양자역학이 세상에 대해 알려준 것들

양자역학이 세상에 대해 알려준 것들

1. 물질

이 세상 모든 것은 원자로 되어있다. 물질에 대한 어떤 질문을 하더라도 그 질문은 원자로 귀결된다. <Galatea of the spheres> - salvador dali 세상 만물이 원자로 되어있다는 것을 보여주는 달리의 그림

원자는 세부구조를 가지고 있음 안에 원자핵, 그 주위에 전자가 돌고 있음

원자핵은 양성자와 중성자로 되어있고, 양성자는 +전하, 중성자는 전하가 없음, 전자는 -전하를 띔 그래서 원자핵과 전자사이에 전기적 인력이 작용, 인력 때문에 돌 수 있다. 

원자핵은 너무 작아서 보이지 않는다. 

전자가 가장 중요. 전자가 어떻게 공간적으로 배치되어있는지가 원자의 특징을 결정지음. 

가장 바깥쪽에 보이는 것은 전자이기 때문. 원자 안에서 전자들은 특별한 구조를 가짐. 특정한 궤도에만 전자들이 존재. 특정한 궤도가 아니고선 전자가 존재하지 않음. 특정궤도에 전자가 한 개 이상 (여러개 존재 가능) 여기 몇 개의 전자가 어떤식으로 들어가는지를 설명하는 것이 슈뢰딩거, 하이젠베르크가 만든 양자역학이다.

원자 번호가 2인 원자는 전자가 2개, 원자가 가지고 있는 전자의 양, 배치가 원자의 특성을 결정한다.

주기율표는 원자들을 차례대로 늘어놓음. 전자가 갖는 특별한 구조로 인해 특별한 형태로 원자를 배열시킴. 

주기율표에서 세로방향에 원자끼리는 성질이 비슷. 

원자가 어디에 위치해 있는지가 그 원자의 특성을 결정.

맨 왼쪽 원자들은 모두 알칼리 금속이라고 하여 물과 격렬하게 반응하고 다른 원자들과 잘 결합하는 금속, 맨 오른쪽 원자는 불활성기체라고 하여 다른 원자들과 거의 반응하지 않는 기체들을 형성. 중앙에는 금속들이 있음. 

주기율표라는 원자의 지도는 어디에 있는지가 원자의 특성을 결정하는 것임.

 

원자는 각각 다 자신만의 특성을 가짐.

하지만 원자만 가지고 세상을 이해할 수는 없음. 어떤 것이든 물질은 원자로 되어있음. 하지만 원자들이 어떻게 모이는 지도 알아야 함. 

어떻게 모이고 쪼개지는지 연구하는 분야를 화학이라고 함. 화학은 양자역학이 존재하기 전부터 있었던 학문임. 양자역학이 원자를 이해하게 해줌으로써 화학이 좀 더 원자를 자세하게 이해할 수 있게 함.

 

일반적인 원자들의 결합

대게 원자들은 두 개의 다른 원자들이 다가가면 한쪽이 다른 쪽보다 전자를 상대적으로 더 좋아하면 전자를 좋아하는 원소는 다른 원소로부터 전자를 가지고 올 수 있다. 

전자를 뺏긴 쪽은 +가 되고 얻은 쪽은 -가 됨. 

이렇게 이 둘 사이에 전기적 인력이 작용하여 결합하게 됨 이것이 보통 원자들이 결합할 때 벌어지는 일들이다.

 

공유결합

똑같은 수소 원자 둘에 대해서 어느 한쪽이 더 전자를 좋아한다고 표현할 수 없기 때문에 공유결합이라는 결합방식을 새로 만듦. 

수소 원자 두 개가 결합을 이룰 때, 이중슬릿에서 벌어졌던 일이 일어남. 

결합을 이룬 수소 분자(두 개의 원자가 결합)의 수소 원자의 각각의 전자는 양쪽의 수소 원자에 동시에 존재하게 된다. 

