양자역학토론

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1. 유리에 쏟아지는 빛은 양자역학의 좋은 예시인가?

1.1.

(P.A.M. Dirac 아자씨가 Principles of Quantum Mechanics에서 살짝 보인걸 R. Feynman아자씨가 확장한거죠. 양자론적으로 입자가 어디로 갈지 모른다 라는 관점에서 가능한 모든경로로 갈 수 있되 각각의 경로에 대한 보상(?), 다시말해서 더 쉬운경로가 있는 반면 좀 더 애크로배틱한(?) 경로도 있으니 고전적으론 액션이란 양으로 가중치를 둬서 다 더하면(서로서로 간섭해서 보강이던지 상쇠던지함.) "인 프린스플"(아시다시피 이런소리 나옴 실제적인 계산은 거의 불가능하단 소리임.) 입자가 한점에서 다른 점으로 이동하는 확률을 계산할 수 있다.--ohdh2003)

?? 빛이 유리에서 반사되는 것은 보통 양자역학적으로 설명하지 않습니다. 원래 파동의 성질이 매질의 변화가 있을 때 반사파가 생겨납니다. 하다못해 수조에 담아 놓은 물의 진동도 그렇고, 스프링의 진동에서도 그렇습니다. 양자역학적 현상은 우리 눈으로 관찰할 수 없습니다. 위의 예는 고전역학적으로 얼마든지 잘 설명됩니다.

위의 예는 양자역학을 통해 빛의 파동성과 입자성이 서로 상충하지 않는다는 것을 보여주는 예입니다. 즉, 빛이 입자다, 파동이다, 어느 한쪽만을 선택하게 되면 다른 한쪽의 성질을 설명할 수 없는데, 양자역학을 통해 입자인 빛이 파동성을 동시에 띄는 것이 당연하다는 것을 보여주는 것입니다. 교과서를 다시 잘 읽어보시기 바랍니다. --Aragorn

'빛이 유리에서 반사되는 것은 보통 양자역학적으로 설명하지 않습니다' 정도는 교과서를 더 읽지 않아도 잘 알고 있습니다마는... RichardFeynman이 독특하게도 그렇게 설명한 것입니다. RichardFeynman은 심지어는 거울에서 빛이 반사하는 경로마저도 양자역학적으로 설명합니다. 일반적인 사람들의 시각을 뛰어넘어서 RichardFeynman 의 독특한 시각을 소개한 것입니다.

p.s. 그리고 양자역학 이 곧 슈레딩거 파동방정식을 푸는 파동역학이 아닙니까? 저희 학교 교수의 말입니다. --musiki

뭔가 많이 오해하고 있군요. 양자역학이 파동방정식을 푸는 파동역학 아니냐고 묻는다면 잘못된 겁니다. 양자역학의 가장 큰 특징은 양자화된 물리량이 나타난다는 것입니다. --Aragorn

슈레딩거 파동방정식을 풀면 양자화된 물리량이 나타납니다. 그리고 저도 권위에의 호소를 남발하는 편은 아닙니다마는 님께서는 권위에의 완벽한 무시를 보여주시는군요. 완벽한 무지거나. --musiki
고전역학에서는 양자화된 물리량이 나타나지 않습니다. 이름에서부터 양자역학, Quantum Physics입니다. --Aragorn

오래전에 일어난 토론인 것 같은데, 몇가지 첨언하고 싶어서 양자적인 물리량은 파동방정식을 풀어서 해결할 수 있는 수준의 문제는 아닙니다. 파동역학에서의 파동방정식과 슈뢰딩거 방정식은 같은 구조를 갖는 다른 물리적 설명의 방법입니다. 파동에 적용시킬 수 있는 일반적인 헬름홀츠방정식들의 꼴로 슈뢰딩거 방정식의 해가 나오는 것은 사실입니다. 고전적인 웨이브 가이드나 cavity의 문제를 풀면 나오는 것과 유사한 mode에 대한 해가 나옵니다. 하지만, 파동역학이라고 하는 것들의 해(전기장, 자기장, 에너지-포인팅벡터-)와 같은 것들을 그 자체로 중첩시켜서 생각할 수 있습니다. 하지만, 슈뢰딩거 방정식의 해인 파동함수는 그 자체로 아무런 의미가 없습니다. 이 파동함수의 절대값의 제곱이 물리적인 존재확율를 표현합니다.

따라서 슈뢰딩거 방정식을 푼다는 것 즉 파동역학을 푼다는 것은 양자역학에 있어서, 단순히 수학적인 계산에 불과합니다. 이것은 양자역학적인 용어로 상태가 준비되었다로 이해할 수 있습니다. 엄밀하게 따지만, 그 상태는 시간에 대해서 진화하는 그런 모습이지만서도요. 그다음의 문제가 측정입니다. 이부분이 양자역학을 양자역학적으로 다루는데요. 근본적으로 고전역학과 양자역학의 차이는 측정에 대한 해석의 문제에 있습니다. -- jiinny


같은 현상을 "양자역학"적으로 설명한다는 것입니다. 다시한번 Aragorn님께 일반인을 위한 QED 책자를 권해드립니다. 제발 한번 읽어보시고... 반론이 있으시거든 그땐 더이상 제게 하지 마시고 무덤속의 RichardFeynmann에게 직접 말씀해주실 것을 요청합니다. 왜 일반물리로 설명해도 될걸 양자역학으로 설명했느냐고 따져주시기 바랍니다. 아니면 고전역학적 설명을 하는 주제에 양자역학으로 설명하는 척 하느냐... 라구요. 그건 그사람(파인만) 잘못이지 제 잘못이 아니거든요. 하여간 설명이 양자역학적인 것 뿐입니다. 더 노골적으로 말하자면 우리가 눈으로 보는 거의 모든 현상은 이미 양자역학적 현상이 거시적 규모로 키워진 것이기 때문에 빛의 모든 고전역학적 행동은 전부 양자역학적 현상입니다. (보어의 대응원리) 저는 틀린 말을 한게 하나도 없습니다. 또한가지 지적하자면 아까도 답변드렸는데 님께서 말씀하시는 그런 최단거리 등의 설명에 대한 지적은 파인만의 "거울"과 "반사", "렌즈"와 "굴절" 에 대한 페이지에서이지 제가 앞에 도입한 "유리"에서의 "투과파"와 "반사파"에 대한 페이지에서의 설명이 아니라니깐요. 같은 설명을 해도 낙지님의 글에 대해서는 아무런 반론도 없고 단지 제 글에 대해서만 반박글이 계속된다는 것은 인간을배제한논리의 의미를 떠나계신 듯 합니다. --musiki
같은 현상을 양자역학적으로 설명한다면, 이 세상에 양자역학적 현상 아닌 것 하나도 없습니다. 적절하지 않은 방식의 설명을 인용해 놓고서 죽은 사람에게 탓을 돌리면서 권위에 호소하는 것은 별로 좋아 보이지 않는군요.
낙지씨의 글에 대해 별 말이 없는 건 양자역학과 별 관련없는 설명이 대부분이고, 어떤 현상이 양자역학적 현상이냐 아니냐는 주제와 별 관련이 없기 때문에 그렇습니다. 오해하지 않았으면 좋겠군요.
musiki씨의 글에 딴지를 거는 이유는 간단합니다. 유리에 빛이 반사되는 것은 빛이 입자라고 생각할 때에나 설명하기 어려운 현상이 됩니다. 해석하는 관점에 따라 이래도 되고 저래도 되는 것을 양자역학 아니면 도저히 설명되지 않는 것인양 기술하였기 때문에 오해의 소지가 너무 많다는 것입니다.
고전역학에 따르면 포텐셜 계단이 에너지보다 낮은 상태인 유리에서는 입자인 빛의 속력이 느려지긴 하지만 100% 투과해야 하는 것이 원칙이다.라고 말했는데, 모르는 사람이 보면 착각합니다. 아, 유리에 반사되는 것은 고전역학적으론 불가능한 것이구나. 이런 식이라면, 고전역학적으로 볼 때에는 전자가 원자핵의 주위에서 궤도를 유지하는 것 자체가 불가능한 일입니다. 고전역학적으론 물체가 그 모양을 구성하고 있는 것 자체가 불가능한 일입니다.
1차원 포텐셜 문제 푸는 방법을 배우고 나서 그것으로 설명하기 좋은 구체적인 사례를 찾아보니 유리판에서의 반사 문제가 있더라, 이런 것을, 유리판 반사 자체가 고전역학적으로 설명이 도저히 불가능한 것이었는데 양자역학적 체계를 도입해 설명할 수 있게 되었다, 이런 식으로 설명하는 건 곤란하죠. --Aragorn

빛의 성질은 "고전역학적으로 얼마든지 잘 설명"될 수 있을 수도 있습니다. 그러나, 현재의 과학으로 가장 좋은 설명을 하려면 양자역학을 고려하지 않을 수 없습니다. "좋은 설명" 이라는 것은 물리학자들이 (그리고, 네 살짜리 꼬맹이들이) 좋아하는 "재귀적 '왜?'와 '어떻게?' 공격 Recursive 'Why?' and 'How?' Attack" 이 도달하는 최종 목적지를 말합니다. 빛은 왜 직진, 반사, 굴절하는가? 빛은 최단 거리 경로를 선택하기 때문이다. 빛은 어떻게 최단거리 경로를 선택하는가? 모든 경로를 일단 한번 지나가 본 다음 가장 짧은 경로를 알게 된다. 라는 것이 자전기역학에서 주장하는 바입니다. 빛 (또는 광자) 뿐 아니라 모든 입자가 그렇지요. 모든 입자는 본질적으로 게으르면서도 멍청합니다. (출전 : ScienceJokes) 일반인을위한파인만의QED강의는 이에 대한 깊고도 넓은, 아름다운 설명으로 가득차 있습니다. --Annonymous

