보어-아인슈타인 논쟁

Bohr–Einstein debates
닐스 보어(왼쪽)가 알버트 아인슈타인(오른쪽)과 함께 라이덴에 있는 폴 에렌페스트의 집에서 (1925년 12월)

보어-아인슈타인 논쟁알버트 아인슈타인닐스 보어 사이의 양자역학에 대한 일련의 공개적인 논쟁이었습니다. 그들의 논쟁은 과학 철학에 대한 그들의 중요성 때문에 기억되고 있습니다. 불일치와 보어 버전의 양자역학이 일반적인 견해가 된 결과가 물리학에 대한 현대 이해의 뿌리를 형성하는 한 말입니다.[1] 1927년 솔베이 등에서 열린 대부분의 사건은 보어가 수십 년 후 "원자물리학의 인식론적 문제에 대한 아인슈타인과의 논의"라는 제목의 기사에서 처음으로 작성했습니다.[2][3] 기사를 바탕으로 토론의 철학적 쟁점은 보어의 양자역학에 대한 코펜하겐 해석이 자연을 설명하는 데 타당한지 여부였습니다.[4] 양자역학을 굳히는 데 도움을 준 그들의 의견 차이와 후속적인 발견에도 불구하고, 보어와 아인슈타인은 그들의 남은 인생을 지속하는 상호 감탄을 유지했습니다.[5][6]

비록 보어와 아인슈타인은 동의하지 않았지만, 그들은 평생 좋은 친구였고 서로를 호일처럼 사용하는 것을 즐겼습니다.[7]

혁명 이전의 논쟁

아인슈타인은 플랑크가 양자(h)를 발견하려면 물리 법칙을 다시 써야 한다고 말한 최초의 물리학자였습니다. 그의 주장을 뒷받침하기 위해 1905년에 그는 빛이 때때로 그가 빛 양자라고 부르는 입자 역할을 한다고 제안했습니다(광자파동-입자 이중성 참조). 보어는 광자 아이디어에 대해 가장 목소리를 높인 반대자 중 한 명으로 1925년까지 공개적으로 받아들이지 않았습니다.[8] 광자는 1900년 플랑크가 수학적으로 제시한 숫자 뒤에 있는 물리적 현실(비록 혼란스러운 현실)로 보았기 때문에 아인슈타인에게 어필했습니다. 보어는 수학적 해법의 선택을 자의적으로 했기 때문에 그것을 싫어했습니다. 보어는 과학자가 방정식들 사이에서 선택해야 하는 것을 좋아하지 않았습니다.[9] 이것은 아마도 최초의 진짜 보어-아인슈타인 토론이었습니다. 아인슈타인은 1905년에 광자를 제안했고, 콤프턴은 1922년에 광자가 실험적으로 존재한다는 것을 증명했지만, 보어는 그 때에도 광자가 존재한다고 믿기를 거부했습니다. 보어는 1924년에 BKS 이론을 작성함으로써 빛의 양자의 존재에 대항했습니다. 하지만, 아인슈타인은 옳았고 보어는 빛 양자에 대해 틀렸다는 것을 증명했습니다.[10]

양자 혁명

1920년대 중반의 양자 혁명은 아인슈타인과 보어의 지시로 일어났고, 그들의 혁명 이후 논쟁은 그 변화를 이해하는 것이었습니다. 아인슈타인에 대한 충격은 1925년 베르너 하이젠베르크가 공간과 시간의 뉴턴적 요소를 어떤 근본적인 현실에서도 제거한 행렬 방정식을 소개하면서 시작되었습니다. 하지만, 에르빈 슈뢰딩거가 아인슈타인에게 새로운 방정식의 사전 인쇄물을 보냈을 때, 아인슈타인은 그의 방정식을 "진정한 천재"의 결정적인 진보라고 반문했습니다.[11] 그러나 다음 충격은 1926년 맥스 보른이 역학을 어떤 인과적 설명도 없이 확률로 이해해야 한다고 제안했을 때 일어났습니다.

아인슈타인과 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학 이전에 과학의 핵심적인 특징이었고 여전히 일반 상대성 이론의 특징이었던 인과관계를 포기하면서 이 해석을 거부했습니다.[12] 아인슈타인은 1926년 맥스 보른에게 보낸 편지에서 이렇게 썼습니다. "양자역학은 확실히 당당한 것입니다. 하지만 내면의 목소리는 그것이 아직 진짜가 아니라는 것을 말해줍니다. 그 이론은 많은 것을 말해주지만, 우리를 "오래된 것"의 비밀에 더 가깝게 만들지는 못합니다. 어쨌든, 저는 그가 [신] 주사위 놀이를 하고 있지 않다고 확신합니다."[13] 처음에는 하이젠베르크조차 보어와 그의 행렬역학이 슈뢰딩거 방정식과 맞지 않는다는 뜨거운 논쟁을 벌였습니다.[14] 그리고 보어는 처음에 불확실성 원칙에 반대했습니다.[15] 그러나 1927년 10월에 열린 제5차 솔베이 회의에서 하이젠베르크와 보른은 혁명은 끝났고 더 이상 필요하지 않다고 결론 내렸습니다. 아인슈타인의 회의론이 실망으로 바뀐 것은 그 마지막 단계에서였습니다. 그는 많은 것이 성취되었다고 믿었지만, 역학의 이유는 여전히 이해할 필요가 있었습니다.[9]