양쪽에 동시에 존재할 수 있게 된면 양쪽은 하나가 된 것이다. 이런 식으로 양자역학이 공유결합이라는 이해할 수 없었던 부분을 설명하게 해줌

 

분자결합

공유결합이 중요한 이유는 우리 몸을 이루고 있는 결합이기 때문에 중요함. 

우리 몸은 주로 탄소들의 공유결합이다. 

공유결합의 원리를 알아낸 폴링은 노벨 화학상 수상

 

혼성오비탈

오비탈 - 원자 안에 있는 정상상태를 표현하는 방식. 수소원자에는 오비탈들이 있고 특정한 오비탈에만 전자가 들어갈 수 있음. 오비탈들이 합쳐져서 하나의 새로운 오비탈을 만들기도 함. 

예를 들어 S오비탈은 수소원자의 구형모습을 갖는 오비탈, P오비탈은 아령모양의 오비탈(여기에 확률적으로 전자가 많이 존재한다는 의미) 이것이 합쳐지면 하나의 S오비탈과 3개의 P오비탈이 합쳐지면 4개의 오비탈이 SP3라는 혼성 오비탈을 현성. 그래서 탄소에는 4개의 팔이 나온다고 설명. 

다른 원자들과 4개의 결합을 이룰 수 있음. 바로 이 결합이 우리 몸을 이루고 있는 중요한 결합 공유결합(전자의 중첩상태)이 존재하지 않는다면 우리의 몸은 존재할 수 없다.

 

이와 같은 결합방식들로 세상에는 수없이 많은 형태의 원자들의 조립체들이 존재할 수 있다.

세상에 존재하는 여러 가지 원자들의 모임들, 특성에 따라 모아놓은 것. 결정이라고 부르는데 결정은 주기적으로 원자가 배치된 것. 순수한 결정은 주위에서 보기 힘들다. 우리 주위에 있는 것들은 결정들의 모임. 

많은 것들이 결정을 원자들이 모여서 특정한 구조물을 이루고 있고 이 구조물에 대해 오늘날 다 이해하고 있다. 이것들이 갖는 특수한 색깔, 구조 등은 모두 양자역학으로 이해할 수 있게 되었음

 

밴드 구조

결정이란 것은 단지 이것들이 모여서 만들어지는 공간상의 모습을 나타내는 것임. 이 결정들이 어떤 방식으로 전자가 에너지 구조를 형성하는지 더 중요함. 그것은 이 물질의 전기 특성을 결정함. 원자가 많이 모이면 밴드가 만들어진다. 이 밴드에서 전자가 어디까지 차있는지가 중요. 밴드에 전자가 들어갈 수 없는 부분들은 하얀색 갭이 존재함. 

밴드의 끝가지 채워서 갭을 남겨두는 물질을 부도체라고 함. 밴드가 겹쳐져 있는 경우 도체라고 함. 이와 같은 밴드도 모두 양자역학으로 설명가능

도체의 특성은 양쪽에 전기를 걸었을 때 전기가 통하는 물질. 

 

전기가 통하는 이유를 예전에는 그 안에 자유롭게 움직이는 전하가 있어서 통한다고 이해했음. 자유롭게 움직이는 전하는 전자를 의미함. 

자유전자의 상태란 것은 도체가 됐을 때의 전자는 도체 내를 이루고 있는 모든 원자들에 동시에 존재하는 것이다. 

이러한 식의 자유가 전자의 자유이다. 도체를 이루는 자유전자의 정체임. 

금속에 전류를 흘릴 때, 양자역학적으로 자유로운 전자가 움직이고 있다고 이해. 

이처럼 양자역학은 우리주위에 물질들이 어떻게 결합하는지 왜 그런 성질을 가지는지 모두 설명. 양자역학은 원자를 이해하고 원자는 만물을 이루고 있기 때문에 양자역학으로 만물을 모두 설명할 수 있다.

 

2. 생명 

이 그림은 생명체 조차도 어떤 작은 단위로 이뤄져 있다는 것을 표현한 그림이다.

실제 생명체는 원자보다 조금 큰 기본단위로 되어있음. 생명은 언제나 모두가 아닌 대부분이라는 말을 써야함. 