1.2. 터널링과 유리

유리의 포텐셜이 1차원 포텐셜 계단이었던가요??.. ㅡㅡ; 유리는 '유리질(glass)'이라고 따로 분류될 만큼 복잡한 포텐셜을 가지고 있는 것으로 알고 있거든요.. 유리가 수천년 지나면 흘러내리는 이유도 바로 이 포텐셜이 복잡하기 때문인데.. 음.. 물론 그것 역시 양자의 터널링 효과로 설명될 수 있겠죠. 터널링 효과에 대해서 말하자면 굉장히 많죠..대표적인 현상 중에 하나는 바로 광합성임미당.. 광합성의 전자전달계는 바로 양자역학에서의 터널링 효과로 그 궁극적인 과정이 설명될 수 있다고 하네요. 이런 걸 양자생물학이라는 분야로 분류한다더군요.. --naya

유리는 비결정질 Amorphous 물질입니다. 우리에게 친숙한 대부분의 물질은, 고온에서는 분자들이 비교적 자유롭게 움직일 수 있는 액체 상태로 존재하다가 일정 온도 이하에서는 결정을 이루어 거의 움직이지 못하는 상태로 변합니다. 물리학자들은 이러한 상태 변화를 "상전이"라 부릅니다. 상전이는 "임계적"으로 일어나는 현상입니다. 그러나, 유리와 같은 비결정질 물질들은 엄밀한 의미에서의 상전이를 겪지 않습니다.

액체 유리가 고체 유리로 "어는점"은 정확하게 존재하지 않습니다. 편의상 사람들이 "굳었다"고 말하는 점이 존재할 뿐입니다. 고체 유리는 액체 유리보다 조금 더 끈적끈적할 뿐입니다. 흔히 말하는 고체와는 다른 것이지요. 사물을 설명하는 방법의 차이이겠습니다만, 저는 유리가 수천년 지나면 흘러내리는 이유도 바로 이 포텐셜이 복잡하기 때문 이라는 설명보다는 "비결정질 물질인 유리는 오랜 시간이 지나면 흘러내린다. 또, 비결정질이므로 규칙적인 포텐셜을 갖기 힘들다"라는 설명을 더 선호하는 편입니다.

얼마전만 해도 "고체물리"라 부르던 영역을 요즘엔 "응집물질물리"라 부릅니다. 딱딱하다고 다 고체는 아니기 때문이기도 하고, 기계공학에서 다루는 "고체역학"과 헷갈리기 때문이기도 하고, 무엇보다도 관심 영역이 훨씬 넓어졌기 때문이기도 합니다. 요즘 유행하는 나노 과학 또는 기술 역시 넓게 보아 이 영역에 속합니다. 이 영역은 또, 양자역학 페이지에 언급된 "통계물리"에 속한다고 볼 수도 있습니다.

이런저런 의미에서, 맨 위의 설명도 그다지 받아들이기 힘든 내용은 아니라고 보입니다. 굳이 "1차원 포텐셜 계단"이라는 용어를 선택하여 오해의 소지가 있었을 수도 있습니다만, 대기와 비교하여 유리의 포텐셜이 높다는 뜻으로 해석하면 큰 문제는 없다고 생각합니다. 대신, 조금만 설명을 보태보지요. 위에서 말하려는 바는, 고전적으로 설명되지 않는 입자의 운동 문제입니다. 상황을 단순히 하면 다음과 같습니다.

대기의 포텐셜 (이 글을 읽는 분들 중 "포텐셜"이라는 용어에 익숙치 않은 분은 "에너지 레벨"이라는 말로 바꿔 넣어보시기 바랍니다.) 을 1이라고 하고 유리의 포텐셜을 5라고 하자. 어떤 입자 (여기서는 빛의 입자, 광자, 빛알) 가 가진 에너지가 10이다. 이 입자가 대기 중에서 유리로 진입하면 어떤 일이 일어나겠는가? 이 말은, 5미터 담장을 향해 10미터 높이로 공을 던지면 어떻게 되겠는가? 하는 상황으로 유추해볼 수 있습니다. "당연히 넘어간다"는 정답이 아니라는 것이지요. 양자의 세계에서는, 5미터 담장을 향해 10미터 높이로 공을 던져도 "튕겨" 나올 수 있고, 10미터 담장을 향해 5미터 높이로 공을 던져도 "넘어" 갈 수 있다는 것입니다.

자신이 갖고 있는 에너지보다 더 높은 에너지장벽(EnergyBarrier)를 뛰어 넘을 수 있는 현상을 터널링효과(TunnelingEffect)라고 하며, 이는 고전역학에서는 불가능한 일입니다. 전자현미경 중에 하나인 ScanningTunnelingMicroscopy(STM)도 이 효과를 이용한 것이지요. 전기화학반응에서 전극과 화합물이 전자를 주고 받는 것도 터널링을 통한 것입니다. 직접 접촉하지 않아도 전자가 이동할 수 있지요.

양자역학적 현상은 우리 눈으로 관찰할 수 없습니다. 는 것도 역시, 관점의 문제일 수 있습니다. 양자역학 강의 첫 시간을 "거시적 양자 현상의 예"로 시작한 물리학 교수가 있었습니다. 그가 제시한 예는 "초전도현상"이었는데(그의 전공분야였습니다), 이는 그의 주장대로 눈으로 관찰 가능한 양자역학적 현상이라고 볼 수도 있고, 다른 한편으로는 우리가 보는 것은 단지 양자역학적 현상의 결과일 뿐이며, 여전히 양자역학적 현상 자체를 관찰하는 것은 불가능하다, 라고 주장할 수도 있을 것 같습니다. --낙지

"양자역학적 현상"이라는 말은 정확히 말해, 양자역학이 아니면 도저히 설명할 수 없는 현상이라는 뜻이겠지요. 고전역학으로 설명될 수 있는 현상은 양자역학적 현상이라 부르지 않으며, 대부분의 일상은 고전역학으로 설명됩니다. 그런 면에서 초전도현상은 양자역학이 아니면 전혀 설명할 수 없는 것이니, 양자역학적 현상이라 말하면 되겠습니다. 드물게 나타나는 거시적 자현상이로군요. --Aragorn

이상의 모든 현상은 양자역학적 현상입니다. 고전물리 역시양자역학적 설명의 확장입니다. 고전역학으로도, 양자역학으로도 설명될 수 있으나 고전역학의 설명이 원론적으로는 틀렸기 때문에 양자역학적 현상이라고 설명한 것입니다. 빛을 파동으로 생각한 고전역학적 설명은 설명은 되나 틀린 설명임은 부인할 수 없습니다. 모로가던 서울로만 가면 된다는 발상은 매우 위험합니다. 고전물리로 틀리게 설명되어왔으나 양자역학적으로는 이렇다. 고 받아들여주시기 바랍니다. --musiki

모로가던 서울만 가면 된다는 식의 발상이 위험하지만, 양자역학이 아니면 모두 틀렸다는 발상도 매우 위험합니다. 원론적으로 말하면 양자역학적인 설명도 틀린 설명입니다. 100% 정확한 이론은 없습니다. 예를 들어 QED는, 지구 반지름분의 머리카락 두께 정도의 오차를 고려할 때 소립자 정도의 크기에서부터 우주의 크기 정도 사이에서 일어나는 모든 현상과 모순이 없는 이론입니다. 그렇지만 그 이상에 대해서는 아무도 알 수 없습니다. 따라서 만약 고전물리계로 설명되어 왔던 현상들이 사실 틀리게 설명된 것이었다고 한다면 양자역학적인 설명도 틀린 설명입니다. -- ALee



2. 최소작용의 원리의 사용은 어느 수준에서 이해해야 하는가?

