지식보관소_ 많은 사람들이 오해하는 양자역학에 관련된 개념

 

 

제 채널에서 양자 역학과 관련된 콘텐츠를 보다 보면

많이 언급되는 단어 중 하나가

[관측]이라는 표현인데요.

예를 들어서

이중슬릿 실험을 설명할 때

광자나 전자가 관측 전에는 파동의 성질을 지닌다는 표현을 하고는 합니다.

 

그러면 여기에서 관측이라는 것은 과연 무엇일까요?

양자역학 콘텐츠를 올리고 나서 사람들이 댓글에다가 드립으로

‘그래서 집에서 자꾸 펜이 없어지는구나’

이러한 댓글들을 남기는 걸 보면서도

저도 참 재밌다고 웃었었는데요.

 

당연히 대부분의 사람들은

관측의 의미가 그게 아니라는 것을 알고 있을 것이지만

간혹 진지하게 이메일로 이를 물어보거나

내가 안 보면 거실에 있는 엄마가 사라지는 거냐고

그게 말이 되는 거냐고

뭐라고 하시는 분도 있었습니다.

 

그리고 최근에 인스타를 다시 만들면서

DM으로도 이를 물어보시기도 하는데요.

그래서 오늘은 양자역학과 관련해서

오해하시는 부분들에 대한 내용을 이야기해 보고자 합니다.

 

 

일단 관측이라는 건

다른 입자 간의 상호작용을 의미합니다.

왜냐하면 인간의 오감을 포함한

우주에 존재하는 그 어떤 물리적인 방법들을 총동원한다고 하더라도

상호작용이 없이는

관측이라는 게 불가능하기 때문이죠.

 

가령 우리가 눈으로 어떤 사물을 본다고 하는 건

그 사물로부터 빛이 날아와 우리 눈으로 들어왔다는 것이고

이건 광원으로부터 광자가 날아가서

그 물체와 상호작용을 하고서 우리 눈으로 들어왔다는 것이죠.

 

오감 중의 촉각은

우리 피부 세포와 해당 물체가 직접적으로 전자기력으로 상호작용한 결과이며

소리를 들을 수 있는 청각도

공기 분자와의 상호작용이 필요합니다.

 

뿐만아니라 LiDAR 센서가 사물의 위치를 추적을 할 수가 있는 건

결국에는 센서에서 전자기파가 날아가서

물체에 부딪히고 나서 다시 돌아오는 것을 관측을 하는 것이고

어떠한 레이더든 센서든

결국에는 대상 물체와 무언가가 상호작용을 하지 않고서는

측정하는 것이 불가능합니다.

 

즉 관측이라고 하는 행위는

인간의 오감을 포함한

우주의 모든 물리 법칙을 동원한다고 해도

관측대상과의 상호작용이 결국에는 필요하다는 것이죠.

 

한마디로 우리는 단지

눈앞에 있는 사물을 본 것뿐이라고 생각할지는 모르지만

이 [본다]는 행위 자체가 성립한 이유가

이 물체의 물리량에 변화를 가져오는 그런 행위인 것이죠.

 

즉 이중슬릿 실험에서

전자가 스크린에 도달할 때까지 관측을 당하지 않았다는 건

스크린 도달까지 물리량의 변화를 가져오는 변수가 없었다는 것입니다.

 

하지만 우리가 이중슬릿을 통과할 때

전자가 두 슬릿 중에 어디로 통과하는지 관측을 하려고 한다면

결국에는 전자의 운동에 변화를 가져오게 됩니다.

이러한 행위를 관측이라고 하는 것이죠.

 

여기서 또 다른 오해 중 하나는

관측을 하지 않으면 파동으로 이동슬릿을 통과하게 되는데

관측을 하지 않고 어떻게 그것을 알 수가 있느냐 하는 것입니다.

 

일단 우리는 이중슬릿을 통과할 때

어떠한 상태인지를 아는 것이 아니라

스크린에 전자가 도착한 위치를 기록한다는 것입니다.

 

그러니까 만약 전자가 입자라면

이중슬릿을 통과하고 스크린에 도달할 때

전자가 있는 위치는

슬릿과 발사지점을 이은

일직선의 위치에 도달해 있어야 합니다.

 

그리고 이 과정이 누적이 되다 보면

결국에는 이중 슬릿의 모양대로 전자가 스크린에 도달해 있겠죠.

 

이는 이중 슬릿 중 한 곳에서 관측을 한다면

실제로 이렇게 슬릿의 모양대로

전자가 스크린에 도달한다는 것을 알 수가 있습니다.

 

하지만 만약 관측을 하지 않는다면

전자는 전혀 다른 곳에서도 발견이 되는데요.

이러한 과정을 반복하다 보면

결국에는 파동의 형태로 슬릿을 통과한 것처럼

스크린에 간섭무늬가 만들어진다는 것이죠.

 

결국에는 우리는 이를 통해서

전자가 관측을 하지 않을 때는

입자가 아닌 형태로 이중슬릿을 통과하고

이중슬릿 중 한 곳만 관측을 한다고 해도

입자로 붕괴가 되어서 통과한다는 것을 알 수가 있습니다.

 

그리고 또 알아야 하는 것은

이중슬릿이 엄청나게 큰 구멍을 통과하는 게 아니라는 것입니다.

실제로 여러분이 아는 것처럼

간섭무늬가 나오려면 이 영상처럼

이중슬릿의 크기가 매우 작을수록

그리고 슬립 간의 간격이 매우 좁을수록

더 정확하게 나오게 됩니다.

 

그리고 또 중력은 상호작용이 아니냐고

궁금해하는 분들도 있는데

일단 중력은 시공간이 휘어져서 생기는 것이기 때문에

광자나 전자 입장에서는

중력에 의해서 떨어지는 것이 아니라

시공간이 휘어진 대로 가고 있는 것일 뿐이기 때문에

새로운 변화량이 생긴 것이 아닙니다.

 

그리고 전에 얘기한 것처럼 가장 중요한 것은

결국 변화량입니다.

 

결국 관측이라는 것 자체가

운동량에 예기치 못한 변화를 만들어내는 것이기 때문에

관측을 하면 입자로 붕괴한다는 것입니다.

 

이를 반대로 말하면

원래의 계산에서 변화량이 생기지 않는다면

파동 상태가 유지된다는 것이죠.

 

결국에는 이러한 내용이

이전의 영상에서 얘기를 했던 것처럼

컴퓨터 프로그램에서 변화량이 새롭게 생기지 않으면

연산을 하지 않는 것처럼

우주도 중간에 관측이라는 행위로

원래의 물리량에 예기치 않은 변화량이 생기면

입자로 붕괴하게 되고

변화량이 생기지 않을 때는 파동상태라는 것입니다.

 

왜 우주가 그렇게 동작하는지는 몰라도

이는 단지 전자에만 국한된 것이 아니라

모든 물질이 마찬가지라는 것이죠.

 

다만 우리 주변에 있는 사물들은

너무나도 복잡하고 크기가 크며

이로 인해서 항상 관측되는 상태에 있기 때문에

파동 상태가 되지는 못하는 것이죠.

 

 

지금까지 제 비즈니스 메일로 질문을 주신 분들이 굉장히 많았는데요.

답변을 못 드린 분들이 굉장히 많은데

이제는 인스타 DM으로 질문을 주시면

시간 될 때 답변을 드릴 수 있도록 하겠습니다.

...

그러면 이만.