지구상의 대부분의 생명체는 세포로 되어있음. 

이것이 진핵세포의 모습

진핵세포는 여러 가지 소기관을 갖고 있다. 

이 소기관들이 각자 역할을 수행할 때 생명체가 잘 살아갈 수 있다.

3대 영양소 탄수화물 지방 단백질. 

탄수화물은 주로 에너지를 내는데 필요, 지방은 세포막을 이루는데, 세포 내부에서 여러 활동을 수행하는 것은 단백질. 

3대 영양소는 반드시 필요하고 모두 원자로 되어있다.

원자로 나타낸 도식

꺾인 선의 꼭짓점들은 다 탄소를 의미한다. 

대부분 탄소로 되어있다는 얘기(가장중요). 산소와 질소는 원자기호를 적어놓음. 수소는 보통 무시함. 써야할 때만 씀

우리의 몸을 이루고 있는 중요한 3대영양소 모두 탄소 질소 산소 수소 4가지 원자로 구성되어있음. 아래쪽 그림은 DNA(핵산)을 의미

 

탄소, 질소, 산소, 수소들은 과연 우연으로 이렇게 구성된 것인가 ?

태양계를 이루고 있는 원자의 조성을 나타냄 세로축이 로고스케일이라고하여 한 칸 당 10배씩 바뀜 3칸 차이는 1000배. 

원자번호가 커질수록 숫자가 작아짐. 태양계의 대부분은 수소. 

수소가 핵 융합반응- 헬륨. 태양계 대부분은 수소 헬륨일 수밖에 없음. 

하지만, 헬륨은 불활성기체이므로 다른 원자와 반응 안함. 생명의 물질이 될 수 없음. 

원자번호 3, 4, 5 번(리튬, 베릴륨, 보런)을 보면 별로 없음 방사능적으로 불안정함. 거의 없다고 할 수 있음. 그 다음 원자가 탄소 질소 산소가 나옴. 그래서 앞에서부터 4개 원자를 꼽아보면 수소,(헬륨 무시) 탄소, 질소, 산소임 정확히 4개의 원자가 우리 생명을 이루는 원자이다. 

우리 몸은 태양계에서 가장 많은 원자로 되어있다. 생명이 우연히 만들어 졌다는 중요한 증거라고 생각함.

지구 지각의 원자 조성 

지구의 지각을 보더라도 이 원자들 역시 대부분 다 중요하지 않음. 

지구의 지각은 산소, 실리콘, 알루미늄, 철 등이 중요한 원자. 

산소는 지각과 우리 몸에 사용되는 공통된 원자로 대단히 중요함. 

주변의 땅은 대부분 산소와 실리콘이 결합도니 규산염으로 되어있음. 

우리 몸은 탄소와 산소 이것들이 가장 중요한 원자 실제 오늘날 우리가 만드는 반도체도 땅에 가장 많이 있는 실리콘으로 만듦.

 

핵심은 생명을 이루는 물질은 신비한 원자가 아니라 태양계에 가장 널리 있는 원자들이라는 것. 

원자 수만 보면 우리 몸은 수소 산소 탄소 질소 순임. 

이 4개를 빼고나면 0.5%밖에 안남음. 

지구의 대기는 질소와 산소로 되어있고 약간의 이산화탄소. 이것 모두 생명의 물질 즉 생명의 물질은 놀라운 원자들이 아니다. 우리는 신비로운 원자로 이뤄진 것이 아니라는 것이 중요한 메시지. 

여러 가지 생명의 물질가운데 중요한 것은 단백질 몸에서 명령을 내리는 역할을 함. 무언가 몸에서 한다는 뜻은 단백질이 관여되어있음 단백질은 아미노산으로 이뤄져 있다. 

중요한 것은 아미노산역시 원자로 되어있다는 의미. 

C,H,O,N R부분에 붙는 원자들의 집단이 바뀌면 아미노산의 종류가 바뀐다. 지구상 생명체는 20개의 아미노산으로 되어있음. 