앞에서 언급된 호이겐스의 파동원리 등을 양자역학적으로 설명한다는 것이나 RichardFeynman을 언급한 것은 Least Action Principle을 양자역학의 법칙인 것으로 착각한 것입니다. Least Action Principle은 고전역학의 큰 기둥입니다. 라그랑지안, 해밀토니안 등이 학부 양자역학에서 언급되는데 이것들이 사실 모두 고전역학에서 그대로 변형되어 차용된 것입니다. 당연히 그럴 수밖에 없는 것이고요.
일반적으로 뉴튼역학이 많이 소개되는 이유는 미분방정식의 형태를 하고 있어서 문제 풀기가 쉽기 때문입니다. Least Action Principle로 문제를 풀게 되면, 방정식이 미분방정식이 아니라 모양만 비슷한 ??? 방정식이 되기 때문에 풀기가 어렵습니다. --Aragorn

역학에 대한 무지에서 비롯된 것입니다. 미분방정식의 형태가 문제풀기 더 어려운 경우도 수두룩합니다. 최소작용의 법칙으로 문제를 풀게 되면 방정식 자체를 성립시키기가 어려울 뿐이지 정작 방정식을 성립시키고 나면 풀이는 훨씬 간단해집니다. 뉴터니안 역학이 많이 소개되는 이유는 풀이 자체가 "직관적인 형태"를 가지고 있기 때문이고 최소작용의 원리를 이용하면 직관적인 이해는 사실 힘들고 기계적인 대수 계산을 하면 답은 자동으로 나오는 경우이기 때문에 뉴터니안이 자연적 현상 자체를 설명하기 더 "교육적이기" 때문에 많이 소개되는 것입니다. 문제를 푸는데는 라그랑지안(최소작용의 원칙)이 훨씬 쉬운 경우가 많습니다. 이유는 뉴턴 방정식은 무조건 3차원의 복잡한 부분을 다 풀어야 하는데 반해 라그랑지 역학은 물체의 운동의 자유도(특히 원운동 등의 경우)를 줄여 아주 간단하게 풀 수 있습니다. 간단히 교과서에 있는 문장을 카피하자면 "라그랑지안은 상당히 복잡한 물리계의 운동방정식을 옳게, 그리고 손쉽게 얻을 수 있다는 점이다." --musiki
처음 듣는 이야기입니다. 전혀 새로운 역학 체계를 배우신 모양이로군요. :)
라그랑지안이 상당히 복잡한 물리계의 운동방정식을 쉽게 풀 수 있다는 것은, 그런 종류의 물리계에서만 그렇습니다. 중력장에서의 2차원 포물선 운동과 같은 간단한 문제를 최소작용의 원칙으로 한번 풀어보세요. 포물선 궤도를 얻어내는 것이 쉽지 않을 겁니다. 자유도를 제한시켜놓고 문제를 푸는 것은 특수한 조건이 붙는 겁니다.
뉴터니안이 "교육적이기 때문에" 많이 소개된다고 했는데, 정확한 의미가 무엇인지 궁금하군요. 배우기 쉽다는 뜻입니까, 직관적이란 뜻입니까? 직관적인 건 최소 작용의 원칙도 그에 못지 않은데 말입니다. 제가 보기엔 간단하고 일상 생활이나 실전에 유용한 연습문제 풀기에 뉴터니안이 더 좋기 때문으로 생각되는데 말입니다. 말 그대로 문제 풀기 쉬워서 말입니다.

많은 중고등학생이 "힘"과 "에너지", "운동량", "충격량" 등을 도저히 구분하지 못해서 혼란스러워 하는 것 아십니까? 수식으로는 답을 얻는데 도대체 그것이 무엇인지, 왜 그렇게 구분하는지 이해를 못하는 경우가 태반입니다. 보통은 그래서 dimension에 대해 설명하고, 무조건 dimension을 맞춰라, 그런 식으로 설명합니다. (대부분의 일반적 성인들은 힘과 운동량, 가속도 같은 것을 거의 구분하지 못합니다.)
그래도 운동에너지가 1/2 mv2이 되는 것은 이해하기 어렵습니다. 왜 하필 1/2이 붙는 겁니까라고 질문합니다. 어떤 선생님은 "물체가 정지한 상태에서 출발하기 때문에 1/2이 붙는 거다"라고 답합니다. 학생은 질문하죠. "어, 그럼 처음 운동 중이던 물체가 가속해서 속도가 더 빨라지는 경우엔 1/2이 아닌가요?"
미적분 제대로 배우기 전까지는 교사가 학생에게 명확히 설명해 주기 어렵습니다.
--Aragorn
글쌔요..미적분학을 제대로 배운다라는 문제보다는, 뉴턴의 운동방정식과 함께 미적분의 원리를 이해하면 됩니다. F=ma, v=at, s=vt, W=Fs, E=W 의 식을 두고 t 에 따른 각각의 양의 변화를 그림으로 그려준 다음, 그 넓이가 식의 결과의 양이 된다고 설명해주면, 결국 등속운동일 경우 E=1/2 mv^2 이 되는 등의 결과를 쉽게 이해시킬 수 있을 겁니다. (제가 고1 때, 미적을 배우기 전에 일본대 입시 물리 문제를 풀면서 깨달은 방법입니다. 2차 그래프를 모눈종이에 그려놓고 칸 수를 세었습니다. ==; 미적을 일찍 공부해두질 않았기도 했고, 수학은 영 잼병이어서요...) --godai

단순한 문제의 경우 그냥 직관적으로 이해할 수 있는 뉴턴의 방법이 더 쉽지만 복잡한 문제에서는 라그랑지안을 사용하는 것이 운동방정식을 구하기가 더 쉽습니다. 뉴턴의 방법을 쓰기 위해서는 복잡한 기하학적 고려를 해야 하지만, 라그랑지안을 사용할 경우 운동에너지와 위치에너지만 구하면 나머지는 기계적으로 해결되니까요. 그렇지만 어떤 방법을 쓰건 결과적으로 얻게 되는 운동방정식은 같습니다. 복잡한 문제의 경우 라그랑지안을 쓰면 뉴턴의 방법에 비해 방정식을 구하기가 쉬워지는 것이지, 구한 방정식을 푸는 것이 더 쉬워지는 것은 아닙니다. 위에서 인용하신 교과서의 문장에도 그렇게 나와 있네요. 또, 최소작용의 원리를 이용해서 포물선 궤도를 구하는 것이 생각만큼 그렇게 복잡하지는 않습니다. 물론 이 경우 그냥 뉴턴의 방법을 사용하는 것이 더 간단합니다. 그렇지만 이렇게 단순한 경우를 제외하면 일반적으로 라그랑지안을 사용해 방정식을 구하는 것이 더 쉽습니다. -- ALee

하도 오래전에 공부한 것이라 ???가 기억이 안 나는군요. -_-;;;;
하여간 앞에서 언급된 것들은 모두 고전역학의 법칙입니다. RichardFeynman의 독특한 시각도 아니고, 19세기에 이미 완성된 고전역학의 법칙과 방정식을 Feynman이 쉽게 설명해 놓은 것 뿐입니다.
--Aragorn

최소작용의 원칙을 설명한 것은 거울과 렌즈 부분입니다. 또한 고전역학은 왜 최소작용으로 가느냐? 에 대한 답변이. '그냥 그렇다고 믿는다' 임에 반해 RichardFeynman은 역사총합이론으로 그 이유까지 설명해 놓았지요. 역사총합이론은 분명 고전역학이 아닌 양자역학입니다. 제가 인용한 부분은 유리에서의 반사광 입니다. 바로밑에 낙지님께서 잘 설명해 놓으셨건만 왜 자꾸... 그리고 양자화라는 것은 양자론의 핵심이고 슈레딩거가 파동방정식으로 변환시켰지만 그 현상들이 그대로 나타지요. 양자화라는 것은 그러니까 양자역학이라는 파동역학이 가진 해의 특징입니다. 방정식 자체는 파동방정식이고, 모든 양자역학의 내용은 이 슈레딩거 방정식 (그러니까 파동방정식)의 해를 구하는 것이 핵심입니다. 해를 구하기 위해 최소 작용의 원칙, 그러니까 해밀터니안을 오퍼레이터화해서 변수분리된 방정식을 풀게 되는 것이지요. 이 해가 양자화되어 나타나는 것이구요. --musiki
역사총합이론이 무엇입니까? 빛을 파동으로 간주하여 광자의 진행방향을 예측하고 반사, 굴절의 정도를 계산해낸 것이라면, 양자역학과는 별 관계없는 테크닉입니다. 물론 양자역학적으로 그것을 해석할 수도 있지만 말입니다.
빛이 진행가능한 모든 경로를 다 파악하고 최단거리를 알아낸다는 것은 그럴듯해 보이긴 하지만, 사실 실제로 그런지는 아무도 모릅니다. 빛이 최단거리를 선택한다는 원리에 있어서도, Least Action Principle과 마찬가지로 "하필 왜 최단경로인데?" 라고 물으면 아무 할 말 없습니다. 그리고 최단경로라는 것도 애매한 것이, 빛이 반사되고 반사되어 결국 제자리로 왔다고 하죠. 그렇다면 처음부터 그렇게 진행하지 왜 반사되는 긴 경로를 택했냐라고 물으면 할 말 없습니다.
좁은 douple slit에서 전자가 회절, 간섭현상을 일으키는 것을 놓고 해석할 때에도, 입자는 자신의 물질파 파장의 수배 정도 거리 내에 있는 다른 입자나 slit하고만 영향을 주고 받아 회절, 간섭현상을 보여준다고 설명해도 됩니다. 그 이상의 거리는 영역바깥이어서 알 수 없고, 수 파장 이내의 장애물에만 반응한다고 해석하면 현상과 아주 잘 들어맞습니다.
빛이 최단거리를 알아내는데 있어서도 파장의 수배 이내의 경로에 대해서만 계속 탐색하면서 최단거리를 찾아나간다고 생각하면, 실제 현상과 잘 들어맞습니다. 중고등학생들에게 적당한 "재미있는 물리 이야기"에도 보면, 빛의 굴절을 설명하면서 수영장의 구조요원이 물에 빠진 사람에게 가장 빨리 접근하기 위해 어떤 경로를 택해야 하는가라는 질문을 합니다. 아마 그것과 비슷한 것 같네요.
Lectures on Physics 어디엔가 빛이 진행가능한 최단경로를 택한다는 설명이 나와 있던 것으로 기억하는데, 반사와 굴절 등 몇몇 경우에 대해서 설명을 잘 해 놨습니다. 일반물리 Vol I을 한번 보세요. 빛에 대한 챕터가 몇장 안 되기 때문에 그 중 하나에 있을 겁니다.
참, 그리고 빛이 자신의 파장 수배 이내에서 최단경로를 찾는다는 원리로 설명되는 또 한가지 사례가 삼각프리즘의 전반사입니다. 삼각프리즘에서 전반사를 이용해 빛을 90도 꺾게 되는데, 이 전반사되는 면에 또다른 프리즘을 맞대면 빛이 그대로 투과해 나갑니다. 이때 이 맞대는 것을 정확히 가져다 붙이기 않고, 간격을 조금 떨어뜨려도 빛이 투과합니다. 그냥 포텐셜 벽이 높은데 확률적으로 그것을 뚫고 지나간다고 해석해도 될테고요. --Aragorn

