타임머신 연구 1장 - 양자역학

수정본)

 

양자역학이란.

모든 것이 확률적으로 존재한다는 뜻.

위치와 속도를 알면 미래를 정확히 예측할 수 있다는 고전역학에 정확히 위배된다.

 

 

일단 양자역학을 설명하기 위해서는 불확정성의 원리를 알아야 하는데 그것은 다음과 같다.

 

이 세상에서 모든 물질은 입자와 파동 둘 중에 하나다. 

 

그렇다면 어떠한 물질이 입자인지 파동인지 어떻게 알 수 있을까? 바로 이중슬릿 실험을 통해 확인할 수 있다.

 

 

위 그림처럼 이중슬릿에 어떠한 물질을 통과시켰을 때 만약 그 물질이 입자라면 반대편에 두줄현상이 생길 것이고 파동이라면 물결파 현상이 생길 것이다. 입자는 야구공으로 생각하고, 파동은 물결로 생각한다면 이해하기 쉬울 것이다.

 

이렇게 이중슬릿 실험을 통해 물질을 확인할 수 있는데, 여기서 중요한 문제가 하나 발생한다.

전자는 입자인 것이 자명해 이중슬릿을 통과했을 때 당연히 두줄현상이 생겨야 한다고 생각했다. 하지만 실험을 해본 결과 두줄현상이 아닌 물결파 현상이 생긴 것이다.

 

전자는 당연히 입자인데 어떻게 물결파 현상이 생긴 것일까. 하나였던 입자가 둘로 변해 동시에 슬릿을 통과한다는 것을 어떻게 설명할까. 이것은 하나였던 야구공이 이중슬릿을 통과하기 직전에 둘로 변해 동시에 슬릿을 통과했다는 것과 같은 의미다.

 

 

여기서 양자역학의 불확정성의 원리가 나타난다.

 

더욱 놀라운 일이 발생하는데, 입자가 어떻게 파동성을 가지게 된 것인지 확인하기 위해 이중슬릿 장치의 뚜껑을 연 순간 전자는 놀랍게도 입자로 변해 두줄 현상이 나타나게 된다.

 

뚜껑을 열어 관측하면 입자인 상태, 뚜껑을 열지 않았을 때는 파동인 상태인 것이다.

 

과연 무엇이 진짜일까? 전자는 입자인 걸까 파동인 걸까 

뚜껑을 열었을 때와 열지 않았을 때는 왜 다른 결과가 나온 것일까

 

여기서 가장 중요한 점은 관측, 즉 내가 눈으로 본다는 부분이다. 눈으로 무언가를 본다는 것은 빛이 반사되어 내 눈에 들어오는 것인데, 여기서 빛에 의해 원자가 간섭되어 내가 관측할 때와 관측하지 않을 때 결과가 달라지는 것이다. 

 

이 때문에 불확정성의 원리에서는 전자의 위치와 운동량을 동시에 관측하지 못한다. 즉 물체가 움직인 시간과 그동안 방출된 에너지는 동시에 알 수 없는 것이다.

 

 

이 불확정성의 원리를 보여주는 아주 좋은 사고실험으로 슈뢰딩거의 고양이가 있다.

어떤 상자 안에 1분 후 50%의 확률로 깨지는 독극물 병과 고양이를 넣어 놓았다고 하자.

1분 후에 고양이는 과연 살아있는 상태일까 죽어있는 상태일까

 

양자역학에서는 뚜껑을 열어보기 전까지 고양이의 상태를 관측할 수 없으므로 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 동시에 존재, 즉 중첩된다고 말한다.

뚜껑을 열기 전에는 살아있거나 죽어있는 중첩된 상태에서 뚜껑을 열어 관측한 순간 하나의 상태로 존재하게 된다는 것이다.

 

또한 이 처럼 상자를 열기 전까지는 상태를 확인할 수 없으므로 이 때문에 양자역학에서는 모든 것이 확률로서 존재한다는 것이다.

 

 

 

 

아인슈타인은 이렇게 물리학에서 확률이 등장하는 것을 매우 싫어했다.

따라서 양자역학을 주장하는 닐슨 보어와 여러 과학자가 주장하는 코펜하겐 해석을 반박하는 여러 가지 이론을 내놓게 된다.

 

그중에서 중요한 것은 EPR 역설, 상자 속 시계 실험이다.

 

EPR 역설을 간단히 설명하면 다음과 같다.

모양과 크기 모두 똑같이 생긴 상자 두 개가 준비되어 있다.

이 두 상자 중 하나에는 파란 공을, 나머지 상자에는 빨간 공을 넣는다.

그 후 두 상자를 적절히 섞어 하나는 서울로 가져가고 나머지 하나는 대구에 남겨둔다.

이때 대구에서 상자를 열어 상자 속 공의 색을 확인한다면 자동으로 서울에 있는 상자 속 공의 색을 알 수 있다.

 

위의 논리를 본다면 나는 서울에 있는 상자 속 공의 색을 관측하지 않았음에도 불구하고 색을 알 수 있다. 이는 직접 보지 않으면 정보를 알 수 없어 서울에 있는 공의 색이 빨간색과 파란색으로 동시에 중첩되어 있다는 불확정성의 원리 즉 양자역학을 정면으로 부정하는 것이다. 

 

또한 더 나아가서 상자를 서울로 가져가는 게 아니라 1광년 떨어진 행성에 가져간다고 가정해 보자.

만약 대구에서 상자를 열어 공의 색을 확인한다면 1광년 떨어진 행성에 있는 상자 속 공의 색을 알 수 있다.

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 빛보다 빠른 것은 존재해서는 안된다.

하지만 대구에서 상자를 여는 순간 1광년 멀리 떨어진 행성에 있는 상자 속 공의 색, 즉 정보를 알 수 있는 것이다.  이는 물리학에서 가장 중요한 이론인 특수상대성 이론을 위배한 것이기 때문에 양자역학은 성립할 수 없는 것이다.

 

다음은 상자 속 시계 실험인데

이 또한 아인슈타인이 고안한 사고실험이다.

 

 

위 그림을 한번 살펴보자.

상자에는 광자 하나만 빠져나갈 수 있을 정도의 창문이 달려 있고, 상자 속에 창문이 열렸다가 닫히는 시간을 정확하게 측정할 수 있는 시계가 있다. 이 상자는 용수철에 의해 매달려 있고 상자는 눈금을 가리키고 있어 상자의 무게가 변한다면 눈금을 통해 알 수 있다.

 

여기서 실험을 시작하자.

창문을 열어 광자 하나를 빼내고 빼낸 시간을 상자 안에 있는 시계가 측정한다. 광자가 빠져나간 후 용수철에 의해 올라간 눈금을 측정하여 광자 하나의 무게를 알 수 있다.

E=mc2 공식을 이용해 광자 하나가 빠져나갈 때 발생하는 에너지를 알 수 있다.

 

따라서 광자 하나가 움직인 시간과 그동안 방출된 에너지를 동시에 알 수 있는 것이다.

 

위에서 설명한 것처럼 양자역학에 따르면 물질이 움직이는 시간과 에너지는 동시에 알 수 없다. 아인슈타인은 상자 속 시계 사고 실험을 통해 양자역학의 기본적인 정의를 깨트린 것이다.

 

 

하지만 닐슨 보어는 이러한 아인슈타인의 상자 속 시계 실험을 논파했다. 과연 어떤 식으로 이야기했을까?  퀴즈입니다.