- 원어 강의 내용이라 해석이 상이할 수 있습니다.
- 영어로 쓰는 이유는 답안을 영어로 작성해야 해서 그렇습니다.
Quantum Physics: Introduction
양자역학은 자연의 발견, 양자척도에서 현실이 어떻게 작용하는지에 관한 것이다.
ex) 화학, 생물학, 전자공학 ...
Niels Bohr : "양자 이론을 처음 접했을 때 충격을 받지 않은 사람들은 그것을 이해할 수 없었을 것이다."
Richard Feynman : "아무도 양자역햑을 이해하지 못했다."
양자 현상에는 the only mystery(유일한 미스터리)가 포함되어 있다. => dual nature of reality (현실의 이중성)
Quantum: Planck’s Constant h
흑체 복사를 이용하여 빛을 연구하면서, 물리학자들은 ultraviolet catastrophe(자외선 재앙)이라고 불리는 문제에 부딪혔다: 빛의 파동 주파수와 에너지는 무한히 증가해야 하지만 그렇지 않다. 왜 그럴까?
=> 1900년 Max Planck는 E=hv에서 상수(h)를 제안함으로써 문제를 해결했다
에너지가 quanta(양자)라고 불리는 작은 이산적인 패킷에서 흡수되고 방출된다고 가정하자: 양자 복사는 E=hv이다.
=> Energy = h(Plank's constant-플랑크의 상수) x v(복사 주파수)
=> 이것은 플랑크를 양자역햑의 아버지로 만들었다.
플랑크 상수가 왜 그렇게 중요한가? => 자연의 base unit (기본 단위)로 보이기에
1905년 아인슈타인은 광전 효과에 관한 논문에서 빛이 이산 양자(photons-광자)로 온다고 주장하기 위해 플랑크 상수를 사용했다.
=> 이것은 맥스웰의 빛의 파동 이론에 어긋났지만, 실험은 아인슈타인이 옳다는 것을 증명했다.
=> 빛의 dual nature(이중성). 즉 빛이 파동인가 입자인가에 대한 논의가 시작됨.
Quantum: Bohr’s Quantum Atom
Periodic Table : 주기율표
첫번째 아원자 입자 electron(전자)는 톰슨에 의해 발견됨.
브라운 운동에 관한 아인슈타인의 1905년 논문은 statistical physics(통계물리학)을 이용하여 원자의 존재를 증명하였다
Nucleus(원자의 핵)은 1909년에 발견됨.
Rutherford model of atom(러더퍼드 원자 모형) like 태양계
1920년에 protons (양성자)와 neutrons(중성자)가 핵의 원소로서 제안됨.
문제 : 러더퍼드의 모델은 말이 되지 않았다.
=> 회전하는 전자는 에너지를 방출해야 하지만 그렇지 않았다
보어는 플랑크의 양자 아이디어를 원자에 적용. => 전자는 quanta of discrete energy(이산 에너지의 양자)에서 에너지를 얻거나 포기한다.
전자는 양자 점프를 한다. -> 보어가 발견하고 노벨상 받음 : 오비탈
그러나 아무도 어떻게,왜 "점프"가 일어났는지 알지 못함.
=> 아인슈타인은 1916년에 이러한 에너지 변화가 law of probability(확률의 법칙)을 따른다는 것을 알아냈다.
Quantum: Duality of Matter
뉴턴 : 빛의 입자 증명.
토마스 영 : 빛의 파동 증명.
Double-slit experiment (이중 슬릿 실험) 빛을 이용한
=> 간섭 패턴은 빛의 어떤 종류의 파동임이 틀림없음을 보여줌.
맥스웰 방정식 또한 빛이 파동임을 확인했다.
1924년, De Broglie은 빛이 파동과 입자의 성질을 가지고 있는 것처럼, electrons(전자)도 wave-like(파동)과 같은 성질을 가지고 있어야 한다고 제안했다.
=> single electrons(단일 전자)에 대한 이중 슬릿 실험이 이를 증명함.
어떻게 단일 전자가 파동성을 지닐 수 있나?
=> 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 통과해야 하는데, 이 결과는 확률임.
=> 관찰되면 파동 영향이 사라짐. 이를 wave function collapse(파동 함수 붕괴)라고 한다.
Quantum: Uncertainty Principle
우리가 보지 않는 한, 확률성 파동은 나타나지만, 우리가 관찰하는 순간 사라진다: Observer effect(관찰자 효과).
