에 전기를 공급하면 필라멘트가 달아오려며 빛과 열을 낸다. 즉, 어떤 물체에 열을 가하면 에너지가 빛과 열이라는 형태로 방출(복사)된다.
이런데 연구 결과 이 에너지가 특정 단위의 덩어리로만 방출되는 것이다. 플랑크는 혼란에 빠졌다. 지금까지의 지식으로는 빛은 전자기파의 일종, 즉 파장이었다. 파장은 에너지의 흐름이 연속적이다. 즉 더 뜨거우면 뜨거운 만큼 강한 파장이 나와야 한다. 그런데 에너지가 덩어리 단위로 나온다는 뜻은 빛(에너지)이 입자라는 뜻인가? 입자여야 덩어리 단위로 묶을 수 있다.
실험으로 입증된 바와 같이 빛은 회절과 간섭을 한다. 입자가 어떻게 회절과 간섭을 한다는 말인가? 이 현상을 목격한 플랑크 자신도 이해하지 못했고, 입자일 리가 없다고 믿었다. 이 현상은 나중에 해결될 것이라고만 생각했는데, 이것이 바로 양자(덩어리)역학의 시작이었다.
# 확률로 세상이 돌아간다고?
결국 과학자들이 생각해낸 결론은 빛은 파동과 입자 두 가지 성질을 모두 가지고 있다는 것이었다. 파동이면 파동이고 입자면 입자지, 파동이면서 입자란 무엇인가? 고전적인 물리 이론으로는 납득할 수 없으나, 실제 세상은 그렇게 돌아간다. 입자이면서 파동인 무엇인가가 존재한다는 그것이 존재함을 인정하고, 과학적으로 해명할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그렇게 받아들일 수 있는 유연한 마음가짐이 현대물리를 이해하는 방법이다.
빛이 입자이면서 파동이라면, 다른 입자도 파동성을 가지고 있는 것이 아닐까 하고 의심하는 것이 그 다음 수순이었다. 그리고 그 사실이 밝혀지기 시작한다. 여러 가지 이론과 실험에 의해 원자가 양성자(중성자도)와 전자로 이루어져 있다는 것은 알고 있지만, 문제가 있었다. 전자는 워낙 작은 존재라 그 전자의 에너지만 측정할 수 있을 뿐, 관찰하는 것이 불가능했다. 이 문제를 해결한 것이 슈뢰딩거의 파동 방정식이다. 파동 방정식을 사용하면 전자의 에너지를 계산할 수 있고, 그 계산을 통해 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다.
과학자들은 다시 한 번 논쟁하기 시작했다. 파동방정식을 이용하면 결과가 나오기는 하는데, 도대체 무엇이 파동성을 보이는가가 문제였다. 여기에서 세상을 뒤집을 해석이 나온다. 실제 파동은 없고 확률만 파동을 보인다는 것이 그 해석이다. 실제 전자의 위치는 알 수 없고, 확률로만 존재하는 것이다. 이 해석은 아인슈타인의 심기를 건드렸다. “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로, 확률로만 존재하는 세계를 부정했다. 곧 다른 방법이 나오면 전자나 빛의 존재를 정확히 정의할 수 있을 것이라 믿었다.
아인슈타인은 죽는 그 순간까지 양자역학의 확률론적 세계를 지지하지 않았지만, 현대물리학은 확률론적 세계를 조금씩 증명하고 있다. 무에서 유는 창조되지 않는다고 하지만 확률적으로 보면 제로는 아니기 때문에 원자가 존재하고, 원자들이 모인 세계가 존재한다.
파동방정식을 만든 슈뢰딩거 그 자신도 확률론적 세계를 믿지 못했지만, 세상은 그렇게 돌아간다.
이 책은 그래서 세상의 모든 것을 말해주는 책이다. 수학적인 이야기는 최대한 자제했지만, 양자역학의 역사적 의의는 물론, 그 덕분에 우리가 누리고 있는 기술적 발전과 응용까지 자세히 설명하고 있다.
한번에 이해하기는 힘들겠지만 현대물리학자의 유연한 마음가짐으로 이 책을 들여다보면 세상을 이해하는 다른 지식을 만나게 될 것이다.
