양자 역학은 관련하기 어려운 파동 함수에 대한 가정을 기반으로하기 때문에 이해하기 어렵습니다. 또한 양자 입자는 고전 법칙에 순종하지 않으므로 행동을 예측하기가 어렵습니다. 또한 양자 역학의 수학적 프레임 워크는 이해하기 어렵다.
공상 과학 만화를 읽은 적이 있다면 자주 던져지는 유행어 중 일부를 발견했을 것입니다. "Quantum Mechanics", "Singularity", "Quantum Decoherence"및 What Not과 같은 단어. 그들은 다른 것과 달리 독자들의 관심을 끌고 현상에 관한 미스터리 감각을 소개하는 것처럼 보이며 독자는 양자 세계에 대해 궁금해합니다. 이것은 QM이 이해하기 어려운 이야기에 기여합니다.
글쎄, 과학의 진정한 아름다움은 신비한 현상의 경이로움이 아니라, 그것들을 이해하고 지식의 경계를 밀기위한 반복적 인 시도에 있기 때문에 양자 세계를 탈취하려고 시도합시다.
에너지의 양자화 :확립 된 법률 중단
물리학의 '양자'라는 단어는 특정 실체를 설명하는 형용사가 아닙니다. 대신, 양자는 실제로 '양자화'라는 단어에서 나옵니다. 1900 년대에, 마이크로 스케일 시스템의 에너지 (분자, 원자, 금속에 결합 된 전자 등)의 에너지는 허용 된 값을 가질 수 있음을 발견했습니다. .
테니스 공을 던지는 것을 상상해보십시오. 공의 속도는 원칙적으로 0km/h ~ 150km/h (사실상, 팔 강도에 따라)의 연속 범위에서 속도를 가질 수 있습니다. 그러나 볼이 양자 기계 법칙을받는 경우, 공은 예를 들어 2km/h (즉, 2, 4, 6, 8,…)의 속도 또는 3km/h (즉, 3, 9, 27, 81,…)의 속도로 만 움직입니다. 이것은 공이 움직일 수없는 금지 된 속도가 있다는 것을 의미합니다. 따라서 속도 대 시간의 플롯은 불연속적인 플롯 일 것입니다. 이 다소 터무니없는 현상은 실제로 전자 및 양성자와 같은 양자 입자에 대해 사실입니다. 이것을 속도의 양자화라고합니다 . 운동 에너지는 속도에 의존하기 때문에 속도의 양자화는 또한 에너지의 양자화로 이어진다. .
자외선 재앙 :양자 세계의 첫 번째 힌트
19 세기 후반, 물리학 자들은 이상적인 흑체에 의해 방출되는 총 에너지를 계산하려고 노력했습니다. 여기에는 고전 물리학의 법칙을 사용하여 흑체를 구성하는 모든 원자의 에너지를 요약하는 것이 포함되었습니다. 그 뒤에 물리학의 기초가 핵심으로 흔들렸다. 주변 환경과 함께 열 평형에서 흑체에 의해 방출되는 에너지는 Infinite 입니다. . 평신도의 관점에서, 이것은 흑체에 의해 방출되는 에너지가 모든 별, 행성, 혜성, 소행성 등의 에너지보다 더 크다는 것을 암시했다. .
'재앙'은 낮은 파장/고주파에서 고전 이론에 의해 작성된 잘못된 예측이었습니다. 그것은 고전 물리학에 근본적으로 무언가가 결함이 있음을 나타냅니다. (사진 크레딧 :Larenmclan/Wikimedia Commons)
이 터무니없는 결과로 물리학 자들은 대체 이론을 찾아야했다. 맥스 플랑크 (Max Planck)가 흑체를 구성하는 원자가 특정 허용 값만으로 에너지를 방출한다고 가정했을 때 문제가 해결되었다. 간단히 말해서, 모든 원자에 의해 방출되는 에너지가 양자화되었음을 의미했습니다. 이것을 더 단순화하면, 각 원자는 특정 허용 에너지를 방출 할 수 있습니다. 이 간단한 가정은 무한한 에너지와 이론적 계산의 문제를 해결했습니다 (이전에는 터무니없는 결과를 얻었으므로) 실질적인 관찰과 일치했습니다.
