내가 만든 것을 알고 싶습니다

문제는 Quantum Theory :Erwin Schrödinger의 유명한 파도 방정식으로 시작됩니다. 그것은 모든 양자 물건이 마치 파도 인 것처럼 수학적으로 모델링 될 수 있다고 가정합니다. Schrödinger의 방정식은 큰 성공입니다. 예를 들어, 전자기 에너지로 자극을받을 때 원자의 빛이 어떤 빛의 색상이 방출되는지 정확히 예측할 수 있습니다.

그러나이 방정식의 아름다운 유용성은 전 세계 물리학 자들이 매일 작용할 수있게 해주는 원자의 실제 특성에 대한 수수께끼의 침묵을 가려줍니다. 아인슈타인은 빛이 우리가 광자라고 부르는 입자로 구성되어 있음을 증명 한 노벨상을 수상했지만 Schrödinger의 방정식은 빛과 실제로 모든 것을 파도와 같은 방사선으로 특징으로합니다. 빛과 물질이 입자와 파도 일 수 있습니까? 아니면 둘 다? 우리는 모른다.

우리는 "해석"으로 알려진 메이크업 이야기로 무지를 다룹니다. 이 이야기의 대부분을 고무시키는 고전적인 실험실 설정이 하나 있습니다. 이중 슬릿 실험으로 알려진이 기술은 물리적 치수가 물체의 질량 및 속도 (모멘텀으로 결합)에 맞게 조정되는 한 쌍의 개구부를 향해 발사되는 단일 양자 물체를 포함합니다. 실험의 끝에는 원래 객체의 최종 위치를 기록하는 탐지기가 있습니다.

우리는 Schrödinger 's Wave 방정식의 렌즈를 통해이 실험을 해석하는 경향이 있습니다. 우리가“화재”가“물체”를 말하는 것은 그것을 입자로 상상하는 것입니다. 그러나 우리는 다음과 같은 관찰을 설명하기 위해 파도와 같은 특성이라고합니다. 따라서 우리는 양자 물체가 물파와 마찬가지로 두 슬릿을 동시에 통과 할 수 있다고 말합니다. 그런 다음 물체는 슬릿에서 두 개의 별도의 파도로 나타납니다. 이들이 탐지기를 향해 여행 할 때, 그들은 서로 만나서 상호 작용하는 파도의 특징 인 패턴을 만듭니다.

이 "간섭 패턴"은 검출기를 가로 질러 왼쪽에서 오른쪽으로 보면서 고밀도 및 저밀도의 전자 영향을 교대하는 빗 모양의 패턴입니다. 예를 들어, 물파 (예 :물결)는 간섭 패턴을 생성합니다. 그래서 우리는 Quantum 대상에 대해 확실히 파도와 같은 것이 있습니다.

그러나 검출기에는 간섭 패턴이 나타나지 않습니다. 단일 양자 물체는 검출기에서 단일 위치에서 단일 입자로 나타납니다. 그런 다음 프로세스를 반복하고 다음 객체는 탐지기의 다른 위치에서 나타납니다. 예를 들어, 백만 개의 탐지 후 명확한 간섭 패턴이 보입니다.

노벨상을 수상한 물리학 자 Richard Feynman은 한때이 실험에는 양자 물리학의 유일한 미스터리가 포함되어 있다고 말했다. 주입 된 물체가 잘 알려진 골프 공과 같은 슬릿을 통해 날아가는 입자라면 간섭 패턴이 없습니다. 이 개별 대상들은 그들이 건물 간섭 패턴의 일부가되어야한다는 것을 어떻게“알 수 있습니까? 고밀도 영역에서 단일 입자가 감지되지만 금지 된 구역에서는 결코 감지되는 원인은 무엇입니까?

이중 슬릿 실험에 대한 기존의 이야기는 단일 전자가 파도와 같은 "중첩"상태에서 한 번에 두 슬릿을 모두 통과한다는 것입니다.

