뉴턴 물리학과 양자역학이란?
17세기 뉴턴 물리학에서는 이해 할 수 없는 일이 미시세계인 양자 분야에서는 완전 다른세상이 펼쳐지고 있습니다. 앞으로 대세는 양자기술이며, 다양한 산업에 적용 될 것이라 생각합니다. 오늘은 양자 중첩에 대해서 알아 보도록 하겠습니다. 양자중첩이 중요한 이유 양자중첩이란 어떤 양자 시스템이 두 개 이상의 상태를 동시에 가질 수 있는 현상을 말합니다. 예를 들어, 동전을 던지면 앞면이 나올 수도 있고 뒷면이 나올 수도 있습니다. 하지만 양자역학에서는 동전이 던져지기 전까지는 앞면과 뒷면이 동시에 존재하고, 던져진 순간에만 한 쪽으로 결정된다고 합니다. 이렇게 양자 시스템은 확률적으로 존재 가능한 모든 상태의 중첩이라고 할 수 있습니다.
양자중첩은 양자역학의 기본 원리 중 하나이며, 노벨 물리학상을 수상한 여러 과학자들이 이 현상을 연구하고 증명해왔습니다. 특히, 2022년 노벨 물리학상을 수상한 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 차일링거 세 과학자는 양자중첩과 관련된 또 다른 흥미로운 현상인 양자 얽힘을 실험적으로 규명했습니다. 양자 얽힘은 서로 떨어져 있는 두 개의 양자 시스템이 서로 영향을 미치는 현상으로, 한 쪽의 상태가 결정되면 다른 쪽의 상태도 즉시 결정된다는 것입니다. 이들의 연구는 양자 정보과학의 발전에 크게 기여했습니다.
양자중첩에 대해서
양자중첩 이론 배경 양자중첩은 20세기 초반에 양자역학이 탄생하면서 처음으로 제안된 개념입니다. 당시 고전물리학은 원자와 전자와 같은 미시적인 세계를 설명할 수 없었습니다. 예를 들어, 원자의 핵 주변을 도는 전자는 고전물리학에 따르면 지속적으로 에너지를 방출하면서 핵에 떨어져야 했습니다. 하지만 이러한 현상은 실제로 관찰되지 않았습니다. 이를 해결하기 위해 닐스 보어는 전자가 특정한 에너지 준위를 가지고 핵 주변을 돈다고 가정했습니다. 이때 전자는 에너지 준위 사이를 이동할 때만 에너지를 방출하거나 흡수한다고 했습니다.
이러한 보어의 모델은 수소원자의 스펙트럼을 잘 설명했지만, 다른 원자들에게는 적용할 수 없었습니다. 이후 에른스트 슈뢰딩거는 파동 방정식을 이용하여 전자의 운동을 기술했습니다. 슈뢰딩거의 방정식은 전자가 특정한 위치에 있을 확률을 나타내는 파동함수를 구하는 방법을 제공했습니다. 이때 파동함수의 크기의 제곱은 전자의 위치에 대한 확률밀도를 의미합니다. 즉, 전자는 정확한 위치를 가지지 않고, 파동처럼 흩어져 있습니다. 이러한 전자의 파동성은 데이비슨과 거머의 실험에서 확인되었습니다.
그들은 전자를 금속판에 쏘아서 회절 현상을 관찰했습니다. 이는 빛과 같은 파동이 가지는 특성입니다. 파동함수란 무엇인가? 파동함수는 양자 시스템의 상태를 완전히 기술합니다. 하지만 파동함수는 관측되기 전까지는 확정되지 않습니다. 즉, 양자 시스템은 여러 개의 상태를 동시에 가질 수 있습니다. 이를 양자중첩이라고 합니다. 예를 들어, 스핀이 위쪽이거나 아래쪽인 전자가 있다고 가정해봅시다. 이 전자의 파동함수는 위쪽과 아래쪽의 선형결합으로 표현될 수 있습니다. 이때 전자는 위쪽과 아래쪽의 중첩 상태에 있습니다. 하지만 전자의 스핀을 측정하면, 위쪽이나 아래쪽 중 하나의 결과만 나타납니다. 이때 파동함수는 측정 결과에 따라 붕괴하게 됩니다. 이를 측정에 의한 파동함수의 붕괴라고 합니다.
슈뢰딩거의 고양이에서 배울 수 있는 것
결과 양자중첩은 양자역학의 기본적인 현상이지만, 직관적으로 이해하기 어렵습니다. 실제로 양자역학의 창시자들도 양자중첩에 대해 논쟁을 벌였습니다. 특히, 아인슈타인은 양자중첩이 불완전한 이론의 결과라고 주장했습니다. 그는 양자 시스템이 관측되기 전에도 정확한 상태를 가지고 있을 것이라고 생각했습니다. 이를 숨은 변수라고 부릅니다. 아인슈타인은 포돌스키와 로젠과 함께 유명한 EPR 역설을 제기했습니다. 그들은 양자중첩과 양자 얽힘을 이용하여 특수상대성이론에 위배되는 현상을 만들어냈습니다. 이를 통해 양자역학이 불완전하고 모순적이라고 주장했습니다. 시간이 흘러, 다양한 실험이 진행되면 양자역학의 진모가 들어나게 됩니다. 바로 이중슬릿 실험입니다. 파동성과 입자성을 구분하는 실험으로 파동이 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 스크린에 간섭문늬가 나타납니다. 이 실험을 통해 입자와 파동의 구분을 할 수 있었습니다.
그리고 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해 1935년 에르빈슈뢰딩거가 고안한 사고실험입니다. 어떤 사아자 안에 고양이가 있고 계수기와 망치가 연결되어 계수기가 방사선을 감지하면 망치가 상자 안에 있는 병을 깨트려 병 안에 들어있는 독성물질이 흘러나오며, 이 상자를 열기 전에는 안에 있는 고양이가 살아있는 상태와 죽어있는 상태로 공존하고 있다는 이야기로 유명합니다. 다음 편에 알아 보도록 하겠습니다. 감사합니다.