아미노산 모두가 모두 탄소 질소 수소 산소로 되어있음. 예를들어 트립토판이라는 아미노산 원자들이 수십개 모여서 이렇게 결합되어있으면 트립토판이라는 아미노산이 됨.

 

이러한 아미노산이 하나씩 모이면 펩타이드 결합을 함. 원자와 원자의 결합은 공유결합을 하거나 전자기적인 결합 외에 물리적으로 가능한 것이 없다. 그렇기 때문에 아미노산은 1차원 끈형태로 연결됨. 대부분의 단백질은 특별한 구조를 형성함.

알파 나선구조형태로 나선 형태로 실을 꼬아놓은 형태, 베타, 간마 구조도 있지만 알파 나선구조가 가장 중요. 리본모양과 같은 복잡한 구조물이 하나의 단백질이 된다. 이러한 단백질 하나가 특정한 생명체 내부에서 역할을 수행.

 

우리는 음식물을 통해서 에너지를 얻음. 식물들은 태양광을 통해 에너지를 얻음. 동물과 식물 모두 에너지를 얻는데 다른 방식으로 에너지를 얻음. 식물은 공기 중의 이산화탄소를 받아서 물을 이용해 빛과 재조합함.

화학식의 왼쪽에 이산화탄소와 물이있음. 이 둘이 결합하기 위해서 광합성이라는 화학반응(엽록체)을 통해 빛을 받아 당으로 바꿈. 이 당(글루코스)이 바로 우리의 에너지원. 부산물로 산소가 나옴. 이 반응이 정확히 반대로 일어날 때 또 에너지가 나옴. 그렇게 에너지를 얻는 것이 동물임. 글루코스를 음식을 통해서 얻고 호흡을 통해 산소를 마시면 산소와 글루코스가 반응하여 산화(연소)반응이라고 함. 그렇게 에너지를 얻음. 부산물로 이산화탄소와 물이 나옴. 몸에는 물이 노폐물로 쌓이고 코로 이산화탄소가 나감. 즉 생명 수준에서 일어나는 일들은 모두 원자로 이해할 수 있다.

 

그런데 단백질을 만드는 경우의 수는 너무 많은데, 특별한 방식으로 아미노산을 늘어세워야 단백질을 만들 수 있다. 단백질을 만드는 지도가 바로 DNA이다. 

DNA안에는 단백질을 만드는 정보가 들어있는데 DNA 이중나선 구조 안에 A,C,T,G라는 4종류의 염기가 3개가 하나의 쌍이 돼서 아미노산 한 개의 정보를 담고 있음. 

그래서 우리 몸이 우리가 고양이와 다른 이유는 DNA의 염기의 정보가 다르기 때문. 만들어내는 단백질의 종류가 다르기도 하기 때문.

 

DNA를 이루는 염기, 단백질을 만드는 정보들도 모두 원자로 되어있음. 

RNA는 DNA에서 산소 한 개가 더 많은 것 밖에 차이가 없다. 

RNA는 단일 나선으로 되어있다. 산소가 하나 더 많으면 이중나선을 이룰 수 없다.

DNA는 우리 몸을 만드는 정보를 다 갖고 있음. 이것들은 세포 핵 안속(금고)에 고이 간직해둠. 거기서 우리가 DNA의 정보를 똑같이 갖고 있는 RNA를 핵 밖으로 뽑아냄(복사). 밖으로 나온 RNA는 RNA의 정보를 가지고 아미노산을 붙여서 단백질을 만드는 장치(리보솜)와 결합. 리보솜도 원자로 이뤄져 있음. 리보솜에서 하나씩 아미노산을 결합하여 단백질을 만듦. 이렇게 만들어진 단백질이 우리 몸의 모든 활동들을 지배한다.

생명은 원자로 되어있는 생화학 기계와 같아 보임. 이와 같이 기계처럼 양자역학으로 원자의 세계에서 생명체가 작동하기 때문에 이것을 조작하고 새로운 생명체를 만들 수 있는 것임

 

3. 우주

우주를 이해하는 다양한 방식이 존재한다.