양자역학이란? 현대 물리학 기초 이론
[ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지] [매경닷컴 MK스포츠 뉴스팀] 국립국어원 표준국어대사전은 ‘양자역학’을 다음과 같이 설명한다.입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론. 입자가 가지는 파동과 입자의 이중성, 측정에서의 불확정 관계 따위를 설명한다. 1925년 하이젠베르크의 행렬 역학과 슈뢰딩거의 파동 역학이 통합된 이론이다.해당 사전에는 ‘양자역학의 원리’라는 표제어도 있다.‘1930년에 영국의 물리학자인 디랙이 쓴 양자 역학의 교과서. 양자 역학이 거의 성립되었을 무렵에 양자 역학의 전체 구조와 그 반응을 명쾌하게 정리하였다’고 설명된다.[[email protected]]
양자 물리학이란 무엇인가: 기원과 원리
고등학교에서 우리는 물리학을 공부하는 데 익숙합니다. 그러나 아마도 모든 사람이 익숙하지 않은 유형의 물리학이 있습니다. 에 대한 것입니다. 양자 물리학. 많은 사람들이 양자 물리학이 무엇인지 모릅니다. 그것은 우리 주변의 우주에 대한 우리의 생각에 혁명을 일으킬 수 있는 매우 논쟁적이고 매혹적인 주제입니다. 물질의 거동을 설명하고 일상 생활에 여러 가지 응용을 하는 것은 물리학 이론입니다.
따라서이 기사에서는 양자 물리학이 무엇이며 그 특성이 무엇인지 알려 드리겠습니다.
양자 물리학이란
양자 물리학은 양자 또는 기계 이론이라고도 합니다. 그것은 길이의 규모와 원자 및 아원자 에너지 현상에 중점을 둔 기계 이론에 기반을 두고 있기 때문에 이제는 구식으로 간주되는 이전 이론에 새 생명을 부여합니다.
고전 물리학과 양자 물리학의 차이점은 무엇입니까? 후자는 복사와 물질을 이중 현상으로 설명합니다. 파도와 입자. 따라서 파동-입자 이중성은 이 역학의 특징 중 하나로 간주될 수 있다. 파동과 입자 사이의 관계는 두 가지 원칙을 통해 연구되고 확인됩니다.
상보성의 원리
하이젠베르크의 불확정성 원리(후자는 전자를 공식화함).
상대성 이론의 발견과 고전 물리학의 탄생 이후에 우리는 확실히 확신할 수 있습니다. 이러한 통찰력은 현대 물리학이라는 새로운 시대를 열었습니다. 양자 역학을 종합적으로 연구하려면 서로 다른 물리학 분야 간의 통합이 필요합니다.
원자 물리학
물리적 입자
물질의 물리학
핵 물리학
어디서 생겼
고전물리학 XNUMX세기 후반에는 미시적 수준에서 물질을 연구할 수 없었고, 원자 측정의 범위를 넘어선다고 할 수 있습니다. 따라서 실험적 현실, 특히 빛과 전자와 관련된 현상을 연구하는 것은 불가능합니다. 그러나 사람들은 항상 더 멀리 가고 싶어하고 그의 타고난 호기심은 그를 더 많이 탐험하게 만듭니다.
XNUMX세기 초 원자 규모에서 나온 발견은 오래된 가정에 도전했습니다. 양자 이론은 XNUMX세기 초 학자 막스 플랑크가 만든 용어 덕분에 탄생했습니다. 기본 개념은 일부 물리적 시스템의 미시적 크기와 양이 불연속적이지만 불연속적으로 변할 수도 있다는 것입니다.
이러한 결론에 도달할 수 있었던 연구와 연구는 다음과 같습니다.
1803년: 원자를 분자의 구성 요소로 인식
1860년: 주기율표는 화학적 특성에 따라 원자를 그룹화합니다.