Heisenberge(하이젠베르크)는 양자 문제에 대해 고민하던 중 1927년에 principle of unvertainty(불확실성의 원리)를 발견
=> "입자의 위치와 방향, 속도를 동시에 정확하게 결정하는 것은 불가능하다."
=> 하이젠베르크의 불확실성 원리는 순수하게 measurable(측정할 수 있는) 깔끔한 과학적 주장이었다.
Quantum: Complementarity
보어는 하이젠베르크의 주장에서 더 깊이 있는 내용을 발견했다. 전자의 파동성이 우리가 knowable(알 수 있는 것)으로 제한된다는 것.
=> 보어가 불확실성의 원리를 철학적으로 해석하도록 이끔: 현실은 알 수 없기 때문에, 보이는 모순을 수용하라.
=> 보어는 이를 complementarity principle(상보성 원칙)이라고 부름.
=> 예를 들어 위치와 운동량, 파동-입자 이중성.
보어와 하이젠베르크는 이에 대해 격렬하게 논쟁을 벌였으나, 결국 하이젠베르크는 마지못해 동의했다(제자임).
그 후 보어는 연구 결과를 브뤼셀에서 열린 1927년 솔베이 회의에 가져감
Quantum: 1927 Solvay Conference
1927년, 솔베이 회의에서 양자론이 공식화되었고 보어와 하이젠베르크의 Corpenhagen interpretation(코펜하겐 해석)이 표준적인 관점이 되었다.
=> 보어와 아인슈타인 사이에 강한 의견 차이를 발생시킴
Quantum: Bohr vs. Einstein
아인슈타인은 보어의 Corpenhagen interpertation(코펜하겐 해석)에 대한 의견이 달랐다.
=> 하이젠베르크: uncertainty principle(불확실성 원리)는 플랑크의 상수 h에 기반하여 measurable(측정할 수 있는) 것에 절대적인 한계를 둔다.
=> 보어: 하이젠베르크의 원칙은 knowable(알 수 있는 것)에 절대적인 한계를 둔다. 하이젠베르크와의 논쟁의 요점. -> complementarity principle(상보성 원칙)
왜 아인슈타인은 보어의 해석에 대한 의견이 달랐을까?
=> 기본적으로 우리가 현실을 probabilistic(확률적)으로 봐야 한다고 말함.
아인슈타인 : 보어의 QM is incomplete(양자론은 불완전하다). 양자론의 한계 하에서는 현실이 rational(합리적)이고 알 수 있어야 한다.
=> 아인슈타인의 진영: realist(현실주의자)
=> 보어의 진영: anti-realist(반현실주의자)
보어와 아인슈타인의 주장에 대한 오해:
- 보어는 reality is subjective(현실이 주관적)(=상대적)이거나 관찰되지 않은 것은 존재하지 않는다고 믿었다.=> idealism(이상주의)
- 보어는 reality itself is probabilistic(현실 자체가 확률론적)이라고 말하지 않았다. QM은 epistemic(인식론)일 뿐, ontic(비논리적)인 것은 아니다.
- 아인슈타인은 hidden variables(숨겨진 변수)를 주장하지 않았다.
양자론에 대한 아인슈타인의 문제 제기 : "신은 우주와 주사위 놀이를 하지 않는다."
=> 보어의 대답: "신에게 이래라 저래라 하지 마라."
양자론의 불확실성 -> 단지 우리가 모르기 때문임.
=> reality can't be probabilistic(현실은 확률적일 수 없다). 만약 현실이 확률적이라면, 인과관계는 어떻게 되는가?
보어의 해석에 대한 세 가지 유명한 주장
- De Broglie: 드 브로이-봄 파일럿 파동 이론(은폐-분열 이론) (1982, 1952);
- Schrodinger: 슈뢰딩거의 고양이 (1935);
- Einstein: EPR 논문 (1935).
Quantum: Broglie-Bohm pilot wave
De Broglie-Bohm(드 브로이-봄) 파일럿 파동 이론 (1927, 1952):
- 현실 deterministic(결정론); 현실에는 파동-입자 이중성이 없다;
- 소입자는 실제로 입자이다.
- 파동은 우주에서 실제 물리적 파동이다.
- 입자가 파도를 탄다(예: 파일럿 파동 이론).
- 파일럿 파동 이론은 "극히 비국소적"이다.