슈뢰딩거 고양이 문제로부터 우주에 대한 또 다른 이해방식이 나올 수 있음. 원칙적으로 고양이도 동시에 살아있고 죽어있을 수 있다. 이렇게 하려면 고양이조차도 양자역학적으로 결어긋남이 일어나지 않는 중첩상태를 이루고 있어야함.

우주는 중첩된 상태를 허용하지만 우리가 보는 것은 둘 중의 하나만 보게 된다.

 

양자역학의 코펜하겐해석에서 가장 마음이 아픈 부분은 여기이다.

그림에서 보는 것처럼 고양이는 중첩상태에 존재할 수 있게 됨. 고양이가 현재 살아있고 죽어있는 상태는 각각 독극물이 깨져있거나 깨져있지 않은 상태와 연결되어있음 이것은 양자역학적인 상태에 따라 다름. 관측 결과 고양이가 죽어있다면, 상태는 바뀐다. 측정이 대상을 바꾸기 때문에 고양이가 살아있는 상태는 더 이상 존재하지 않게 지우고 죽어있는 상태만 남겨 놓음 이 과정을 파동함수의 붕괴라고 함. 제 3자의 관측에서 보면 슈뢰딩거 고양이의 프레임에 한 부속품으로 즐거워하고 슬퍼하는 나도 존재할 수 있다.

 

두 관측자가 맞다면, 결론은 우주가 두 개가 된다. 이런 것을 다세계 해석이라고 부름. 

평행 우주의 한 종류임. 우주가 중첩상태에서 하나로 귀착되고 하나가 지워지는해석(코펜하겐해석)이 아니라. 

끊임없이 우주는 중첩상태에서 나눠지고만 있고 나는 그 중에 하나에 살 뿐이라는 것이다.

내가보는 우주가 우주의 전부가 아니라는 것이다. 이러한 평행우주이론은 양자역학이 이야기해주는 우주에 대한 한 가지 중요한 이론 중 하나이다. 

평행우주는 양자역학에서 나올 뿐 아니라 우주론의 여러 가지 이유 때문에 나온다. 

그 가운데 하나가 바로 다세계해석 양자역학에서 나오는 평행우주이다.

 

원자 간섭계

이중슬릿실험을 원자로 실험할 수 있는데, 원자에 빛을 통과시킬 때 빛이 원자를 쪼갤 수 있다. 원자 한 개를 둘로 쪼개는 것이 아니라 날아오는 원자를 어떤 때는 오른쪽, 어떤 때는 왼쪽으로 보낸다는 의미이다. 이는 두 개의 구멍을 만든 것과 동일한 효과를 줌. 이를 원자 간섭계라고 함. 이를 이용해서 간섭무늬를 만들 수 있음. 이중슬릿을 단지 빛으로된 원자 간섭계로 만든 것 뿐임. 이 상태에서 측정을 하면 간섭무늬가 사라진다. 측정이 대상에 영향을 주기 때문. 빛은 입자이기 때문에 원자에 충격을 준다. 이 충격으로 원자가 흔들려서 간섭무늬를 없앰.

 

내부상태에 의한 측정

충격을 주더라도 충격이 충분이 쎄지 않았으면 원자가 흔들리지 않으면 간섭무늬는 나온다. 그때의 상황은 측정은 했지만 어느 구멍을 지났는지 정보는 모름. 원자의 위치를 측정을 하지만 원자에 거의 영향을 주지 않고 측정하면 간섭무늬는 나온다고 예상할 수 있다. 하지만 오른쪽인지 왼쪽인지 어느 곳을 지났는지 지나는 정보를 알 수 있는 경우 (원자에 충격없이, 진행과는 상관없음). 충격은 주지 않았지만 왼쪽인지 오른쪽인지 알게되었으니 간섭무늬가 사라진다고 생각할 수 있다.

실험의 결과는 간섭무늬가 없다. 측정이라는 것은 우리의 생각과는 달리 빛이 날아와 교란을 주긴하지만 교란이 중요한 것이 아니라 교란을 통해 얻어낸 정보가 중요하다. 즉 교란하지 않고 정보를 얻어 낼 수 있으면 간섭무늬는 사라진다. 즉 우주는 정보를 더 중요하게 생각한다는 것이다.

