장7 [제4장 불확정성의 원리]

과학 이론의 성공, 특히 뉴턴의 중력 이론은 19세기 초에 프랑스 과학자 라플라스 후작으로 하여금 우주는 완전히 결정되어 있다고 주장하게 했습니다.그는 우리가 특정 순간에 우주의 상태를 완전히 알고 있는 한 우주에서 일어날 모든 사건을 예측하는 데 사용할 수 있는 일련의 과학적 법칙이 있다고 믿었습니다.예를 들어, 우리가 한때 태양과 행성의 위치와 속도를 알고 있다고 가정하면, 다른 시간의 태양계 상태는 뉴턴의 법칙으로 계산할 수 있습니다.이 경우의 숙명론은 명백하지만 Laplace는 더 나아가 인간 행동을 포함하여 다른 모든 것을 유사하게 지배하는 특정 법칙이 있다고 가정합니다.

많은 사람들은 세상에 개입할 수 있는 신의 자유를 침해한다고 느끼는 과학적 결정론의 가르침에 격렬하게 저항합니다.그러나 20세기 초까지 이 생각은 과학의 표준 가정으로 여겨졌다.이러한 믿음을 버려야 한다는 첫 징후 중 하나는 영국 과학자 레일리 경과 제임스 W.Kings 경의 계산에 따르면 별과 같은 뜨거운 물체는 무한한 속도로 에너지를 방출해야 합니다.당시 우리가 믿었던 법칙에 따르면 뜨거운 물체는 모든 주파수에서 동등하게 전자파(예: 전파, 가시광선 또는 X선)를 방출해야 합니다.예를 들어, 뜨거운 물체는 1조에서 2조 헤르츠 사이의 주파수와 2조에서 3조 헤르츠 사이의 주파수에서 동일한 에너지의 파동을 방출합니다.그리고 파동 스펙트럼이 무한하기 때문에 방사되는 총 에너지가 무한해야 함을 의미합니다.

이 명백한 불합리한 결과를 피하기 위해 독일 과학자 Max.플랑크는 1900년에 광파, X선 및 기타 파동은 임의의 속도로 방사될 수 없지만 양자라는 특정 형태로 방출되어야 한다고 제안했습니다.그리고 각 양자는 일정한 에너지를 가지고 있으며 파동의 주파수가 높을수록 에너지가 커집니다.따라서 충분히 높은 주파수에서 개별 양자를 방사하려면 사용 가능한 것보다 더 많은 에너지가 필요합니다.따라서 고주파에서는 복사가 감소하고 물체가 에너지를 잃는 속도가 제한됩니다. 양자 가설은 관측된 뜨거운 물체의 방사율을 매우 잘 설명할 수 있지만 1926년이 되어서야 또 다른 독일 과학자 Werner가결정론에 대한 그 의미는 하이젠베르크가 그의 유명한 불확정성 원리를 공식화한 후에야 실현되었습니다.입자의 미래 위치와 속도를 예측하기 위해서는 입자의 현재 위치와 속도를 정확하게 측정할 수 있어야 합니다.분명한 방법은 입자에 빛을 비추는 것이며, 광파의 일부는 입자에 의해 산란되어 입자의 위치를 ​​나타냅니다.그러나 빛의 두 피크 사이의 거리보다 작은 정도로 입자의 위치를 ​​파악하는 것은 불가능하므로 입자의 위치를 ​​측정하기 위해서는 단파장 빛을 이용해야 한다.이제 플랑크의 양자 가정에 따르면 임의로 적은 양의 빛, 적어도 하나의 빛 양자를 사용할 수 없습니다.이 양자는 입자를 방해하고 예기치 않은 방식으로 속도를 변경합니다.또한 위치를 더 정확하게 측정할 수 있을수록 필요한 파장이 더 짧아지고 개별 양자가 더 활성화되어 입자의 속도가 더 많이 교란됩니다.즉, 입자의 위치를 ​​더 정확하게 측정할수록 입자의 속도를 덜 정확하게 측정할 수 있으며 그 반대도 마찬가지입니다.하이젠베르크는 입자 위치의 불확실성에 입자 질량을 곱한 속도의 불확실성이 일정량 플랑크 상수보다 작을 수 없다고 지적했습니다.또한 이 한계는 입자의 위치와 속도를 측정하는 방법이나 입자의 종류에 따라 달라지지 않습니다.하이젠베르크의 불확정성 원리는 세상의 근본적이고 피할 수 없는 속성입니다.