아인슈타인이 혁명을 완전한 것으로 받아들이지 않은 것은 이러한 명백한 무작위 통계 방법이 초래한 근본적인 원인에 대한 모델이 개발되는 것을 보고 싶은 그의 열망을 반영했습니다. 그는 시공간의 위치를 완전히 알 수 없다는 생각을 거부하지 않았지만 불확정성 원리가 물리학 법칙이 작동하는 겉보기에는 무작위적이고 비결정적인 메커니즘을 필요로 하는 것을 허용하고 싶지 않았습니다. 아인슈타인 자신은 통계적 사상가였지만 더 이상 발견하거나 해명할 필요가 없다고 부인했습니다.[9] 아인슈타인은 그의 여생을 양자역학을 이해할 수 있는 새로운 이론을 발견하고 인과관계를 과학으로 되돌리기 위해 노력했습니다. 많은 사람들이 현재 모든 것의 이론이라고 부르는.[16] 한편 보어는 아인슈타인을 괴롭힌 어떤 요소에도 당황하지 않았습니다. 그는 측정의 결과로만 속성을 할당하는 보완성의 원리를 제안함으로써 모순과 함께 자신만의 평화를 만들었습니다.[17]: 104

혁명 이후: 1단계

위에서 언급한 바와 같이 아인슈타인의 입장은 수년간 상당한 변화를 겪었습니다. 첫 번째 단계에서 아인슈타인은 양자 불확정성을 받아들이지 않고 불확정성의 원리가 위배될 수 있다는 것을 입증하려고 노력했으며, 위치와 속도와 같은 양립할 수 없는 변수를 정확하게 결정할 수 있는 기발한 사고 실험을 제안했습니다. 또는 동일한 과정의 파동과 입자 측면을 동시에 명시적으로 드러냅니다. (이러한 사고 실험의 주요 출처와 내용은 오직 20년 후의 보어의 설명에서 나온 것입니다.)[18][19] 보어는 "대화의 설명과 관련하여 저는 물론 아인슈타인이 매우 큰 역할을 한 양자 이론의 발전의 많은 특징들이 다른 관점에서 자신에게 나타날 수 있는 가능성에 대해 준비가 되어 있는 것처럼 제 자신의 기억에만 의존하고 있다는 것을 알고 있습니다."[20]라고 인정합니다.

아인슈타인의 주장

"정통적인" 개념에 대한 아인슈타인의 첫 번째 심각한 공격은 1927년 제5차 전자와 광자에 관한 솔베이 국제 회의에서 일어났습니다. 아인슈타인은 불확정성의 원리나 상보성의 원리에 따라 접근할 수 없어야 하는 간섭 과정에서 입자의 상태에 대한 정보를 얻기 위해 에너지와 충격(운동량)의 보존 법칙을 어떻게 활용할 수 있는지 지적했습니다.

그림 A. 단색 빔(모든 입자가 동일한 임펄스를 갖는 빔)은 첫 번째 스크린과 마주쳐 회절되고, 회절된 파동은 두 개의 슬릿으로 두 번째 스크린과 마주쳐 배경 F에 간섭 도형이 형성됩니다. 언제나 그렇듯이, 한 번에 하나의 입자만이 전체 메커니즘을 통과할 수 있다고 가정합니다. 아인슈타인에 따르면 스크린 S1 반동 측정을 통해 입자가 공정의 파동 측면을 파괴하지 않고 어느 슬릿에서 통과했는지 추론할 수 있습니다.
그림 B. 아인슈타인의 슬릿.

그의 주장을 따르고 보어의 반응을 평가하기 위해서는 그림 A의 실험 장치를 참고하는 것이 편리합니다. X축에 수직인 광선은 z 방향으로 전파되고 (광선의 파장에 대해) 좁은 슬릿을 갖는 스크린 S1 마주칩니다. 슬릿을 통과한 후, 파동 함수는 두 개의 슬릿으로 두 번째 스크린 S2 만나게 하는 각진 개구와 함께 회절합니다. 파동의 연속적인 전파는 최종 화면 F에 간섭 도형을 형성합니다.