Bohr는 당신이 그것에 대해 전적으로 불가지론적일 수 있다고 말했다. 우리가 슬릿에서 발사 한 후, 탐지기가 우리에게 최종 위치를 말하기 전에 전자에 대해 우리가 말할 수있는 것은 없다는 것을 받아 들일 수 있다고 말했다. 이것은 양자 역학의 코펜하겐 해석으로 알려진 것의 한 가지 형태입니다.

그러나 당신은 또한 전자가 제공 한 슬릿을 통과한다는 것을 받아 들일 필요가 없습니다. 많은 세계 해석의 일부 지지자들은 전자가 둘 다 을 통과한다고 주장 할 것입니다. 왼쪽과 오른쪽 슬릿, 다른 버전의 현실. 간섭 패턴은 이러한 다른 현실 사이의 간섭의 결과입니다. 그러나 이상하게 보이는 것은 유용한 사고 방식 일 수 있습니다. 이것이 옥스포드 물리학 자 David Deutsch가 양자 계산을위한 청사진을 개념화 할 수 있었던 방식입니다.

또 다른 대안은 우리가 접근 할 수없는 숨겨진 요소가 있다고 가정하는 것입니다. David Bohm은 입자가 이중 슬릿 실험을 통해 궤적을 안내하는 "파일럿 파"를 동반하고 간섭 패턴을 만듭니다. 대부분의 물리학 자들은 양자 이론에 대한 이런 종류의 "숨겨진 변수"해석이 실험 결과와 수학적 증거의 조합에 의해 배제되었다고 말할 것입니다.

아니면 실험을하는 사람이 실험이 어떻게 진행되는지에 대한 선택이 실제로 제한되어 있다는 것을 깨닫지 못하는 우주에 살고 있다면 어떨까요? 이것은 양자 이론에 대한 해석이 아닌“슈퍼 측정주의”이며, 실험적 양자 관찰이 나타날 수있는 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 프레임이 더 많다. 이 체계에서, 전자를 주입하는 메커니즘과 그것을 감지하기위한 메커니즘을 포함하여 실험 장치의 양자 상태 사이에 감사되지 않은 연결이있다.

이 숨겨진 연결은 모든 장비를 연결하는 숨겨진 문자열 세트와 유사하므로 실험자가 탐지기 설정이 전자의 특성에 영향을 미쳤는지 알 수 없으므로 실험 시나리오를 변경했습니다. 초성애를 통해 실험자가 실험이 어떻게 수행되는지 정확하게 결정하는 것은 불가능 해집니다.

이러한 모든 시나리오에는 또 다른 암시 적 가정이 있습니다. 그 원인은 항상 효과보다 우선합니다. 우리의 시간 경험은 단지 한 방향으로 만 실행되지만 양자가 객체가 경험하는 제약은 아닙니다. 즉, 우리는“retrocausality”를 통해 이중 슬릿 실험을 해석 할 수 있음을 의미합니다. 이로 인해 반 직관적 인 행동 흐름은 나중에 효과처럼 보이는 것이 실제로 초기 조건을 생성한다는 것을 의미합니다.

일부는 전자 상태가 과거 상태와 미래 상태 모두의 영향을받을 수 있다고 제안합니다. 이것은 표면적으로 결국 어디에 있어야하는지 알 수있는 방법이 없지만 각 전자가 검출기 간섭 패턴의 은색을 만들 수있는 방법을 제공합니다.

물리학 자와 철학자들이 제안한 광범위한 해석 (여기서 언급 한 것보다 더 많은 것들)은 정답이 없다고 말합니다. 관심있는 물리학 자들은 맛으로 구독 한 것을 선택합니다.

추가 실험을 통해 우리가 그들 중에서 선택할 수 있다고 생각하는 것은 안심할 것입니다. 그러나 그것이 그럴 것이라고 생각할 이유는 거의 없습니다. 토론토 대학의 Aephraim Steinberg의 일부 실험은 예를 들어 파일럿 파도에 대한 아이디어를 뒷받침하는 것 같습니다. Steinberg는 종종 양자 물체가 이중 슬릿 실험을 통해 따르는 소위 Bohmian 궤적을 드러낸 것으로 인용됩니다. 그러나 그는 비난합니다. "나는 우리의 실험을 Bohmian 궤적을 측정하는 것으로 생각하고 싶지 않다"고 그는 말했다. 대신, 그는“그들은 기본적인 설명이 재생산 될 것으로 예상되는 양자 시스템의 속성을 '순진하게 측정합니다.”라고 인정합니다.