Quantum: Schrodinger’s Cat
Schrodinger's cat(슈뢰딩거의 고양이) - (1935)
사고 실험 vs. 코펜하겐 해석
=> 슈뢰딩거의 실험은 reductio ad absurdum(귀류법) 주장을 의미함.
• 반론:
- 객관적 붕괴 이론(비일관성)
- 다원적 해석(붕괴 없음).
Quantum: Einstein’s EPR Paper
아인슈타인의 EPR 논문 (1935):
- 입자 "entanglement(접합)"이라는 양자론 개념을 사용한다.
- EPR vs 코펜하겐 해석: EPR paradox는 귀류법 주장을 의미했다.
- 만약 보어가 맞다면, 두 개의 "엉킨 입자"가 멀리 떨어져 움직일 수 있고, 하나를 측정하면 다른 하나를 즉시 "고정"할 수 있지만, 이는 상대성 이론과 principle of locality(국소성의 원칙)에 대한 아인슈타인의 규칙을 violate(위반할) 것이다.
- 아인슈타인은 그러한 결론을 터무니없다고 생각했고, 그것을 "spooky action-at-a-distance"(거리에서의 괴상한 행동)이라고 불렀다.
Quantum: Bell’s Theorem
EPR 논문은 보어의 해석을 파괴하는 주장처럼 보였다.
=> 그러나 양자론 매우 유용하고 성공적이었기 때문에 실용적인 "닥치고 계산" 사고방식이 시작되었다.
=> 많은 사람들은 벨의 논문(1964년)까지 EPR 역설을 무시했다.
John Bell: Bell's inequality(벨의 불평등)이라고 불리는 EPR 사고 실험을 테스트하는 방법을 알아냈다.
=> 벨의 논문은 얽힌 광자(1972, 1981)에 대한 실험이 EPR을 반증할 때까지 수년간 무시되었다.
=> quantum reality is non-local(양자 현실은 비국소적이다.)
Quantum Weirdness
양자 이상성
- 1972년 이후, 더 많은 실험들이 양자 얽힘이 non-local(국소적이지 않다는 것)을 증명했고, 아인슈타인이 틀렸다는 것을 증명했다.
- "보어는 일관성이 없고 불분명하며 의도적으로 모호하고 옳았다. 아인슈타인은 일관되고 명확하며 현실적이며 틀렸다." (John Bell, 1991)
- "우주는 죽었다"(Lee Smolin; 현실은 국소적이지 않은 것 같다.
- 공간이 비국소적이라면, 현실은 causality probabilistic(확률론적 인과관계) 일까?
- 2013년 물리학자 조사에 따르면 42%가 코펜하겐 해석에 동의하지만 여전히 의견이 일치하지 않는 것으로 나타났다.
Quantum Field Theories
Quantum Field Theories(양자장론)
우주의 기본 구성 요소는 fields(필드)다.현실은 필드과 그 필드에서 움직이는 입자로 이루어져 있다. (ex 중력장, 전자기장).
하지만 입자들은 실제로 입자가 아니라 (it's a white lie) 필드에서 파동을 일으킨다.
필드란 정확히 무엇인가?
=> Quantum fields(양자장): "전 우주에 퍼져 있고 이상하고 흥미로운 방식으로 파문을 일으키는 유체 같은 물질들."
그렇다면 필드 Arche인가? => 아닐리 없다.
Quantum: Back to Bohr
- 보어의 비평가들은 그의 견해를 신비주의적이라고 불렀고, 그의 상보성의 원칙은 합리성에 위배되는 것처럼 보인다.
- 보어의 사상은 (scientific) anti-realism(반현실주의)와 관련이 있다.
- 어떤 사람들은 보어의 Complementarity principle(상보성 원리)를 Kantian(칸트 지지자?)로 본다.
=> 칸트: 순수한 이성에 대한 비판은 이성의 한계를 보여준다. 그것은 경이로운 세계에서만 우리에게 도움이 될 수 있다. - QFT는 세상이 어떻게 돌아가는지에 대한 최고의 설명을 제공한다.
=> 하지만 Kantian은 "이 필드는 무엇인가?", "이 파도 진동의 원인은 무엇인가?"라고 물을 것이다.
• Bohr(Kant): 우리가 현실에 대해 know(알 수 있는) 것에는 absolute(절대적인 한계)가 있다; 우리는 양자 이상성을 받아들일 필요가 있다.