 

지연된 선택

이중슬릿실험인데 들어온 입자가 아래위로 갈라지고 다시 만나면 간섭무늬가 나온다. 

갈라놓고 다시 합쳐질 때 잘 합치지 않으면 간섭무늬가 나오지 않는다. 

점선에 무언가를 놓아야 합쳐지고 놓지 않으면 합쳐지지 않음. 

나누어 질 때 동시에 양쪽을 갔을지 한쪽으로 갔을지 그 결정을 언제 해야하는가? 

두 개의 구멍을 지날 때 두 가지 방식으로 지날 수 있음 동시에 또는 한쪽만 지날 수 있는데 이결정은 지나갈 때, 쪼개질 때 내려야함. 

하지만 이 실험이 얘기하는 것은 쪼개지고 한참이 지난 다음에 점선 부분에 놓을지 안 놓을지 뒤에 결정할 수 있는데 그 결정에 따라 결과가 달라진다는 것이다. 

간섭계가 우주만할 때 그렇다. 은하를 출발한 빛은 쪼개질 때 결정되지 않아도 괜찮음. 

이것이 지구에 도달할 때 이것을 합쳐서 볼지 보지 않을지에 따라 간섭무늬가 없어지거나 생김 이를 지연된 선택이라고 한다. 

하나의 입자가 두 경로로 쪼개질지 안쪼개질지는 두 개의 구멍을 지날 때 결정하는 것이 아니라 우리가 정보가 무엇일지 물을 때 결정이 된다는 것이다. 

양자역학에서 가장 중요한 것은 정보라는 것임. 여기서 정보 우주라는 개념이 나옴. 

우주는 하나의 정보체계, 정보를 만들어내는 컴퓨터일지도 모른다는 이야기 .

 

4. 철학

서양 철학의 가장 오래된 질문 - 세상 만물은 무엇으로 되어 있는 가

4원소설 - 엠페도클레스

물질의 본질에 대한 다른 철학 - 데모크리토스, 에피쿠로스

데모크리토스 - 원자론 주장, 이 우주는 텅빈공간에 날아다니는 원자들로 되어있고 이 원자들이 모여서 만물이 된다고 주장. 이 원자들은 쪼개지지 않고 없어지지 않는 영원불멸. 이것들이 끊임없이 붙었다 떨어졌다하는 것이 세상이다. 오늘날 과학자들이 이해하고 있는 우주의 모습과 대단히 유사하지만 실험적 증거가 있지는 않다.

에피쿠로스 - 인간의 도덕에까지 원자론을 적용함, 따라서 이 세상은 아무 의미도 없다. 신도 없고 오로지 원자들의 결합과 분열만 있을 뿐, 그냥 쾌락만 추구하고 살면 된다. 방탕한 쾌락은 아님.

 

루크레티우스(사물의 본성에 대하여)- 로마시대 철학자가 쓴 책

원자론을 시의 형태로 쓴 책이다. 이 책은 르네상스시대에 발굴이 돼 르네상스를 꽃피우는데 아주 중요한 역할을 한다.

이 철학에 따르면 신을 부정, 대상의 가치 목적 등을 부정하기 때문에 중세 신학이 지배하는 시대에 아주 위험한 사상이었다.

 

하지만 지금까지 이야기한 원자는 오늘날 원자와 다르다.

오늘날의 원자는 구조를 갖고 있음. 모든 물질을 설명하는데 가장 기본이 되는 입자라는 사실이 옳았음.

 

코펜하겐 해석에선 철학에서 이야기하는 실재성과 관련된 중요한 질문을 던진다.

이중슬릿을 지나는 전자를 눈으로 보면서 실험하면 두 개의 줄만 나온다. 측정이 대상을 바꾸었기 때문.

보지 않을 때만 여러 개의 줄무늬 간섭무늬가 나온다. 이와 같이 대상을 본다는 행위가 대상에 영향을 준다.