불확정성 원리는 우리의 세계관에 매우 심오한 영향을 미칩니다.50년이 지난 후에도 많은 철학자들이 그것을 높이 평가하지 않았고 여전히 많은 논란의 대상으로 남아 있습니다.불확정성 원리는 우주의 완전히 결정론적인 모델인 과학 이론에 대한 라플라스의 꿈을 종식시켰습니다.우리는 여전히 우주의 현재 상태를 방해하지 않고 관찰할 수 있는 초자연적인 존재에 대해 사건을 완전히 결정하는 일련의 법칙이 존재한다고 상상할 수 있습니다.그러나 그러한 우주 모델은 필멸의 우리에게 그다지 관심이 없습니다.관찰할 수 없는 이론의 모든 특징을 잘라내는 오컴의 면도날로 알려진 경제 원리를 채택하는 것이 더 나을 것 같습니다.1920년대.불확정성 원리에 기초하여, Heisenberg, Erwin.슈뢰딩거와 폴.Dirac은 이 접근 방식을 사용하여 역학을 양자 역학이라는 새로운 이론으로 재공식화했습니다.이 이론에서 입자는 더 이상 동시에 관찰할 수 있는 별개의 잘 정의된 위치와 속도를 갖지 않고 대신 위치와 속도의 조합인 양자 상태를 갖습니다.

일반적으로 양자역학은 관찰에 대한 하나의 명확한 결과를 예측하지 않습니다.대신, 다양한 가능한 결과 세트를 예측하고 각 결과의 확률을 알려줍니다.즉, 많은 수의 유사한 시스템에서 동일한 측정을 수행하고 각각 동일한 방식으로 시작하면 측정 결과가 A에 대해 특정 횟수, B에 대해 다른 횟수임을 알 수 있습니다. 등 기다려.결과는 A 또는 B 발생 횟수의 근사치로 예측할 수 있지만 개별 측정의 특정 결과는 아닙니다.따라서 양자역학은 피할 수 없는 예측 불가능성 또는 우발성을 과학에 도입합니다.아인슈타인은 이러한 아이디어를 개발하는 데 많은 관련이 있었지만 매우 격렬하게 반대했습니다.그는 양자 이론에 기여한 공로로 노벨상을 받았습니다.그럼에도 불구하고 그는 우주가 우연에 의해 지배된다는 생각을 결코 받아들이지 않았으며, 그의 감정은 신이 주사위 놀이를 하지 않는다는 그의 유명한 주장으로 표현될 수 있습니다.그러나 대부분의 다른 과학자들은 양자역학이 실험에 완벽하게 들어맞기 때문에 기꺼이 받아들입니다.그것은 참으로 매우 성공적인 이론이 되었으며 거의 ​​모든 현대 과학과 기술의 기초가 되었습니다.텔레비전 및 컴퓨터와 같은 전자 장치의 기본 구성 요소인 트랜지스터 및 집적 회로의 동작을 제어합니다.현대 화학과 생물학의 기초이기도 하다.물리학에서 양자역학이 허용되지 않은 유일한 영역은 중력과 우주의 대규모 구조입니다.

매우 놀랍게도 광원을 특정 속도(해당 파동이 동일한 파장을 가짐을 의미함)를 갖는 전자 빔과 같은 입자 소스로 대체하면 정확히 동일한 유형의 줄무늬를 얻을 수 있습니다.이것은 슬릿이 하나만 있으면 줄무늬가 없고 화면을 통해 전자가 고르게 분포되기 때문에 더욱 이상합니다.따라서 다른 슬릿을 열면 화면의 각 지점에 부딪히는 전자의 수가 단순히 증가할 것이라고 생각할 수 있습니다.그러나 실제로는 간섭으로 인해 일부 장소에서 감소되었습니다.한 번에 하나의 전자만 슬릿을 통해 보내진다면 각 전자가 슬릿 중 하나만 통과할 것이라고 생각할 것입니다.그러나 전자가 하나씩 방출되더라도 줄무늬는 여전히 나타나므로 각 전자는 동시에 두 슬릿을 통과해야 합니다!

입자 사이의 간섭 현상은 우리와 우리 주변의 모든 것을 구성하는 화학과 생물학의 구성 요소인 원자의 구조를 이해하는 데 핵심적입니다.20세기 초에 원자와 행성은 전자(음전하를 띤 입자)가 양전하를 띤 중심 핵 주위를 도는 태양과 유사하게 궤도를 돌고 있다고 생각되었습니다.양전하와 음전하 사이의 인력은 행성과 태양 사이의 중력이 행성을 궤도에 유지하는 것처럼 전자를 궤도에 유지하는 것으로 생각됩니다.문제는 양자역학 이전에는 전자가 에너지를 잃고 나선형 궤도를 그리며 떨어지다가 결국 핵에 부딪힐 것이라고 역학과 전기의 법칙이 예측했다는 점이다.이것은 원자(그리고 실제로 모든 물질)가 매우 빠르게 압축된 상태로 붕괴된다는 것을 암시합니다.덴마크 과학자 닐스.1913년 보어는 이 문제에 대한 부분적인 해결책을 찾았습니다.그는 아마도 전자가 중심 핵에서 임의로 멀어지는 것이 허용될 수 없으며, 특정 거리에서만 궤도를 돌도록 허용할 것이라고 생각했습니다.이러한 거리 중 어느 하나에서 하나 또는 두 개의 전자만 궤도를 돌 수 있다고 가정하면 원자 붕괴 문제가 해결됩니다.전자는 최소 거리와 최소 에너지로 채워진 궤도를 제외하고는 핵에 더 가까워지기 위해 더 이상의 나선 운동을 할 수 없기 때문입니다.