파인만의 주장은 무턱대고 빛이 최단경로를 따른다는 것이 아닙니다. 모든 가능한 경로의 파동함수를 전부 다 더하면 최단경로를 따르는 근처의 경로만이 보강되어 남게 되고, 나머지 경로는 모두 상쇄되어 없어진다는 것입니다. 즉, 여기서 가정한 것은 모든 가능한 경로를 다 더한 경로로 이동한다는 것이지 무턱대고 최단 경로를 따른다는 것이 아닙니다. 해석을 다르게 한다면 모든 경로를 다 지난다고 할 수도 있겠지요. musiki님께서 역사총합이론이라고 하신 것은 바로 이걸 말씀하시는 것 같습니다. 이런 설명은 파인만 이전에 누구도 하지 못했던 설명입니다. 물론, 실제로 그러한지는 아무도 모릅니다. 그렇지만 현재까지 우리가 알고 있는 것 중에서 가장 나은 설명이라는 것은 부정하기 어렵습니다. -- ALee

또한 RichardFeynman의 QED는 양자역학의 한부분이지 양자역학을 발전시킨 부분은 아닙니다. 역시 훌륭한 LeastActionPrinciple을 아주 적절한 곳에 적절하게 사용하여 QED 즉, 빛과 전자간의 상호작용을 설명한 이론입니다. 얼마전에 노벨상을 받은 AsymptoticFreedom도 새로운 양자수인 색양자수를 도입하여 양자역학을 이용해서 강력을 설명한 훌륭한 이론이고요. RichardFeynman이 죽은 뒤에도 양자역학은 계속 발전하고 있고, 새로운 난제를 많이 포함하고 있습니다. 과거에 미제로 남겨졌던 EPR문제가 대표적이고, 아직도 양자역학을 순수하게 완전히 이해하고 있는 사람은 세상에 없습니다. 거의 백년동안 양자역학의 일부분으로 설명될 수 있는 것들만 나왔을 뿐입니다. 보어의 해석또한 많은 약점을 가지고 있어서 해석의 문제는 물리학과 과학철학의 주요 주제가 되고 있습니다. 그리고 현재 학부에서 다루는 많은 양자역학 서적은 현재의 양자역학 연구를 반영하고 있지 못합니다. 따라서 양자역학에 관심이 있으시면 새로 나온 책들을 읽어보실 것을 권합니다. -- jiinny

실제로 문자 그대로 모든 경로를 일단 지나가 본 가장 짧은 경로를 알게 된다는 뜻은 아닙니다. 정말로 그러한지는 아무도 알 수 없지요. 이 말이 실제로 의미하는 것은, 모든 경로를 지나는 각각의 파동함수를 모두 더하면 대부분의 파동함수들은 위상이 모두 제각각이기 때문에 전부 상쇄되어 없어지지만, 최단 경로 부근의 경로들은 위상이 거의 비슷하기 때문에 보강되어 결국 최단 경로를 지나는 파동함수만이 의미를 갖게 된다는 뜻입니다. 이런 설명을 일반인들이 알아듣기 쉽게 설명하려다 보니 모든 경로를 지나가 본 다음 가장 짧은 경로를 알게 된다고 표현한 것입니다. 어쨌든, 모든 경로를 지나는 파동함수를 전부 다 더해 보면 최단 경로를 지나는 파동함수만 남기 때문에 결국 최단경로를 따르게 된다는 파인만의 설명은, 무조건 그냥 최단 경로를 따른다는 것 보다는 훨씬 더 나은 설명입니다. -- ALee


3. 다른 간단한 양자 역학의 예

gerecter의 술잔 설명 : 빛은 빨간색일 수록 파장이 길고 에너지가 적다고 한다. 빛은 보라색일 수록 파장이 짧고 에너지가 크다고 한다. 따라서 단순히 그 경향만 살펴본다면, 아주 뜨거워서 에너지를 팍팍 내는 물질은 보라색의 빛이나 그것보다 더욱 파장이 짧은 강한 에너지의 빛을 더 많이 내는 것이 효과적이다. 여기서 보라색보다 더욱 파장이 짧은 색의 빛은 눈에 보이지 않는 자외선이다.

그러나 강력한 용광로를 갖고 와서 불꽃의 온도를 매우 높여 보자. 보라색 불빛이 보이는가? 그러다가 눈에 보이지 않는 자외선이 너무 많아져서 불빛이 옅어지는가? 그렇지 않다. 불꽃은 다만 푸른색으로 밝게 빛날 뿐이다. 밤하늘을 보라. 붉은색은 별로 안 뜨거운 별, 노랑색은 좀 더 뜨거운 별. 푸른색은 가장 뜨거운 별. 그럼, 보라색 별은? 보라색 별은 왠지 찾을 수가 없다.

용광로의 온도를 계속해서 높여서 자외선이 너무 많아지면 어째서 불빛이 옅어져야 하지요? 자외선이 많아지는 것은 상대적인 것이기 때문에 가시광선이 줄어드는 것은 아닙니다. 또, 밤하늘에 보라색 별이 보이지 않는 것은 우리의 눈과도 관계가 있습니다. 우리 눈이 보라색에 별로 민감하지 않기 때문입니다. 실제로 필름에 찍힌 별을 보면 보라색 별도 많이 있습니다. 뿐만 아니라 자외선이나 X선을 방출하는 천체도 많이 있습니다. -- ALee
에너지 보존을 먼저 "상식적"으로 받아들인 상태에서 말하자면 그렇다는 말입니다. 용광로에서 내뿜는 복사에너지가 유한할 것이라고 생각하면, 온도에 따른 분포 경향성에 따라 자외선 비율이 높아진다면, 이 경우에 낮은 온도에서 내뿜는 같은 양의 복사에너지에 비해, 인간의 눈에는 더 어둡게 보일 수 있겠습니다. -- gerecter
온도가 높아지면 모든 파장에서 복사의 절대량은 증가합니다. 보다 높은 파장에서 더 빨리 증가하는 것이지, 낮은 파장이라고 해서 복사량이 감소하는 것은 아닙니다. 복사되는 총 에너지의 양이 온도에 관계 없이 일정하다고 가정한다는 것을, “에너지 보존법칙을 상식적으로 받아들인다”고 표현하신 것 같은데, 복사되는 총 에너지의 양은 온도의 4제곱에 비례하므로 적절한 가정이 아닙니다. -- ALee
DeleteMe 말씀대로 논리가 엉성하게 될 소지가 크군요. 제 생각이 짧았습니다. 곧 수정보완하겠습니다.

왜, 파랑색까지만 경향성을 따라가고, 보라색이나 그 이상에 이르면 뭔가 경향성이 어긋나 버리는가? 그것은 빛이 유동적인 흐름으로 되어 있는 것이 아니라, 알갱이 형식로 되어 있기 때문에 반 알갱이나, 1/3 알갱이 식으로는 전달될 수는 없기 때문이다. 즉 보라색 어딘가에서 빛이 "한 알갱이로 온전히 있을 수 있는 한계점"이 있기 때문에, 그 이상은 알갱이 단위의 전달과정이 힘들어 지기 때문에 이상한 방식으로 전달이 일어나는 것이다.

양자역학이란 이 "알갱이"라든가 "전달"의 과정을 논리적으로 이치에 맞고, 또한 여러 다른 분야, 특히 소립자 성질 규명에 적용하기 좋게 분명히 설명해 놓은 것이다. 말하자면, 술집에서 술을 사먹으려면 "술잔"이나 "피처" 단위로 사먹어야 한다. 시킨 술의 양과 먹는 술의 양을 보존하는 진정한 술꾼들은, 한 잔을 먹든지, 아니면 두 잔을 먹는다. 우리는 결코 1.5잔을 먹고 반잔을 남겨서 버리는 술꾼 따위는 세상에 존재치 않는다. 조금 먹고 싶을 때는 500 CC씩 한잔씩 마시고, 좀 더 먹고 싶을 때는 1000 CC잔을 시키기도 할 것이다. 하지만 진정한 술꾼들은 3000 CC단위로 술을 시키지 않는다. 3000 단위로 술을 시키면, 2개를 시키면 부족하고 3개를 시키면 남기 때문이다. 그래서 진정한 술꾼들이 가는 술집에서는 1700 CC가 주로 팔린다.

4. 빛은 입자인가? 그렇다면 상보성은 어떻게 이해해야 하는가?