내가 봐야지만 존재하는 것이 실재한다고 할 수 있는 것인가? 

실재는 reality라고 함. 양자역학은 마치 관념론 같아 보인다.

관념론 - 우리의 생각이 존재하는 것이 물체가 실재하는 것은 아니다.

빨간공과 파란공이 있는 상황

양자역학적 설명에 따르면 공 하나를 가지고 수 광년 떨어진 곳에 가서 확인하는 순간 그것이 빨간공이면 동시에 기존의 공은 파란공이 되어야 한다. 

그러나 이는 상대성이론을 위반한다. 상대성 이론은 어떤 정보든 빛의 속도보다 빠른 속도로 갈 수 없다고 이야기 함. 

이 공을 가지고 수광년 떨어진 곳에 갔으면 그 공이 빨간공이라는 정보가 수년이 지나야 도달할 것이다.

그 전까지는 여전히 결정이 안되어 있어야 한다는 모순

 

양자 얽힘

이 상황을 양자역학적으로 써보면 위의 식과 같다. 

이 두 개의 사건이 중첩(동시에 존재)해야 한다. 

두 사건 가운데 하나가 결정되는 것이 양자역학이다. 

하나가 결정되는 것이 문제는 a와 b두 사람이 멀리 떨어져 있다면 하나가 결정되면서 동시에 결정된다면 물리학 법칙에 위배됨. 

이렇게 양자역학적으로 얽힌 상황을 양자얽힘이라고 부른다.

 

벨의 실험

벨 이라는 사람은 괴상한 이 상황을 EPR역설이라고 한다. 이 상황을 물리적으로 설명할 수 있는 실험을 제안. 벨의 실험 두 가지를 가정한다. 이 세상에는 국소성과 실재성이라는 두 가지 성질이 존재한다고 가정.

 

국소성 - 빛보다 빠른 통신은 없다는 특수 상대성이론의 가정

실재성 - 내가 대상을 보기 전에 대상의 성질이 미리 결정되어 있었다. 그래야 그 대상이 실재한다.

예를들어 눈을 뜨기전에 물체가 있었기 때문에 보게되면 이것을 실제로 존재한 것, 눈을 뜨기 전에 존재하는지 모르다가 눈을 떴기 때문에 존재하게 된다면 실재하지 않는다는 것.

즉 여기서 실재성은 측정과 무관하게 존재하는 성질.

저 두 가지 가정을 했을 때, 한 가지 부등식을 반드시 만족해야한다.

이 사실은 실재성과 국소성을 가정했을 때 나오는 이야기이다.

하지만 양자역학적인 상황에서는 그 부등식을 깰 수 있다는 의미.

이 부등식은 절대로 2를 넘을 수 없다. 하지만 양자역학으로 이것을 풀면 양자얽힘 상태를 푼다는 뜻인데, 부등식 값을 계산해보면 그 값이 2를 넘게 된다.

2.8정도 양자역학에서는 A에 대한 측정이 상태를 바꾼다. 

A가 1이라는 것을 아는 순간 B의 상태가 바뀌기 때문에 1을 넘을 수 있다.

 

실험을 통해 우주가 2를 넘을 수 있는지 확인

가장 첫 실험 - 알랭 아스페 실험

알랭 아스페가 실험을 했더니 결과는 2를 넘었다.

논리적으로 두 가정 중 한 가지만 틀려도 된다.

즉 실재성을 갖고 있지 않음

 

최근 실험

Loophole-free (결점이 없는) 이 실험에 대한 반론이 없으니 벨 실험에 대한 것들은 완전히 입증되었다고 볼 수 있다.

즉 철학적으로 우주에는 실재가 없다.

양자역학적으로 물체는 측정 전에 물체는 존재하지 않았다고 할 수 있다.