이 모델은 가장 단순한 원자인 수소 원자에 대해 꽤 좋은 설명을 제공합니다. 수소 핵 주위를 도는 전자는 단 하나뿐입니다.그러나 이것을 더 복잡한 원자로 일반화하는 방법은 불분명합니다.또한, 허용 가능한 오비탈의 유한한 집합에 대한 아이디어는 매우 자의적으로 보입니다.양자 역학의 새로운 이론은 이 어려움을 해결합니다.핵 주위를 이동하는 전하는 파장이 속도에 의존하는 파동으로 간주될 수 있음이 밝혀졌습니다.주어진 오비탈의 경우 오비탈의 길이는 전자 파장의 정수배(소수가 아닌)에 해당합니다.이러한 궤도의 경우 파동 마루는 매 턴마다 항상 같은 위치에 있으므로 파동이 서로 중첩됩니다. 이러한 궤도는 Bohr의 허용 궤도에 해당합니다.그러나 길이가 파장의 정수배가 아닌 오비탈의 경우 전자가 이동함에 따라 각 마루는 결국 골에 의해 상쇄됩니다. 이러한 오비탈은 허용되지 않습니다.

미국 과학자 리차드.파인만(Feynman)이 도입한 소위 역사에 대한 합(즉, 경로 적분)은 파동-입자 이중성을 잘 보여줍니다.이 접근법에서 입자는 고전적, 즉 비 양자 이론에서와 같이 시공간에서 하나의 역사 또는 하나의 궤적을 가지지 않고 A에서 B까지 가능한 모든 궤적을 취하는 것으로 간주됩니다.각 궤도에 해당하는 한 쌍의 숫자가 있습니다: 한 숫자는 파동의 진폭을 나타내고 다른 숫자는 주기적인 주기의 위치(즉, 위상)를 나타냅니다.A에서 B로 갈 확률은 모든 궤도의 파동의 합입니다.일반적으로 인접한 궤도군을 비교하면 주기적 주기의 위상이나 위치가 상당히 달라집니다.이것은 이러한 궤도에 해당하는 파동이 거의 모두 서로 상쇄됨을 시사합니다.그러나 일부 인접한 궤도 모음의 경우 궤도 사이의 위상이 크게 변하지 않으며 이러한 궤도의 파동이 상쇄되지 않습니다.이러한 종류의 궤도는 Bohr의 허용 궤도에 해당합니다.

구체적인 수학적 형태로 이러한 아이디어를 사용하면 더 복잡한 원자와 심지어 분자의 허용 궤도를 계산하는 것이 상대적으로 간단합니다.분자는 하나 이상의 핵 주위를 움직이는 궤도 전자에 의해 함께 묶인 여러 원자로 구성됩니다.분자의 구조와 분자 사이의 반응이 화학과 생물학의 기초를 형성하기 때문에 양자역학은 원칙적으로 불확정성 원리에 따라 우리를 둘러싼 거의 모든 것을 예측할 수 있게 해줍니다. (그러나 실제로는 약간 더 많은 전자를 포함하는 시스템에 필요한 계산이 너무 복잡해서 우리가 할 수 없습니다.) 아인슈타인의 일반상대성이론은 우주의 대규모 구조를 구속하는 것 같고, 다른 이론과 일관성을 갖기 위해서는 반드시 고려해야 하는 양자역학의 불확정성 원리를 고려하지 않기 때문에 고전이론이라고 할 수밖에 없다. 이론.이 이론은 우리가 일반적으로 경험하는 중력장이 매우 약하기 때문에 관측치로부터의 편차로 이어지지 않습니다.그러나 앞에서 논의한 특이점 정리는 블랙홀과 빅뱅의 적어도 두 가지 경우에 중력장이 매우 강해진다고 말합니다.이러한 강한 분야에서 양자 역학 효과는 매우 중요합니다.따라서 고전적(즉, 비양자) 역학이 원자가 몰락과 마찬가지로 무한 밀도로 붕괴되어야 한다는 것을 암시함으로써 자신을 예측하는 것처럼, 어떤 의미에서 고전적인 일반 상대성 이론은 무한한 밀도의 지점을 예측함으로써 자신의 몰락을 예측합니다.일반상대성이론과 양자역학을 통합하는 완전하고 조정된 이론은 아직 없지만 그러한 이론이 가져야 할 여러 가지 특징은 알고 있습니다.다음 장에서는 블랙홀과 빅뱅의 양자 중력 효과에 대해 설명합니다.그러나 지금은 자연의 다른 힘에 대한 이해를 하나의 통일된 양자 이론으로 통합하려는 인간의 최근 많은 시도를 살펴보겠습니다.