두 번째 스크린(S2)의 두 개의 슬릿을 통과하는 통로에서, 공정의 파동적 측면은 필수가 됩니다. 실은. 정확히는 입자가 두 개의 슬릿 중 하나에 국한된 상태에 해당하는 양자 중첩의 두 용어 사이의 간섭입니다. 이는 입자가 가급적 건설적인 간섭 영역으로 "유도"되고 파괴적인 간섭 영역의 한 점으로 끝날 수 없음을 의미합니다. wave 함수가 무효화됨). 또한 스크린2 S의 통로에서 공정의 "입자" 측면을 증명하기 위해 설계된 모든 실험은 필연적으로 파동 측면을 파괴한다는 점에 유의해야 합니다(이 경우 입자가 어떤 슬릿을 통과했는지 결정하는 것으로 감소합니다). 간섭 도형의 소멸과 입자가 뒤따르는 궤적에 대한 우리의 지식을 확인하는 두 개의 집중된 회절 지점의 출현을 의미합니다.

이 시점에서 아인슈타인은 첫 번째 스크린을 가지고 다음과 같이 주장합니다: 입사 입자는 스크린 S1 수직인 속도를 가지고 있기 때문에, 그리고 이 스크린과의 상호작용만이 원래의 전파 방향으로부터 편향을 일으킬 수 있기 때문에, 상호작용하는 두 계의 충동의 총합이 보존된다는 것을 의미하는 충격보존법칙에 의해, 입사 입자가 위쪽으로 치우치면 화면이 아래쪽으로 반동하고 그 반대도 마찬가지입니다. 현실적인 조건에서는 화면의 질량이 너무 커서 정지 상태를 유지하지만, 원칙적으로 극미소의 반동까지도 측정할 수 있습니다. 만약 우리가 모든 입자가 지나간 에 스크린의 충격을 X 방향으로 측정한다고 상상한다면, 우리는 스크린이 위쪽(아래쪽)을 향해 뒤로 젖혀지는 것이 발견될 것이라는 사실로부터 문제의 입자가 아래쪽으로 치우쳤는지 또는 위쪽으로 치우쳤는지 알 수 있습니다. S2 어떤 슬릿을 통과했는지 알 수 있습니다. 그러나 입자가 지나간 후 화면의 반동 방향을 결정하는 것은 공정의 연속적인 전개에 영향을 미칠 수 없기 때문에, 우리는 여전히 화면 F에 간섭 수치를 가질 것입니다. 간섭은 계의 상태가 파동함수가 0이 아닌 두 상태의 중첩이기 때문에 정확히 발생합니다. 반면에 모든 입자가 슬릿 b나 슬릿 c만 통과하면 계들의 집합은 두 상태의 통계적 혼합이므로 간섭이 불가능합니다. 만약 아인슈타인이 맞다면 불확정성의 원리를 위반하는 것입니다.

이 사고 실험은 1927년 솔베이 회의에서 실제 절차 중 일반 토론 부분에서 더 단순한 형태로 시작되었습니다. 그 공식 절차에서 보어의 답변은 다음과 같이 기록됩니다: "나는 아인슈타인이 하려는 요점을 정확하게 이해하지 못하기 때문에 나 자신이 매우 어려운 위치에 있다고 느낍니다."[21] 아인슈타인은 "같은 기본 과정이 화면의 두 군데 또는 여러 군데에서 작용을 일으키는 일이 일어날 수 있습니다. 그러나 psi 제곱은 이 특정 입자가 특정 지점에서 발견될 확률을 표현하는 해석에 따르면 거리에서 완전히 특이한 작용 메커니즘을 가정합니다."[22] 이를 통해 아인슈타인은 불확정성이 아니라 분리가능성(특히, 가장 중요하게는 국소적 인과성, 즉 국소성)을 언급하고 있었음이 분명합니다. 사실, 폴 에렌페스트는 보어에게 편지를 써서 아인슈타인이 이미 "그리고 오랫동안 의심하지 않았다"[23]고 받아들였기 때문에 1927년 아인슈타인의 사고 실험은 불확정성 관계와 무관하다고 밝혔습니다.