첫째로 빛은 광자라는 입자입니다.둘째로 양자역학이 아니고는 설명할 수 없는 이유는 빛이 입자이기 때문입니다. 됐죠? 이젠 Aragorn님이 지긋지긋합니다. -_- 마치 없는 소리 하는 사람취급하시는군요. 문제는 제가 없는 소리 해서입니까, 아니면 이 글을 제가 써서입니까. 한 1년만에 들어와보니 담배사건 이후로 전공분야의 유무를 떠나서 musiki라는 ID는 다 찾아다니면서 공격하시는 듯 합니다. 자제해주시기 당부드립니다. 제가 독단과 독선과 아집에 사로잡혀 있다면 말 다했지만 저와 같은 의견의 분들이 만만찮게 밑에 있습니다마는 그들의 글에는 전혀 반론이 없으면서 저의 글에는 거의 논문수준의 반론이 잡히는 것을 보면 당혹스럽지 않을 수 없군요.

다시 설명합니다. 빛은 입자입니다. 모두 해결됐습니다. 적절하지 않은 방식의 설명을 인용해 놓고서 라는 말씀은 절대로 취소해 주시기 당부드립니다. 이젠 무덤속의 사람마저 모독하려 하시는군요. 마지막으로 양자역학이 아닌 고전역학으로만 설명해온것을 양자역학으로 설명하는 것도 좋은 방법입니다. 보통 교과서 등에서 소개할때는 님 말씀대로 하시지만 말입니다. 그점이 파인만이 독특한 점이지요. 님 역시 그러한 교육에 세뇌되어온 대상이심을 부인하지 못하실겁니다. --musiki

보통 우리가 양자역학을 소개할 때에는 양자역학이 아니면 도저히 설명할 수 없는 현상들을 예를 들며 양자역학의 증거를 찾아내며, 양자역학의 모습이 어떠한지 소개해 나갑니다. 물론 고등학교 물리 교과서의 진부한 사례들 이외에는 소개할 거리가 별로 없지만 말입니다.
--Aragorn

위의 유리판 예처럼, 이 예 역시 빛을 파동으로 표현했을 때 모순이 생기는 사항은 아닙니다. 양자역학은 현재 사실을 가장 잘 설명하는 이론이므로, 모든 현상은 양자역학으로 설명되며, 또한 예시입니다. 유리판의 예도 그렇고, 금박의 예도 그렇고, 틀린 예시가 아닐 지언정, 좋은 예시는 아닙니다. 이상이 좋은 예시가 되려면, 빛이 입자라는 강한 고정관념이 있는 사람에게만, 좋은 예시가 될 것입니다. 보통, 우리는 빛의 굴절과 반사를 먼저 깨닫는 빛의 파동설이 상식으로 통하는 사람들이지 않던가요? -- gerecter

빛이 입자라는 것은 이미 밝혀졌지만 교과서 단위에서는 아직까지 입자와 파동의 상보성을 가지고 있다고 표현하곤 하지요. gerecter님의 지적대로 그래서 설득에 난항을 겪었던 것으로 생각됩니다. :) --musiki

빛이 입자라는 것이 밝혀졌다는 것은 완전한 오해 입니다. 양자역학 페이지 맨 아래의 이중성의 의미를 한번 읽어보시기 바랍니다. 빛이 정말로 무엇인지는 아무도 모릅니다. 우리는 다만 그 성질이 어떠한가를 이야기할 수 있을 뿐입니다. 입자냐 파동이냐는 단지 해석의 문제일 뿐입니다. musiki님께서는 RichardFeynman이 일반인을 위해서 쓴 책에 있는 내용을 너무 글자 그대로만 받아들이고 계신 것 같습니다. 파인만이 빛이 입자라고 말한 것은, 정말로 작고 단단한 알갱이라는 뜻이 아니고, 입자로 해석할 경우 우리가 알고 있는 빛의 모든 성질을 이해할 수 있다는 뜻입니다. 교과서에서 빛이 입자와 파동의 상보성을 가지고 있다고 표현하는 것은 전혀 잘못된 내용이 아닙니다. -- ALee

원론적으로 정확한 additional 이지만 이 글을 읽는 사람의 입장에서 간단히 이해할 수 있도록.. 최소한 보어의 상보성 원리나 슈레딩거의 허깨비 등에서 말하는 파동과 입자의 중간형태 는 아니라는 것을 강조한 것 뿐이지, 입자가 말그대로 입자란 소리는 아닙니다. 파동과 입자의 이중성이 섞여 있는 허깨비 입자라는 슈레딩거와 보어의 시절 이론은 이미 지나가고 입자로 보고(당연히 ALee님 말씀대로 본질적으로 입자란 소리는 아니란 말입니다.) 이론을 전개하는 것이 최근까지의 성향입니다. 그 입자가 끈의 진동이든 뭐든...아직까지 T.O.E.는 완성된 적 없단 말이죠. 최근까지 완성된 양자역학은 양자를 '입자'로 봅니다. 입자로 설명해서 설명안되는 것이 없기 때문이지 본질적으로 입자이기 때문인지 아닌지는 알려진바 없고 문제가 잘 풀리는 한 물리학자들도 별로 관심들도 없습니다. --musiki

보어의 상보성 원리나 슈레딩거의 허깨비 등에서 파동과 입자의 중간형태 라는 것이 등장했었나요? 빛이 파동의 성질과 입자의 성질을 둘 다 갖고 있다는 것이었지, 과거에도 파동과 입자의 중간형태로 이해했던 적은 없었습니다. 또, 두 가지 성질을 다 가지고 있다는 보는 것은 과거나 현재나 마찬가지입니다. 최근에 양자역학에서 양자를 '입자'로 보는 것은 편의상 그렇게 생각하는 것이지 파동성을 가지고 있지 않기 때문이 아닙니다. 파동적인 성질을 갖고 있지 않다면 왜 파동방정식을 풀겠습니까?

양자역학이 기존의 고전물리학에 비해서 더 뛰어난 점은, 기존의 물리학으로는 설명할 수 없었던 새로운 현상을 설명할 수 있기 때문이지, 기존의 이론으로도 잘 설명할 수 있었던 현상을 더 정확하게 설명해서가 아닙니다. 예를 들면 화학반응에서 질량이 보존되는지, 아니면 방출되는 에너지만큼 질량이 줄어드는지 현재의 기술의 정밀도로는 확인할 수 없습니다. 따라서 “화학반응” 이라는 현상을 설명하는 데에는 기존의 이론이든 양자역학이든 동등한 지위를 가져야지, 어느 한쪽이 더 우월하다고 할 수 없습니다. 다만, 우리는 자연은 일관성이 있을 것이라는 가정을 받아들여서 양자역학적인 설명이 아마도 실험적으로는 도저히 측정할 수 없는 정도의 아주 미세한 정도의 차이로 더 옳을 것이라고 추측할 수 있을 뿐입니다.

물론 저는 만약 양자역학으로 구한 질량과 고전 이론으로 구한 질량의 차이를 확인할 수 있을 만큼 정밀하게 측정할 수 있는 기술이 있어서 화학반응 전/후의 질량을 측정한다면 아마도 양자역학으로 구한 값에 가까운 값을 측정하게 될 것이라고 믿습니다. 그러나 그 차이가 실험적으로 측정할 수 있는 범위를 벗어나는 것이라면, 두 이론 모두 “현재의 기술로 측정할 수 있는 오차 범위 안에서는 옳다”고 할 수 있을 뿐, 어느 한쪽이 절대적으로 옳고 다른 쪽은 “그럴듯 하지만 틀린 설명이다” 라고 할 수는 없습니다.

빛의 반사나 굴절 같은 현상을 설명하는 데 있어서 양자역학적인 설명이 옳은 설명이고 고전적인 파동 이론을 통한 설명은 틀렸다는 것은 musiki님의 개인적인 믿음이지 확인된 사실이 아닙니다. RichardFeynman이 그렇게 믿었다고 해서 그것이 사실이 되는 것은 아닙니다. 혹시 잘 모르는 분이 musiki님의 글을 보고 개인적인 생각을 확인된 사실로 오해할 가능성이 있을 것 같아서 부연 설명을 적었습니다. -- ALee

빛의 반사나 굴절 같은 현상을 설명하는 데 있어서 양자역학적인 설명이 옳은 설명이고 고전적인 파동 이론을 통한 설명은 틀렸다는 것은 musiki의 개인적인 믿음이 아니라 광전효과를 통해 이미 증명된 내용입니다. 광전효과의 결과물로 이미 1900년대 초에 빛이 연속적인 파동이 아닌 에너지 양자라는 것이 입증되었습니다. (Quantum 라는 말 자체가 어떤 의미에서는 입자라는 의미이기도 합니다.) 파동설로는 가장 기초적인 광전효과부터 이미 설명 안됩니다. 허나, 입자설로는 광전효과도, 반사나 굴절도, 에너지 장벽투과나 기타 모든 이론이 설명이 됩니다. 이것을 강조하는 겁니다. 물론 호이겐스의 원리로 푼 광학이나 파인만의 방식으로 푼 광학이나 서로간의 오차는 사실 제로입니다. 하지만 한쪽은 파동으로 보고 시작했고 한쪽은 입자로 보고 시작했다는 시점이 다릅니다. 그렇다고 양자가 근본적으로 입자 알갱이라는 말이 아니라 입자설로 모든 문제가 풀린다는 점. 그 이상의 본질을 다루는 이론은 아직 없다는 점. 그점을 주지하시길 바랍니다. 그 입자의 또 내부 실체는 저도 모른다 했습니다. T.O.E. 따위가 완성되어 나온적 없기 때문이죠.

