실재란 무엇인가?(2)

 실재란 무엇인가? 2번째 리뷰 시간입니다. 1부를 안 보고 오신 분은 먼저 1부를 봐주시면 감사하겠습니다.

 

https://computerstudying.tistory.com/11

실재란 무엇인가?(1)

 

 실재란 무엇인가? 1부는 2차 세계대전으로 인해 독일의 물리학자들이 세계로 뿔뿔이 흩어지면서 현대 물리학의 암흑기를 겪으면서 시작하였습니다. 하지만 모든 이야기가 그렇듯이 그런 암흑기에도 빛을 내서 세상을 변화시키려는 사람이 존재합니다. 2부에서는 '양자 이단아들'이라는 주제로 '데이비드 봄'과 '휴 에버렛 3세', '존 스튜어트 벨'이라는 물리학자들의 이야기를 다루고 있습니다. 새롭게 등장하는 물리학자들은 기존의 코펜하겐 해석에 대해 새로운 의견을 제시하는데, 당연히도 기존의 코펜하겐 해석을 제시한 물리학자들은 자신의 이론이 가장 완벽하고, 다른 초짜 물리학자들의 의견을 배척합니다. 그러면 새로운 발견을 하고도 세상에서 배척된 물리학자 '데이비드 봄'을 만나러 가봅시다.

 

실재란 무엇인가?

 

 데이비드 봄은 미국의 물리학자로 공산주의자로 몰리며 세계를 떠돌게되는 다사다난했던 물리학자입니다. 그는 펜실베이니아 주립대학교에서 오펜하이머 교수의 지도를 받아 이론물리학을 공부하였습니다. 양자물리학에 관심을 가져 '양자론'이라는 책을 쓰기도 했습니다. 다만 대학교 시절 공산주의에 관심을 가졌던 것이 문제가 되어 반미위원회에 의해 의회 모독죄로 기소되었고, 캠퍼스에서 정직되어서 미국에서 살기 힘들어졌습니다. 이때 '양자론'에 큰 관심을 가졌던 아인슈타인에 도움으로 브라질 상파울루 대학교 교수로 추천받게 되었고, FBI의 감시를 피해 브라질로 이동하게 되었습니다.

 

데이비드 봄(출처: 위키피디아)

 

 브라질에서 봄은 양자물리학의 가장 간단하고도 이상한 '이중 슬릿 실험'에 관심을 갖게 됩니다. 관측이 무엇이길래 이중 슬릿 실험의 결과에 변화를 주는지, 어떻게 양자물리학에 따라 결과를 예측할 수 있을지에 의문을 갖게 됩니다. 여기서 잠깐 이중 슬릿 실험이 어떤 건지 알아가 보도록 하겠습니다.

 

 이중 슬릿 실험은 물질의 파동성과 입자성을 알아보기 위한 실험으로 두 개의 미세한 구멍 사이로 물질을 통과시키면 파동인지 입자인지를 알 수 있다는 실험입니다. 파동은 회절(장애물의 가장자리에서 휘어져 나오는 현상)과 간섭의 성질을 가져 간섭무늬가 생기지만, 입자는 간섭 무늬가 생기지 않는다는 것입니다.

 

이중 슬릿 실험(출처: 실재란 무엇인가?)

 

 이중 슬릿 실험의 결과로는 광자(빛 입자)가 파동일 경우 간섭무늬를 만들지만, 입자일 때는 두 무리를 만든다고 되어있습니다. 하지만 봄은 간섭무늬가 형성되려면 광자는 자신이 어떤 위치에 도달하게 되는지를 알고 있어야만 한다고 주장했습니다. 풀어서 설명하면 누군가 관측하지 않았는데 파동으로 존재했고, 그것이 결과로 남는다는 것은 무엇인가 광자와의 접촉을 통해 간섭했다는 내용입니다. 그는 이러한 문제를 광자 관측 장치로 관측하려 했으나, 간섭무늬를 만들기는커녕 두 무리 만들며 관측의 정의를 혼란스럽게 만들었습니다.

 

이중 슬릿 실험2(출처: 실재란 무엇인가?)

 

 봄은 이런 이중 슬릿 실험의 모순을 알리려고 했으나, 제대로 된 정착지도 없고 사상도 다른 그의 의견에 관심을 갖는 사람은 매우 적었습니다. 심지어는 그의 의견이 널리 알려지는 것을 막으려고 보어의 동료인 레온 로젠펠트는 네이처지에 봄의 논문이 싣지 못하게 막으며, 그에게 양자역학을 형편없이 오해했다는 평가를 내렸습니다. 그렇게 봄은 골칫거리이자 탐탁지 않은 물리학자로 세상에서 잊혔습니다.