이중 슬릿 장치. (사진 크레딧 :Nekojanekoja/ Wikimedia Commons)
고전 이론 (테니스 볼)은 시트에서 얻은 눈에 띄는 패턴이 무작위 일 것이라고 예측합니다. 이 이론을 Quantum World (단일 전자)로 확장, 사진 필름의 임의의 파업 패턴 ( f ) 예상 될 것입니다.
그러나 관찰은 물리학 자들을 놀라게했다. f 에서 얻은 패턴 고강도 영역과 저 강도는 일반 거리를 구분합니다. 이 패턴은 광파로 인한 간섭 패턴과 유사합니다. 입자 (전자)에 의해 발생하는 파의 명확한 패턴 특성을 식별 한 후, 입자도 파도와 같은 특성을 갖는다는 결론을 내렸다.
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단일 전자로 인한 간섭 패턴. (사진 크레디트 :Tonomura/Wikimedia Commons 박사)
Quantum Decoherence :관찰 가능성 파괴
단일 전자 간섭 실험을 통해 계속해서, 원래, 장치는 실행 중에 관찰되지 않은 상태로 유지되었다. 그것은 전자가 방출되고 필름을 때리는 동안 f , 프로세스에 대한 관찰은 없었다. 실험이 몇 시간 동안 실행 된 후에는 멈추고 필름 f 검색되었습니다. 그러나 실험이 카메라로 기록된다면 어떻게해야합니까? 또는 육안으로 관찰 되었습니까?
놀랍게도, 간섭 패턴은 사라지거나 오히려 이전과 같은 패턴이 관찰되지 않았다. 이 경우 테니스 볼 실험과 마찬가지로 패턴은 무작위였습니다. 다시 말해, 관찰은 간섭을 파괴합니다. 그래도 테니스 공의 경우에는 해당되지 않습니다. 원하는만큼 많은 카메라와 관중을 유지할 수 있지만 패턴은 변하지 않을 것입니다.
이것은 광자가 전자에 닿을 때 양자 규모에서 전자가 원래 경로에서 방해되기 때문에 발생합니다. 따라서 측정을 시도하기 위해 순수한 관찰이 손실됩니다.
양자 터널링
테니스 공이 벽이 무한한 방에서 움직 이도록 제한되었다고 상상해보십시오. 공이 벽을 가로 질러 고속으로도 교차하는 방법은 없습니다 (벽의 부러지는 것은 허용되지 않습니다). 벽을 건너면 공이 벽 높이보다 높아야하므로 실제로 공이 움직일 수 없습니다. 유사하게, 양자 스케일에서, 전자가 무한한 깊은 전위 우물 (벽과 유사하게)으로 제한되는 경우, 전자가 벽을 가로 지르는 기회가없는 기회 (읽기 확률)로 전자가 영원히 갇혀있을 것으로 예상 할 수있다. 그러나 QM은 다시 우리를 놀라게하기 위해 여기에 있습니다. 거기에는 유한 한 확률이 있습니다 전자가 파업 할 때 잠재적 인 벽을 가로 질러 갈 것입니다. 이것은 실생활에서도 관찰됩니다. 2 개의 금속 도체가 함께 납땜되어 관절을 고정시킵니다. 그러나 솔더는 잠재적 인 장벽 일뿐입니다. 전자는 벽을 가로 지르는 유한 한 확률을 가지므로 회로는 닫히고 전기 흐름이 계속됩니다.
터널링 효과는 파동 특성이 전자 및 영리한 수학과 관련이 있다고 가정하여 설명 할 수 있습니다. (사진 크레딧 :Yuvalr/Wikimedia Commons)
미분 방정식, 복소수 및 UG 레벨 대수에 익숙하지 않으면 수학이 물리학의 언어이므로 QM은 불필요하게 어려워 보일 것입니다. (사진 크레딧 :Inkscape /Wikimedia Commons)