또한 양자역학으로 구한 계산치와 고전역학의 계산치를 확인할 만큼 기술이 발전하지 못했다고 생각하실 지 모르겠는데, 실제로 계산했고 실험했고 정확함을 입증했습니다. 이는 개인적 믿음의 영역이 아니라 '누구나 실험결과로 공유하고 알고있는' 사실입니다. musiki개인적 믿음이 아니라니깐요. 이이 맞고 틀리고는 실험결과가 말해줍니다. ALee님 생각처럼 개인의 믿음이나 철학이 말해주는 것이 아닙니다. 현재 기술로 측정할 수 있는 오차범위 안에서 옳은 것이 아니라 분명 고전역학은 틀리고 양자역학은 맞다 는 것이 입증되었습니다. 실험적으로 측정할 수 있는 정도의 차이로 고전역학은 틀리고 양자역학은 옳습니다. 그러므로 ALee님의 입장은 어느정도 직관적인 입장에서 양자역학이 맞음을 추론할 수 있을 정도인데 마치 기정사실인양 musiki가 오버한 것이다... 라면 musiki가 말하는 사실은 "직관이 아니라 객관적으로 양자역학이 맞음을 증명할 수 있을 정도다." 라는 것을 충분한 증거를 보여드릴 수 있습니다.

만일 그정도 오차도 측정 못할 정도의 기술력으로 PC를 만든다면 다 뻑나고 블루스크린입니다. PC를 99% 이상의 신뢰도로 돌릴 수 있다는 자체가 양자역학이 맞고 고전역학이 틀리다는 것이 입증되었다는 산 증거입니다. 물론 고전역학도 엄밀히 말해서 틀렸다 하는 것이지 완전히 틀린 것이라고 말한 것은 과장이고 보통은 이러한 표현을 씁니다. "고전역학은 양자역학의 좋은 근사이다." "특정한 상황에서는 고전역학과 양자역학이 일치한다." 그러나 어떤 상황이건 "고전역학이 맞고 양자역학이 틀린경우"는 없습니다. 상대성이론과 붙여놓기 전까지는 말이죠... --musiki

고전 역학적 개념의 본질을 다시한 번 분명히 정의해야 할 듯 합니다. 양자역학에서 어떤 현상은 그 시간과 위치가 동시에 결정되지 않고, 또한 중첩된 상태를 갖고 있을 수 있는 비국소성을 갖고 있습니다. musiki님이 말하시는 입자로 설명하는 빛 역시 이러한 성질을 가져야만 설명이 이루어집니다. 하지만, 입자라는 고전적인 개념은 그런 것이 아닙니다. 중첩된 상태를 갖고 시간과 위치가 동시에 결정되지 않는, 비국소적인 어떤 것이 있는데, 그것을 입자라고 부르는 것 자체가 이상한 일입니다.

말씀하신대로, 광전효과는 파동으로 설명되지 않습니다. 하지만, 가장 기본적인 회절 현상 역시 입자로는 설명되지 않습니다. 확률로 정의되는 입자로 설명할 수 있다고 하셨습니다만, 확률로 정의되는 그런 현상을 입자라고 하는 것은 도약입니다. 두 발로 걷고, 털이 없고, 지능이 높고, 말을 하고, 에디 머피처럼 생겼고, 인간 게놈과 같은 유전자를 갖고 있는 어떤 생물을 "당나귀"라고 부른다면, 부를 수야 있겠지만, 그런 생물이라면, "사람"이라고 하는 게 좀 더 자연스러운 설명입니다. 마찬 가지로, "비국소성을 갖는 입자"는 "국소적 붕괴가 가능한 파동"만큼이나 어색한 개념입니다.

다시 한 번 말씀드리지만, 파인만 이래, "이상한 입자"로 일관된 설명을 꾸미는 것이 좀 더 편해 졌을 뿐, "오차가 있는 파동"이라는 개념자체가 부정된 것은 아닙니다. 따라서 개념적으로 입자/파동의 이중성은 여전히 유효하며, 실용적인 입장에서 파동의 개념을 계속 갖고 가는 것도 매우 유용한 일입니다. 요컨데, 입자라는 표현을 musiki님이 쓰는 방식대로 사용하는 자체가 이미, 입자/파동 이중성을 인정하는 표현이라는 겁니다.

또 한 가지, 고전역학은 틀리고 양자역학은 맞다.라는 선언에 대해서도 문제를 제기 합니다. 양자역학으로 대포에서 쏜 포탄의 탄도를 계산할 수는 없습니다. 그렇게 하려면, 극한을 취해서 근사를 해야만 부정항을 없에서 탄도를 계산해 낼 수 있습니다. 자연현상에 대해서, 고전역학과 양자역학이 꺼내올 수 있는 정보의 범위가 다른 것입니다. 고전역학이 틀렸다.라는 말은, 고전역학이 모든 정보를 다 꺼내올 수 있는 무소불위한 것은 아니다란 뜻이지, 양자역학이 고전역학의 완전한 대체라는 말은 아닙니다.

물론, 양자역학의 근사로 구한 포탄 탄도와 마찬가지로 고전역학에서 구한 포탄 탄도 역시 양자역학적 비국소성이라는 오차를 갖고 있으므로, 정확한 답은 아닙니다. 하지만, 양자역학 보다 우리에게 훨씬 많은 정보를 더 쉽게 제공해 줍니다. 절대불변의 시계장치와 같이 우주가 움직이고 데카르트적인 이원론적 실체를 절대적으로 신봉하신다면, 일관된 설명을 하지 못하지만 유용한 정보를 주는 고전역학보다, 포탄의 탄도를 알려줄 수 없을 지라도 그나마 일관된 설명을 하고 있는 양자역학만이 옳다고 하실 수도 있을 겁니다.

하지만, 과연 신이 양자역학 교과서를 차근차근 읽어보면서 그대로 우주를 운영하고 있을까요? 모를 일입니다만, 그 문제는 잠깐 유보해 두더라도, 고전역학은 충분히 과학적으로 옳은 범위내에서 논의 될 수 있습니다. 다시 한 번 강조하건데, 고전역학과 양자역학은 해석할 수 있는 정보의 형태와 범위가 다를 뿐이지, 고전역학은 다 틀리고, 양자역학이 왕인 것은 결코 아닙니다. 고전역학이 틀렸다.라는 말은, 다만 언제나 옳지 않다.라는 말일 뿐이지, 언제나 틀리다라는 말이 아닙니다. -- gerecter

어떤 현상은 그 시간과 위치가 동시에 결정되지 않고, 또한 중첩된 상태를 갖고 있을 수 있는 비국소성을 갖고 있다는 것을 "양자 자체의 본질"이라 생각하는 쪽이 코펜하겐-보어-슈레딩어 적 해석이고 반대로 단순히 입자일 뿐인 국소성을 갖고 있지만 관측행위(광자를 충돌시키는 행위) 자체가교란시켜 국소성이 정확히 보이지 않는다는 것이 괴팅겐-아인슈타인-호킹 적 해석이며, 아예 입자는 상대성이론에 의해 쌍생성과 쌍소멸을 거듭하는 디랙의 바다 속에서 A입자가 B지점에서 나타난다 해서 그것이 본위의 A입자였다고 볼 수 없고 단지 그런것처럼 관측된다는 것이 디랙-슈윙거-도모나가 적 해석입니다.

파인만은 이 해석을 단순명료하게 설명했고 아주 대담하게도 그것이 자연의 본질이라 주장해서 더욱 천재성을 높였고, 양자색역학 등도 문제 해결을 위해 파인만 방법을 사용하지만 철학적 실체는 디랙-도모나가-슈윙거의 해석이 옳다고 개인적으로 생각합니다. musiki는 이런 입장에서 입자는 특정 질량도 직경도 가진 입자일 뿐 말씀하시는 1900년대 초에 말하던 "어떠한 무엇" 도, "허깨비"도 아니라고 주장하는 것입니다.

gerecter님의 인식처럼 교과서에 써있는 대로 " 중첩된 상태를 갖고 시간과 위치가 동시에 결정되지 않는, 비국소적인" 것이 아니라 "단지 입자인데 광자에 의해 교란되어 시간과 위치가 혼란스럽게 관측되는" 것이라 주장하고 있는 겁니다. 물론 그 입자 자체의 본질을 더 환원해 보면 고전적 입자와는 다를겁니다. 끈의 진동이던 차원이 꼬여있던 이것은 끈이론이나 다른 T.O.E.의 후보가 결정할 문제지만 일단 양자론에서의 양자는 입자로 보고 문제를 풀고 있고 따라서 입자로 보아도 무방하다는 소립니다. 그러나 파동으로 보아서는 광량자가설부터 이미 설명이 안된다는 소립니다.