5. 요약

1 물질

세상의 만물은 다 원자로 되어있다. 몸을 이루는 원자와 바닥을 이루는 원자는 같다. 태양의 수소나 지구의 수소는 똑같다. 주기율표를 다 이해할 수 있게 해준 것이 양자역학. 주기율표는 양자역학 전부터 있었음. 원자들이 결합하는 방식에는 이온결합. 상대방 원자의 전자를 일부 가져옴으로써 둘 사이에 전자기력이 생겨서 결합하는 흔한 결합. 공유결합. 여러 곳의 양자상태의 전자가 동시에 존재하는 것. 중첩을 반드시 이해해야한다. 사람 몸을 이루고 있는 결합이 대부분 공유결합이라 중요하다. 이렇게 만들어진 물질은 굉장히 다양한 특성을 가지고 있다. 그중 가장 큰 관심을 받은 것은 전기 특성이다. 전기특성에선 도체와 부도체 두 물질이 있다. 도체는 그 안에 자유롭게 움직이는 전자가 있는데 이를 양자역학적으로 도체를 이루고 있는 모든 원자에 중첩상태로 동시에 존재하는 것이다. 이것이 금속을 통해 전기가 흐를 때의 전자의 모습니다.

 

2 생명

우리 몸을 이루는 생명 또한 원자로 되어있다. 생화학은 생명을 이루는 원자들이 주로 보여주는 화학반응. 인간은 일종의 생화학기계라고 할 수 있다. 생명을 이루는 가장 중요한 물질. 탄수화물 지방 단백질 핵산. 단백질은 우리 몸의 모든 화학반응을 일으키는 스위치 역할을 함. 단백질은 결국 원자들의 집합인데, 아미노산이라는 작은 단위의 집합. 아미노산은 원자 20개정도의 원자들의 집단. 생명조차도 원자로 되어있다. 단백질을 만드는 방법은 세포에 들어있는 DNA에 그 정보가 들어있음. DNA조차도 원자로 되어있음. DNA의 염기에 생명의 정보가 들어있는데 염기도 탄소 질소 산소로 되어있는 결합에 불과함. 그것들이 모여서 정보를 갖고 있는데 그 정보가 DNA에 담겨있고 DNA의 정보를 RNA로 바꿔서 RNA를 통해 정보를 이용해서 단백질을 만드는 것이 가장 중요한 생화학 과정임 모든 세포라는 표현은 하면 안된다. 대부분의 세포라고 해야함. 생물학의 중심원리 - 대부분의 세포는 세포핵을 갖고 있고 그 안에 DNA가 있고 DNA정보로 필요한 단백질을 만듦

리보솜(단백질) - RNA의 정보를 이용해 단백질을 만드는 공장 같음

 

3 우주

새로운 이해방식 제시. 빅뱅이론을 대체하는 것은 아니다. 우주의 속성에 대한 여러 가지 이야기가 가능. 양자역학은 우주의 속성에 대한 새로운 관점 제시. 평행우주관점과 정보우주관점. 두 관점은 완벽한 실험적 증거가 없음. 평행우주에서는 양자역학의 중첩 상태로 우주가 계속해서 나눠지면서 여러 개의 우주가 존재한다. 우리는 그 중 하나에 속함.

정보우주는 양자역학에서는 측정이 중요하다. 모든 것이 결정되어 있지 않다가 측정하는 순간 결정이 됨. 즉 양자역학은 측정과 결과 (질문 과 답)으로만 이루어져 있음. 여기서 핵심은 주고받는 정보임. 그래서 우리가 우주에서 가장 중요한 정보만이 아닐까 하는 생각이 정보우주론이라고 부름. 우주가 컴퓨터 프로그램일지도 모른다는 것

 

4 철학

실재란 무엇인가? 실재가 존재하는지에 양자역학은 끊임없이 질문함. 아인슈타인이 이야기했던 실재라는 것은 측정하기 전에 무언가 존재하는 것이다. 이를 양자역학은 거부한다. 실험적으로 입증됨. 벨의 실험에 따라 오늘날 물리학자는 우주가 실재한다는 것에 의구심을 갖고 있음. 실재. 측정하지 않고도 무언가 존재한다는 그런 종류의 실재는 우주가 받아들이지 않는다. 벨 실험을 통해 기각. 중첩상태라는 것이 존재할 수 있고 측정이 상태를 바꿀 수 있다.