1874년: 전자와 핵의 발견
1887년: 자외선에 대한 연구
마지막 날짜는 주요 구분선을 표시할 수 있습니다. 임계값 이하의 복사 주파수에서는 전자기 복사와 물질 간의 상호 작용 현상(광전 효과)이 사라집니다. 광전 효과로 인해 전자의 에너지는 전자기 복사의 주파수에 비례합니다. Maxwell의 파동 이론은 더 이상 특정 현상을 설명하기에 충분하지 않습니다.
양자 이론
양자 물리학의 탄생에 기여한 요인을 요약하기 위해 양자 역학의 역사를 추적하는 데 사용된 발견 및 지식과 관련된 더 중요한 날짜를 나열할 수 있습니다.
1900: 플랑크 XNUMX세 그것은 에너지가 정량화되고, 흡수되고, 방출된다는 아이디어를 소개합니다.
그것은 에너지가 정량화되고, 흡수되고, 방출된다는 아이디어를 소개합니다. 1905: 아인슈타인 광전 효과를 나타냅니다(전자기장의 에너지는 빛의 양자(광자)에 의해 전달됩니다.
광전 효과를 나타냅니다(전자기장의 에너지는 빛의 양자(광자)에 의해 전달됩니다. 1913: 보어 전자의 궤도 운동을 정량화합니다.
전자의 궤도 운동을 정량화합니다. 1915: 좀머펠트 정량화 방법을 일반화하는 새로운 규칙을 도입합니다.
그러나 우리가 지금 알고 있는 양자 이론이 기초를 놓은 것은 1924년부터였습니다. 이날 Louise de Broggie는 물질 파동 이론을 개발했습니다. 이듬해 하인스부르크가 인수하여 행렬 역학을 공식화하고 디랙이 1927년 특수 상대성 이론을 제안했습니다. 1982년 오르세 광학 연구소가 벨 부등식의 위반에 대한 조사를 완료할 때까지 이러한 발견은 잇따라 계속되었습니다. .
양자 물리학의 원리
우리가 발견한 가장 매혹적인 발견들:
파동 입자 이중성
상보성의 원리
불확실성의 시작
파동 입자 이원론
이전에는 고전 물리학만 존재했습니다. 이것은 두 가지 법률 그룹으로 나뉩니다.
뉴턴의 법칙
맥스웰의 법칙
첫 번째 법칙 세트는 기계적 물체의 운동과 역학을 설명하고 두 번째 법칙 세트는 전자기장의 일부인 주제 간의 경향과 연결을 설명합니다. 빛과 전파예를 들면.
일부 실험은 빛을 파동으로 생각할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 그들은 확인되지 않았습니다. 반면에 빛은 입자의 성질을 가지고 있으므로(아인슈타인과 플랑크에서) 빛이 광자로 구성되어 있다는 생각이 점점 더 정당성을 갖게 되었습니다. 보어 덕분에 물질과 방사선의 성질은 다음과 같다는 것이 이해되었습니다.
파도를 만들어
몸으로 만들어라
더 이상 하나의 관점이나 다른 관점에서 생각하는 것이 가능하지 않고 보완적인 관점에서 생각하는 것이 가능했습니다. 보어의 보완 원리는 이 점만을 강조합니다. 즉, 원자 규모에서 일어나는 현상은 파동과 입자의 이중적 성질을 갖는다.
하인젠베르크 불확정성 원리
1927년 초반에 언급했듯이 Heinsenberg는 속도와 위치와 같은 물리량의 특정 쌍이 오류 없이 동시에 등록할 수 없음. 정확도는 두 측정 중 하나에 영향을 미칠 수 있지만 동시에 둘 다에 영향을 줄 수는 없습니다. 속도와 같은 현상이 다른 측정 결과에 영향을 미치고 측정을 무효화하기 때문입니다.
전자를 찾으려면 광자를 비추는 것이 필요합니다. 광자의 파장이 짧을수록 전자 위치를 더 정확하게 측정할 수 있습니다. 양자 물리학에서 광자의 낮은 파동 주파수는 전자가 흡수하는 것보다 더 많은 에너지와 속도를 전달합니다. 동시에 이러한 측정값을 결정할 수 없습니다.
이 정보를 통해 양자 물리학이 무엇이고 그 특성이 무엇인지에 대해 더 많이 알 수 있기를 바랍니다.
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