당연히 파인만 이래, "이상한 입자"로 일관된 설명을 꾸미는 것이 좀 더 편해 졌을 뿐, "오차가 있는 파동"이라는 개념자체가 부정된 것은 아니라는 말은 사실입니다. 어떤 의미에서는 입자/파동의 이중성은 여전히 유효합니다. 그러나 보어나 슈레딩어, 하이젠베르크가 말했던 그러한 "자연의 본질로서"의 이중성과는 다소 다른겁니다. 어디까지나 그들이 발견했던 파동함수는 차후에 보른의 확률적 해석에 의해 밝혀지지만 관측확률이 파동의 모습을 그리는 것이지 그 입자 자체가 파속이거나 파동성을 지니고 있다는 의미가 아니었습니다. 어디까지나 입자의 운동경로나 발견확률이 파동함수를 그리는 것 뿐인 것입니다. 파동이 입자인척 움직인다는 하이젠베르크의 해석이나 아에 파동으로 본 슈레딩거의 해석은 엄밀히 말해 틀린 것이 되었습니다. 그 방정식은 물론 매우 의미있는 해를 얻을 수 있었지만 보어의 말처럼 입자의 본질이 파동과 입자의 상보성을 지닌다는 가설은 일단 틀렸단 말입니다. 결론은 본질적으로 양자가 고전적 입자란 소리는 아니고 -뭔가 미세구조가 있겠죠. Super String 이던 뭐던... 색이나 향등이 있는 걸 보니- 최소한 보어 슈레딩거 하이젠베르크 시절의 웨이브 패킷이나 허깨비 양자나 상보성 원리 이런건 아니란 소립니다.

결국 양자역학에서 상보성이론에서 입자쪽으로 굳어지게 된 것은 파인만이 아니라 막스 보른때부터 이미 그랬던 겁니다. 양자는 입자고 파동함수의 제곱에 의해 구해지는 수치는 그 1개의 입자가 발견될 확률의 전자구름이었던 것 본질적으로 입자가 파동처럼 넓게 퍼졌다가 오므라들었다가 하는 그래프가 아니었다는 겁니다. A포지션에 0.2개 발견되고 B포지션에 0.04개 발견되는 게 합쳐져서 1개의 양자가 되는게 아니란 말입니다. 결국 그 입자는 한 순간 한군데에서만 발견됩니다. 그 확률이 1을 넘지 못하니까요. (QED까지 가면 모든 곳에서 쌍생성 쌍소멸이 일어나므로 모든 곳에서 입자가 발견될수도 있겠습니다마는 ㅡ_-;;;)

고전역학은 틀리고 양자역학은 맞다. 라는 말에 대해서는 제가 이렇게 충분히 부연했습니다. 엄밀히 말하면 "고전역학은 양자역학의 좋은 근사이다." 라고 말했고 "특정한 상황(극한값으로 n이 커지는 상황) 에서는 고전역학과 양자역학이 일치한다." 라고 말했고 "고전역학도 엄밀히 말했을 때 틀렸다 하는 것이지 완전히 틀린 것이라고 말한 것은 과장이다"라고 정확히 말했습니다. 따라서 그 부분에 대해서는 더이상의 변론이나 이견이 필요없을 것으로 봅니다. --musiki

약간 오해를 하신 것 같은데, 다시 한번 제 글을 차근차근 읽어보시기 바랍니다. 제 글에서 말한 것은 고전적인 현상에서 양자역학적인 예측과 고전적인 예측 사이의 오차가 실험적으로 측정 불가능하다는 것이지, 모든 현상에서 그 차이를 측정할 수 없다는 뜻이 아닙니다. 예를 들면 길이 1m짜리 줄에 1kg짜리 진자가 매달려 있어서 주기를 측정하는 경우, 고전역학으로 계산한 주기와 양자역학으로 계산한 주기 사이의 오차는 실험적으로 도저히 확인할 수 없을 정도로 미미합니다. 따라서 그런 현상을 기술하는 데 있어서는 양자역학이나 고전역학이나 동등하다는 뜻입니다.

여기까지는 동의하신 듯 하니 약간만 더 덧붙이겠습니다. 빛의 반사나 굴절은 양자역학적으로도 잘 설명이 되지만, 고전적인 파동 이론으로도 매우 잘 설명이 됩니다. 광전효과는 빛의 반사나 굴절과는 전혀 다른 현상입니다. 파동 이론으로 광전효과가 설명되지 않는다고 해서 빛의 반사나 굴절을 파동 이론으로 설명하는 것까지도 모두 틀린 설명이라고는 할 수는 없습니다. 엄밀하게 말하면 두 이론 다 근사치일 뿐이고, 우리가 알 수 있는 것은 반사나 굴절 현상에 대해서 실험으로 얻을 수 있는 오차 범위 안에서는 두 이론 모두 옳다는 것입니다. musiki님의 표현대로 하자면 고전적인 파동 이론과 양자역학 모두 보다 나은 이론의 근사일 뿐입니다.

따라서 “이미 빛은 입자라는 것이 밝혀졌다” 또는 “빛의 반사나 굴절을 설명하는 데 있어서 고전적인 파동 이론은 틀렸고 양자역학적인 설명이 옳다”는 식의 표현은 약간 수정할 필요가 있다고 생각합니다. 물론 “빛을 입자로 해석할 경우 더 많은 현상을 설명할 수 있다.”는 것에 대해서는 저 역시 이견이 없습니다. 오해가 풀렸다고 생각하신다면 수정해 주실 것을 부탁드립니다. -- ALee

거기까지 동의하기는 어렵습니다. 파동으로는 설명 못하는 부분이 있는데 반해 입자로 해석해서 설명되지 않는 것은 현재로는 없습니다. (일반상대성 이론과 결합하는 부분은 설명이 안되고 있습니다마는) 최신의 양자역학의 결과물까지 갈 것도 없이 광전효과 하나만으로 우린 최소한 파동은 아니며, 파동으로 해석하는 것이 틀렸다는 것을 인지함이 타당합니다. --musiki

계속 재미있는 토론이었던 것 같은데, 상당히 오래된 것임에도 또 덧붙여 봅니다. 최신의 연구결과가 아니더라도 '영의 간섭실험'은 입자로써 해석이 불가능합니다. 빛은 아니지만 전자가 원자핵에 bounding된 현상도 설명 못합니다. 최신도 아니지만, 그래도 최신이라고 한다면, 고체 내부에서 WeakLocalization이나 완전도체의 PersistentCurrent도 입자로써 해석이 불가능합니다. 기타 Phase effect가 들어가는 것 모두 설명이 불가능합니다. 이 것들은 모두 이론적으로, 실험적으로 연구되어 왔고 연구되고 있는 것들입니다. 아마도 musiki 님께서 보신 책에 나온 얘들은 고에너지에 국한 되는 얘기가 아닌가 싶습니다. 저온물리의 관점에서 보면 입자보다 파동의 성질이 훨씬 중요합니다. --jiinny

말씀하셨듯이 일반상대성 이론과 결합하는 부분은 설명이 안되고 있습니다. 따라서 musiki님의 논리대로라면 그것 하나만으로도 양자역학은 이미 틀렸다는 것을 인지하는 것이 타당합니다. 우리가 말할 수 있는 것은, 양자역학이 일반상대성이론과 충돌하지 않는 범위 내에서, 그리고 측정 가능한 오차의 한계 내에서 우리의 모든 경험과 어긋나지 않는다는 것 뿐입니다. 마찬가지로, 우리는 고전 이론들이 특정 범위 내에서는 우리의 경험과 일치한다고 말할 수 있습니다. 현대 과학이 말해줄 수 있는 것은 여기까지입니다.

이미 고전역학도 양자수가 매우 커질 경우 우리의 경험과 일치한다는 것을 인정하셨고, 양자역학 역시 완전한 이론은 아니라는 것을 인정하셨습니다. 빛이 단순한 입자가 아니라는 것도 인정하셨습니다. 그럼에도 불구하고 musiki님께서 위에 적으신 글은 처음 읽는 사람에게는 인정하신 것과는 정 반대의 뜻으로 받아들여지게 될 가능성이 매우 높아 보입니다. 그렇기 때문에 인정하신 내용이 글에 반영되도록 수정해 주실 것을 요청하는 것입니다. 혹은 정리해서 양자역학 페이지로 가면 될 것 같습니다. -- ALee

상대성이론과 결합하는 방법을 모르고 있는 것 뿐입니다. 그런 연유로 틀렸다 말하는 것은 괴델의 불완정성 원리에 의해 모든 수학이 다 틀렸다고 주장하시는 것과 다름이 없어져 버립니다. 그런식의 논거는 전혀 환영할 만하지 못합니다. 영의 간섭실험은 입자로 해석이 충분히 가능하고 파인만은 분명히 설명하고 있습니다. 만약 빛이 파동이라면 광자 한개를 쏴도 간섭무늬가 만들어져야 하지만 실제로 광자 한개를 쏘면 반대쪽에 광자 한개가 가서 박히는 것을 분명히 우리는 실험을 통해 봐왔습니다. 여러개를 쏘면 파동성의 물결무늬가 나타날지언정 광자를 한개 두개 쏘면 반대쪽에 박히는 것은 분명 한개 두개의 광자입니다. 광자는 한개 두개 셀 수 있는 분명한 입자이고 보즈는 이를 기반으로 보즈-아인슈타인 통계를 이용해 플랑크의 방정식을 그대로 유도해내는데 성공합니다. --musiki