 

 

 그리고 얼마 지나지 않아 봄의 주장을 이어받는 또 다른 물리학자가 등장합니다. 그 사람이 바로 '휴 에버렛 3세'입니다. 에버렛은 파동 함수는 우주에 있는 모든 양자 상태를 기술하는 수학적 객체라 생각했습니다. 여기서 파동함수는 슈뢰딩거 파동 방정식을 따르는 파동 함수로 시간과 공간에 의존하여 운동량을 구하는 함수를 의미합니다. 에버렛은 이 파동 함수가 양자 사건이 발생할 때마다 다중 우주를 형성하여 가능한 모든 결과로 이어질 것이라고 주장했습니다. 이 아이디어는 '다세계 해석'이라고 불리게 되는데, 당연히도 터무니없다고 받아들여지지 않았습니다. 이게 사실이라면 세상에는 얼마나 많은 세계가 있으며, 우주가 나뉘면 다른 우주는 어디에 있고, 가능한 우주의 개수는 얼마인지에 의문을 가졌습니다. 에버렛은 이 내용을 설명하는데 슈뢰딩거의 고양이 실험을 사용합니다.

 

 

한 마리의 고양이가 (외부의 간섭을 막을 수 있도록 고안된) 무시무시한 기계 장치와 함께 철로 된 방에 갇혀 있다. 그리고 그 기계장치 안에는 한 시간에 한 개의 원자만이 붕괴할 정도로 아주 미소한 양의 방사능 물질을 담고 있는 가이거 계수기(방사능 측정 장비)와 함께 청산가리가 든 병이 놓여 있다. 만약 하나의 원자가 붕괴하면, 그 계수기는 작동하면서 작은 망치를 움직여 청산가리가 든 병을 때리게 한다. 누군가가 한 시간 동안 이 전체계로부터 떠나 있었다고 하자. 그는 만약 어떤 원자도 붕괴하지 않았다면 그 고양이는 살아있을 것이라고 말할 것이다. 반면 최초의 원자 붕괴가 있었다면 그 고양이는 독살되었을 것이라고 말할 것이다. 이 경우 전체계의 상태 함수 Ψ(프사이 psi, 파동 함수를 표현하는 문자)는 죽은 고양이와 살아있는 고양이를 동등한 부분으로 포함하는 것으로 표현될 것이다. 이러한 예들의 전형적인 특성은 (양자역학의) 미결 정성이, 원자적 수준에서 직접적인 측정에 의해 결정이 가능한 거시적 수준으로 옮겨간다는 점이다.

출처: https://computerstudying.tistory.com/8 [컴퓨터를 읽다:티스토리]

 

  독립된 계로 존재하는 상자 안에서는 고양이가 죽었을 수도, 살아있을 수도 있습니다. 책에서는 한쪽 부분에서는 방사선이 방출돼서 고양이가 죽었고, 다른 한쪽에서는 방사선이 미 방출되어 고양이가 살아있다고 말하고 있습니다. 이제 상자를 열면 코펜하겐 해석에 따르면 측정에 의해 파동 함수가 붕괴되어 하나의 결과가 발생한다고 한다. 에버렛은 여기서 하나의 결과가 나오는 것이 아니라 다세계 해석에 의해 갈래가 나뉘어 하나의 결과가 발생한 것이라고, 관찰자도 둘로 갈라진 것이라고 주장하였다.

 

다세계 해석(출처: 실재란 무엇인가?)

 

 에버렛은 위의 내용으로 논문을 작성했고, 당연하게도 거부당했습니다. 사유는 에버렛이 측정 과정을 구체적으로 이해하지 못했다는 것입니다. 보어는 관측적 문제를 혼동했다는 평가를 내렸고, 보어 연구소의 페테르센은 관측이라는 개념은 양자역학적 관점이 아니라 고전역학적 관점에서 행해져야 한다, 고전 개념을 이용할 때는 양자 효과가 측정 장치에 영향을 미치지만, 장치가 충분히 크기 때문에 무시해도 좋다는 답변을 내렸습니다. 에버렛은 거시계의 질량이 크면 양자 효과를 무시해도 괜찮은거냐고 비난했지만, 그의 의견은 무시당했습니다. 이후 에버렛은 결국 학계를 떠났고, 냉전 시대의 군산복합체 소속 연구원으로 남은 평생을 일하게 되면서 그의 주장은 또다시 잊히게 되었습니다.

 

 

 여기까지가 2부 6장까지의 내용입니다. 수많은 물리학자들이 나와 기존 코펜하겐 해석의 잘못된 점을 제시하지만, 양자물리학의 수장과 같은 사람들은 저런 지적을 무시하고 부정합니다. 과연 언제까지 코펜하겐 해석의 잘못된 점이 밝혀지는지 큰 관심 부탁드립니다. 부족한 글을 읽어주셔서 감사합니다.

 

 

실재란 무엇인가? 1부: https://computerstudying.tistory.com/11

실재란 무엇인가?(1)

 

슈뢰딩거의 고양이를 다룬 다른 포스트

-그림으로 배우는 양자 컴퓨터(2): https://computerstudying.tistory.com/8

그림으로 배우는 양자 컴퓨터(2)

 

 

 

참고

애덤 베커,실재란 무엇인가?(승산)

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%8D%B0%EC%9D%B4%EB%B9%84%EB%93%9C-%EB%B4%84%EC%9D%B4-%EB%A7%90%ED%95%98%EB%8A%94-%EA%B3%BC%ED%95%99%EA%B3%BC-%EC%B0%BD%EC%A1%B0%EC%84%B1/

데이비드 봄이 말하는 과학과 창조성 – Sciencetimes