다시 말해,이 실험적 증거는 해석에 열려 있습니다. 일부 해석의 경우 실험적 증거가 없습니다. 예를 들어, 많은 세계 아이디어는 세계 간의 의미있는 상호 작용을 허용하지 않으며, 이는 그것이 합리적인 관점인지 경험적으로 말하는 방법이 없을 것임을 의미합니다.

새로운 실험은 때때로 나오지만 거의 차이가 없습니다. 그리고 여기에는 나를 깨뜨린 아이디어가 포함됩니다. 2021 년 후반, 아일랜드 Maynooth University의 Colm Bracken, Bristol 대학의 Jonte Hance 및 Frankfurt Institute for Advanced Studies의 Sabine Hossenfelder는 자신의 마음에 초심주의와 회고성을 구별 할 수있는 실험적 설정을 제안했습니다. 여기에는 후진 영향의 개념에서 논리적 역설을 엔지니어링하려는 벨과 휘파람이 추가 된 이중 슬릿 실험이 포함됩니다.

그러나 연구원들은 그 결과가 많은 세계, 코펜하겐 또는 파일럿 파 이론을 믿는 사람에게는 아무런 차이가 없다고 인정합니다. 옵션 범위 만 최대 하나만 줄입니다. 그리고 회고 성 지지자들은 그렇게한다는 것을 의심합니다. 요컨대, 그것은 우리를 어디로도 얻지 못합니다. 다른 모든 실험과 마찬가지로. 무지개를 쫓고 있었습니까?

양자 물리학을 조사하는 것은 정말로 정말 어렵습니다. 그것은 필요에 따라 인간 경험의 규모에서 멀리 떨어진 실험 과학이다. 그러나 한 세기의 기술 진보가 내 질문에 대답하는 데 도움이되지 않았다는 점에 주목하는 것도 유익합니다. 우리는 본질적으로 Bohr, Einstein, Schrödinger 및 Heisenberg가 현실의 실제 본질에 대해 그랬습니다. 우리는 흥미로운 기술과 철학적 수수께끼를 만들었습니다. 실제로 우주가 무엇을 만들어든지 알아낼 수 있습니까?

내 희망은 그것이 존재한다는 것입니다. 그러나 나는 그것이 급진적 인 피벗이 필요할 것이라고 생각합니다. 아마도 앞으로 나아갈 수있는 유일한 방법은 다음과 같습니다. 양자 이론 뒤에있는 수학을 다시 방문하는 것입니다.

그것은 전에 일했습니다. 과학이 갇히면 사람들은 숫자를 조작하는 새로운 방법을 발명하거나 다른 분야에서 수학 기술을 빌려 숨겨진 길을 열었습니다. Newton과 Leibniz의 미적분학, 바빌로니아 대수 및 음수의 중국 및 인도 발명은 좋은 예를 제공합니다. 일반 상대성 이론과 마찬가지로 :아인슈타인은 텐서 미적분학을 빌려서 구부러진 시공간을 묘사하는 데 대한 장애물을 해결했으며, 이는 적용하지 않고 순수한 수학자들이 개발 한 텐서 미적분학을 빌려서 묘사했습니다. 그래서, Quantum Physics가 필요로하는 솔루션은 소설 수학입니까?

Hossenfelder는“이 문제를 해결하기 위해 새로운 수학이 필요할 수도 있습니다. 그녀는 솔루션이 혼돈 이론의 수학을 더 잘 다룰 수 있다고 생각합니다. 옥스포드의 팀 팔머 (Tim Palmer) 인 슈퍼 디 테르 미니즘을 조사하는 그녀의 공동 작업자는 양자 역학이 혼란스러운 유인 자와 관련된 더 깊은 이론에서 비롯된 것이라고 생각합니다. 또는 그녀는 양자 일이하는 것처럼 타임의 화살의 폭정을 탈출하는 새로운 접근 방식에서 비롯 될 수 있다고 제안합니다. Hossenfelder는“우리의 모든 현재 이론은 초기 상태와 진화 법이있는 미분 방정식으로 작동합니다. "나는 이것이 양자 역학의 기초가 있다는 이론이 무엇이든 효과가 있다고 생각하지 않습니다."