비단 양자역학 뿐만 아니라 자연과학에 있어서 세상에 완전히 옲은 이론은 하나도 없습니다. 다만 그 당시의 기술 수준으로 검증 가능한 범위 안에서 옳다면 그냥 일단은 옳은 이론으로 받아들이는 것 뿐입니다. 뿐만 아니라 어떤 것을 양자역학의 경우 어떤 것을 기본 가정으로 받아들여야 하는가에 대해서도 아직까지 물리학자들 사이에 의견의 일치를 보지 못하고 있습니다. 또, “파동의 성질을 갖는 기이한 입자”와 “입자의 성질을 갖는 기이한 파동”이 대체 무슨 차이가 있습니까? 소리도 에너지 간격이 너무 작아서 우리가 느끼지 못할 뿐 실제로는 양자화 되어 있습니다. 실제로 고체물리에서는 내부에서 전달되는 소리를 포논이라는 입자로 취급한다는 것은 알고 계시리라 생각합니다. 그렇다면 소리도 파동이 아닌 입자라고 불러야 합니까? -- ALee

파동의 성질을 갖는 기이한 입자라는 것 자체에 동의하지 않습니다. 파동의 성질을 가지는 이유는 어디까지나 통계적 현상에 의한 결과물이 파동의 성질을 가지게 되는 것이고 이는 알고보면 전혀 기이하지도 않습니다. 단지 힘이건 위치건 진동하면서 전진하는 입자. 이것으로 설명은 충분합니다. 포논은 양자의 성격을 가진 파동입니다. 여기서 양자는 꼭 입자를 말하지는 않습니다. 퀀타이즈되어 있으면 양자입니다. 전자기력의 진동이 파군을 형성하는 것이 포논입니다. 포논은 실체가 아니고 그 현상을 매개하는 끊임없이 오락가락하는 입자가 있습니다. 전자 궤도가 양자화되어있을망정 이는 분명히 입자입니다. 분명히 반지름을 가지고 있고 내부구조를 가지고 있는 실물이라는 것입니다.

광자를 한개 두개 쏘면 분명 반대쪽에는 한개 두개씩 박힙니다. 단지 경로가 파동의 성향을 가질 뿐입니다. 이보다 빛의 입자설을 보다 더 명쾌하게 설명하는 내용은 없습니다. 광자가 파동이라면 매질이 없는데도 진동하는 이유를 설명할 수도 없고 전자파와 자기파가 수직을 이룰때 어느쪽이 광자의 실체인지 정의할수도 없습니다. 가장 기본적인 광전효과도 설명할 수 없습니다. 기존의 파동이론으로는 국소화된 광 펄스를 논하는 것도 어렵습니다. 슈레딩거와 드브로이 가 만들어낸 파동방정식의 실체는 물질 자체를 논하는 것이 아니라 입자가 발견될 확률을 논하는 것이라는 것이 막스보른의 확률적해석입니다. 빛이 입자라는 설명이 성립되는 이유는 이상과 같습니다.

음파도 마찬가지 입니다. 실제 구현이 가능한지는 모르겠지만, 이론적으로는 포논 한개씩 쏘는 것을 생각할 수 있고, 그러면 분명 반대쪽에 한개 두개씩 박힙니다. 단지 경로가 통계적으로 파동의 성향을 가질 뿐입니다. musiki님께서 자주 언급하시는 초끈이론에 따르면 전자나 광자 이런 것들도 실체가 아니라 그냥 끈의 진동일 뿐입니다. 어디까지 입자로 보고 어디부터 파동으로 볼 것인가는 그냥 편의상의 문제일 뿐입니다.

에너지 양자화에 반하는 내용은 없는가 그렇지는 않습니다. 양자화되는 이유는 그 에너지 스테이트가 안정하기 때문이고 그렇지 않은 에너지 스테이트는 펨토세컨드 안에 무너지기 때문입니다. n=0에서 n=1로 그냥 도약하느냐. 그게 아닙니다. 입자가 행하는 경로가 있는겁니다. 양자광학에서 보면 n=0.5의 상태도 확률적으로 분명 존재합니다. 그때에는 펨토세컨드 안에 또하나의 광자를 흡수하지 못하면 n=0으로 다시 추락할 것이고 흡수해내면 n=1의 상태로 올라갈수 있습니다. 바닥상태에서 적외선 광자 한개가 아니라 가시광선 광자 두개를 흡수해서 들뜬상태로 도약하는 현상이 분명 존재합니다. 기존에 생각했던 파동의 양자화로는 설명될 수 없는 내용입니다.

최근의 양자장론은 분명 입자가 기본적 존재라고 보고 Field는 입자들의 상호 간섭현상때문이라고 생각하고 있습니다. 오해하시는 분들이 있는 ㅇ데 이는 분명 빛입자들간의 상호간섭이란 말이 아닙니다. 빛알갱이를 한개두씩 쏴도 같은 현상이 일어납니다. 빛은 알갱이 단위를 가진 입자입니다. --musiki

양자장론에서는 기본입자가 존재하고 Field가 입자들의 상호작용이라고 생각하는게 아니라 Field 자체를 양자화합니다. musiki님께서는 양자역학에 대해서 굉장히 많이 오해하고 계십니다. 일반인을 위한 책자에 쉽게 풀어 쓰기 위해 나와 있는 비유적인 설명을 너무 곧이곧대로 받아들이고 계신 것 같습니다.

양자역학을 해석하는 방법에 따라 차이가 있기는 하겠지만, 가장 널리 받아들여지고 있는 해석 방법인 코펜하겐 해석을 받아들인다면, 양자역학은 기본 입자가 입자이건 파동이건, 또는 그 둘 다 아닌 무엇이건 전혀 상관하지 않습니다. 양자역학이 말해 주는 것은 단지 우리가 어떤 것을 측정할 때 그 값이 무엇이 나올 것인가 하는 것 뿐입니다. 그 측정 대상이 무엇인가 하는 것에 대해서는 양자역학은 아무 말도 해 주지 않습니다. -- ALee

5. 워프나 순간이동이 가능한가?

어떤 입자가 임의의 공간에 나타날 확률은 0이 아니다. 만약 그 임의의 공간에 그 입자가 나타날 확률이 0이라면 위치의 불확실성이 0이되어 불확정성의 원리를 만족시키지 못한다. 그렇다면 입자는 모든 임의의 공간에 나타날수 있다. 예를 들어 한점에서 그 입자가 존재할 가능성이 1에 가깝다고 한다면...10km떨어진 곳에서 그 입자가 발견될 확률은 0인가? 10km떨어진 곳에서 그 입자가 갑작스럽게 발견될지도 모른다. --사과나무

0이 아니지만 아주작은 값이겠지요. 그래서 실재로는 거의 절대로 볼수 없는 것일게구요. -- ohdh2003

예를 들어 제 육체 전체가 지금 위치하는 곳과 포텐셜이 같은 어떤 곳으로 순간이동하는 것은 양자역학적으로는 불가능한 현상이 아닙니다. 단지 거의 존재하지않는다라는 말로도 표현이 부족할 만큼 그 확률이 극미에 극미하지요. -- Khaosmos

입자가 지금 위치한 곳에서 순간이동한다는 말 자체가 어떤 조건에서 말하는지는 모르겠지만, 지금 위치라는 것을 알기 위해서는 측정을 해야합니다. 지금의 위치라는 것을 측정하고 나면 최소한 지금있는 위치에서 빛의 속도로 가는 범위에 있지 않은 범위로 가는 것은 불가능 합니다. 공간상에 양자가 존재할 때 어느 곳이든 존재할 확률이 있다는 얘기와는 다른 뜻이겠지요. 물론 순간이동이라고 하는 것이 빛의 속도를 능가한다는 의미일 것이 다분하므로, 순간이동은 불가능합니다. 하지만, QuantumTeleportation 을 이용하면 순간적이 이동이 가능합니다. 하지만, 이것은 엄밀한 의미에서 빛의 속도보다 빠른 이동(SuperluminalTransportation)은 아닙니다. 고전적인 정보를 전달해야하는 문제가 있습니다. -- jiinny

0으로 보면 됩니다. 만약 입자가 워프한 듯이 보였다면 단순히 A입자가 A지점에서 쌍소멸을, B입자가 B지점에서 쌍생성을 동시에 이룬 것 뿐입니다. -질량, 에너지 보존법칙에 의거- A입자가 A위치에서 사리진 순간 B입자가 B지점에서 생겨난 것 뿐이지, A입자가 B지점으로 광속을 초월해 순간이동한 것이 결코 아닙니다. 물론 입자는 헤어스타일이 없으므로 계산이나 관측상 A입자와 B입자는 완전히 같은 것으로 구분될 수 없습니다. 우리의 계산이나 관측으로는 사실상 워프하고 차이가 없죠. 뿅 하고 워프한다는 개념은 상대성이론을 무시한 디랙 이전의 아이디어죠. --musiki
위의 질문이 장론까지 거론할 여지는 없다고 봅니다만, 쌍소멸과 쌍 생성이 이루어졌다고 해도 빛의 속도 이상의 진행은 할 수 없습니다. 단, 입자가 많은 계가 아니라 입자가 하나인 계를 생각할 때 그렇다는 겁니다. --jiinny



지금 1년 이상 토론이 진행중인데 사람들이 얼마나 있는지 궁금하네요. 양자역학 페이지에는 양자역학에 어울리는 내용을 담기 위해 소개나 대두되는 내용은 양자론 페이지로 옮기고 다시 시작했으면 싶습니다. 다른 의견이 없다면 페이지 정리를 좀 할 생각입니다. -- musiki 2006-05-04 18:31:56

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