불확정성의 원리와 파동 입자 이중성 원리

[양자 물리학]

아무도 양자 물리학이 이해하기 쉽다고 말하는 사람은 아무도 없습니다. 그러나 우리가 생각한 것처럼 그렇게 복잡하지는 않습니다.
새로운 연구에 따르면 양자 세계에서 가장 신비한 두 가지 특징인 불확정성 원리와 파동-입자 이중성은 동전의 양면에 불과합니다.

"불확정성과 파동 및 입자 이중성 사이의 관계는 시스템에 대해 얻을 수있는 정보에 대한 질문으로 생각해 보면 매우 자연스럽게 나옵니다."라고 네덜란드 Delft University of Technology의 부교수 Stephanie Wehner 박사와 설명합니다. "우리의 결과는 정보의 관점에서 물리학에 대한 사고의 힘을 강조합니다."

그럼 불확실성의 원리에 대하여 먼저 알아봅니다.

불확실성 원리는 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크가 발표한 것으로 하이젠베르크의 불변성 원리라고도 불리며, 물체의 위치와 속도는 이론상으로도 정확히 동시에 측정될 수 없다는 점입니다

불확실성 원리

입자의 위치와 운동량 양자역학에 따르면 입자의 위치(입자)가 더 정확하게 주어질수록 그 추진력(위치)이 무엇인지 정확하게 말할 수 없다.

불확실성 원리는 확실히 가장 유명한 양자역학의 법칙 중의 하나입니다.

이 원칙이 내포한 불확실성이 너무 작아서 관측할 수 없기 때문에 자동차의 위치와 속도를 모두 측정하기가 쉽습니다. 완전한 규칙은 위치 및 속도의 불확실성의 산물이 작은 물리적 수량이나 상수(4㎛)보다 같거나 더 크다고 규정하고 있는데 여기서 h는 플랑크의 상수 또는 약 6.6 × 10^−34 줄 초입니다. 극소량의 원자 및 아원자 입자에 대해서만 불확실성의 원리가 의미를 갖게 됩니다. 따라서 일상적인 삶에서는 이러한 현상을 체감할 수 없답니다.

하이젠베르크의 설명은...

위치가 결정되는 순간, 즉 전자에 의해 광자가 흩어지는 순간, 전자는 운동량에서 불연속적인 변화를 겪게 된다. 이 변화는 채택한 빛의 파장이 작을수록, 즉, 위치가 더 정확하게 결정하는 것이다.
전자의 위치가 알려진 순간, 그것의 운동량은 따라서 그 불연속적인 변화에 해당하는 크기까지만 알 수 있다. 따라서, 그 위치가 더 정확하게 결정될수록, 그리고 반대로 운동량을 더욱 정확도가 떨어진다.

At the instant of time when the position is determined, that is, at the instant when the photon is scattered by the electron, the electron undergoes a discontinuous change in momentum. This change is the greater the smaller the wavelength of the light employed, i.e., the more exact the determination of the position.
At the instant at which the position of the electron is known, its momentum therefore can be known only up to magnitudes which correspond to that discontinuous change; thus, the more precisely the position is determined, the less precisely the momentum is known, and conversely. (Heisenberg 1927: 174–5)

파동-입자 이중성은 기본 입자가 파동과 같은 동작을 나타낼 수 있다는 아이디어입니다. 예를 들어 고전적인 이중 슬릿 실험으로 증명할 수 있 있습니다. 불확실성 원리는 동시에 입자의 위치와 운동량을 알 수 없다는 것입니다.

particle-wave duality 입자-파동 이중성

[…] 양자 이론의 형성의 본질은 소위 양자 가정으로 표현될 수 있는데, 이는 원자 과정이 고전 이론과 완전히 다른 본질적 불연속 또는 오히려 개별성이 된다. 플랑크의 양자로 상징된다.

[… the] essence [of the formulation of the quantum theory] may be expressed in the so-called quantum postulate, which attributes to any atomic process an essential discontinuity or rather individuality, completely foreign to classical theories and symbolized by Planck’s quantum of action. (Bohr 1928: 580)

불확실성 원리는 파동 입자 이중성에서 야기합니다. 모든 입자는 그것과 연관된 파동을 가지고 있습니다. 각각의 입자는 실제로 특이한 행동을 보인다. 이 입자는 파동의 굴곡이 가장 크거나 가장 강렬한 곳에서 발견될 가능성이 가장 높습니다. 그러나 관련 파장의 결절이 강렬해질수록 더 다르게 정의되는 파장은 파장이 되고, 이는 결국 입자의 운동량을 결정하게 됩니다.
따라서 국지적인 파장은 불확실한 파장을 가지고 있게 되지요. 그것의 관련 입자는 확실한 위치를 가지고 있지만 일정한 속도를 가지고 있지 않습니다. 반면에, 잘 정의된 파장을 가진 입자 파장은 퍼져있게 됩니다. 관련 입자는 다소 정확한 속도를 가졌지만, 거의 모든 곳에 있을 수 있습니다. 관측 가능한 한 가지에 대한 상당히 정확한 측정은 다른 하나의 측정에서 상대적으로 큰 불확실성을 수반하게 됩니다.

불확실성의 원리와 입자-파동 이중성 통일 이론

불확실성의 원리와 입자-파동 이중성을 통일한 이론이 나오나면, 물리학은 배우기 더욱 쉬워질 것입니다.
그러나 아마도 가장 중요한 것은 19 세기 과학자들이 전기장과 자기장이 별개의 힘이 아니라 지금 전자기장라고 부르는 단 하나의 힘의 다른 발현이라는 것을 발견했을 때 통일된 이론이 만들어 지면서 물리적 세계를 보는 방식을 바꿀 수 있다는 것입니다.

앞으로 불확실성 원리와 파동-입자 이중성 원리가 통합되게 된다면, 양자 이론의 구조를 보는 방식이 변하게 될 것입니다. 양자 이론이 우리 자신을 포함하여 주변의 모든 대상에 적용됩니다. 때때로 우리 내부의 입자들이 파도처럼 행동하는 것은 이상한 진실입니다.
Coles는 새로운 연구의 핵심은 파동과 입자 행동의 언어를 불확실한 언어로 표현하지 말고 수학을 사용하는 것이라고 말했다.
그는 다음과 같은 유추를 제안했다.
"우리가 파동과 입자 이원성에 관한 문헌을 발견했을 때 상형 문자를 읽는 것과 같았습니다. 앞으로 연구의 큰 발전은 Rosetta Stone을 발견하거나 Rosetta Stone을 구축하여 이 상형 문자를 우리의 말로 이해할 수 있게 해줍니다. ... 전에 아무도이 상형 문자를 번역하지 않았기 때문에 특히나 재미가 없었던 것입니다. "