이를 위해 Hossenfelder는 Schrödinger의 파도 방정식을 피하고 Path Integrals라는 수학적 접근 방식으로 작업하여 시간 흐름에 대해 더 유연합니다. "그래도 이것이 결국 작동하는지 모르겠다"고 그녀는 인정한다. "어쩌면 우리는 실제로 다른 것을 필요로 할 것입니다."

서부 온타리오 주 물리학 자 Emily Adlam은 또한 새로운 수학의 필요성에 개방되어 있습니다. 그녀는 최선의 길은 끊임없는 성분을 포지하는 감소 주의적 접근을 버리는 것이라고 생각합니다. 대신, 그녀는 우리가보다 전체적인 방식으로 양자 세계를 이해하려고 노력해야한다고 제안합니다. "현재 물리학에서 우리가 사용하고있는 수학적 방법은 이런 종류의 전체적인 설명에 적합하지 않으므로 새로운 것이 필요할 가능성이 높습니다."그녀는 나에게 말했다.

그러나 그녀는 새로운 브랜드 일 필요는 없다고 지적합니다. 그녀는“물리학에서 아직 어떤 응용도 발견하지 못한 순수한 수학자들이 개발 한 많은 수학이있다”고 말했다. "따라서 우리가 필요로하는 수학이 순수한 수학 세계에는 이미 존재할 가능성이 매우 높으며, 아직 물리학에 적용하는 방법을 보지 못했습니다." 다시 말해, 그것이 상대성에 대해 효과가 있다면 아마도 양자 이론에 효과가있을 수 있습니다.

완전한 공개 :많은 과학자들이 이것에 대해 나에 동의하지 않습니다. 예를 들어 옥스포드의 블라 트 코 베드 랄 (Vlatko Vedral)은 회의적입니다. "양자 물리학 (선형 대수)에 필요한 수학이 완벽하게 잘 작동하는 것 같습니다."라고 그는 말했습니다. 그는 Bohr와 마찬가지로 모든 문제가 언어의 한계에서 비롯된 것이라고 생각합니다. “결합‘또는’도‘그리고’는 양자 중첩으로 우리가 의미하는 바를 묘사하지 않습니다. "라고 그는 지적했다. "아마도 수학이 아니라 양자 세계를 제대로 반영하기 위해 진화 해야하는 것은 우리의 언어 일 것입니다."

도이치도 현실의 본질에 대한 우리의 이해에 대한 불만족에 참을성이없는 것처럼 보였다. "누군가가 똑같이 잘 말할 수도 있습니다. 우리는 개가 어떻게 생겼는지, 어떻게 행동하는지 알고 있을지 모르지만 개가 실제로 무엇인지 알지 못합니다." 그는 개는 원자의 수집이며, 원자는 쿼크와 ​​렙톤의 모음이며, 양자 분야에 의해 설명 될 수 있다고 말했다. 누구든지 더 원하는 것이 무엇입니까?

Hossenfelder조차도 완전히 확신하지 못합니다. 그녀는“나는 과학의 일이 무엇인지에 대한 질문에 대답하는 것이 과학의 과제라고 생각하지 않습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그녀는 과학이 우리가 관찰 한 내용을 설명하는 것과 관련이 있다고 생각합니다.

나는 무엇입니까? 나는 진실을 밝히기 위해 나의 새로운 호감, 수학을 기다리는 작은 설명 할 수없는 양자 물체의 클러스터입니다.

Michael Brooks는 영국에 기반을 둔 과학 작가입니다. 그의 가장 최근 책은 입니다 더 많은 예술 :수학이 어떻게 문명을 창조했는지 .