보어의 반응

보어는 상대론적 인과관계의 양자역학적 위반(국소성)에 대한 아인슈타인의 주장을 분명히 오해하고 양자 불확정성의 일관성에 초점을 맞췄습니다. 보어의 반응은 그림 C의 도표를 사용하여 아인슈타인의 아이디어를 더 명확하게 설명하는 것이었습니다. (그림 C는 볼트로 고정된 스크린 S를1 보여줍니다. 그런 다음 고정 볼트 대신 막대를 따라 미끄러지거나 미끄러질 수 있는 것을 상상해 보세요.) 보어는 화면의 어떤 (잠재적인) 수직 운동에 대한 극도로 정확한 지식이 아인슈타인의 주장에서 필수적인 전제라고 관찰합니다. 실제로, 입자가 통과하기 X 방향에서의 속도가 반동에 의해 유도된 속도보다 훨씬 더 큰 정밀도로 알려지지 않은 경우(즉, 입자와의 접촉의 결과로 유도된 속도보다 더 큰 속도로 이미 수직으로 움직이고 있는 경우), 그렇다면 입자의 통과 후 운동을 결정하는 것은 우리가 찾는 정보를 제공하지 못할 것입니다. 그러나 보어는 계속해서 불확정성의 원리를 적용할 때 화면의 속도를 매우 정확하게 결정하는 것은 X 방향으로의 위치에 대한 필연적인 부정확성을 의미합니다. 따라서 프로세스가 시작되기도 전에 화면은 적어도 어느 정도(형식주의에 의해 정의됨)는 불확실한 위치를 차지하게 됩니다. 이제 예를 들어, 간섭이 파괴적인 그림 A의 을 생각해 보십시오. 첫 번째 화면의 변위는 두 경로(a–b–da–c–d)의 길이를 그림에 표시된 것과 다르게 만듭니다. 두 경로 간의 차이가 파장의 반 정도 차이가 나는 경우에는 파괴적인 간섭보다는 건설적인 간섭이 있을 것입니다. 이상적인 실험은 스크린 S의1 가능한 모든 위치에 대해 평균을 내야 하며, 모든 위치에 대해 완벽한 파괴적인 것에서 완벽한 건설적인 것으로 다른 유형의 간섭이 존재합니다. 이 평균화의 효과는 화면 F의 간섭 패턴이 균일하게 회색이 될 것이라는 것입니다. 다시2 한 번, S의 미립자 측면을 증명하려는 우리의 시도는 파동 측면에 결정적으로 의존하는 F의 간섭 가능성을 파괴했습니다.

그림 C. 아인슈타인의 제안을 실현하기 위해서는 그림 A(S1)의 첫 화면을 보어가 제안한 것처럼 수직으로 움직일 수 있는 진동판으로 교체해야 합니다.

보어가 인식한 바와 같이, 이 현상에 대한 이해를 위해 "진정한 측정 도구와는 달리, 입자와 함께 이러한 물체가 양자역학적 형식론이 적용되어야 하는 시스템을 구성하는 것이 결정적입니다. 형식주의를 올바르게 적용할 수 있는 조건의 정밀도와 관련하여, 전체 실험 장치를 포함하는 것이 필수적입니다. 사실, 입자의 경로에 거울과 같은 새로운 장치를 도입하면 간섭의 새로운 효과가 나타날 수 있고, 이는 본질적으로 마지막에 등록될 결과에 대한 예측에 영향을 미칠 수 있습니다."[citation needed] 또한, Bohr는 시스템의 어떤 부분이 거시적인 것으로 간주되어야 하고 어떤 부분이 그렇지 않은지에 대한 이러한 모호성을 해결하려고 시도합니다.

특히 ...라는 것은 매우 분명할 것입니다.원자 현상의 설명에서 시공간 개념의 명확한 사용은 사진 렌즈의 이미지를 참조하는 관찰의 등록 또는 어두운 방의 이온 주변에 물 한 방울이 형성되는 것과 같은 증폭의 유사한 실질적으로 비가역적인 영향으로 제한되어야 합니다.[citation 필요]

불확정성의 원리를 위반하기 위해 아인슈타인이 제안한 장치를 사용하는 것의 불가능성에 대한 보어의 주장은 거시계(스크린1 S)가 양자 법칙을 준수한다는 사실에 결정적으로 달려 있습니다. 반면에 보어는 현실의 미시적 측면을 설명하기 위해서는 증폭 과정을 시작해야 한다고 일관되게 주장했습니다. 증폭 과정은 거시적 장치를 포함하는데, 이 장치의 근본적인 특성은 고전적 법칙을 따르는 것이고 고전적 용어로 설명될 수 있습니다. 이러한 모호성은 나중에 오늘날에도 여전히 측정 문제라고 불리는 형태로 되돌아올 것입니다.

그러나 보어는 EPR 논문을 반박하는 글에서 "조사 중인 시스템의 기계적 교란에 대한 의문의 여지가 없다"[24]고 밝혔습니다. 하이젠베르크는 보어의 말을 인용하여 "저는 '관찰이 현상에 불확실성을 도입한다'는 것과 같은 모든 주장들이 부정확하고 오해의 소지가 있다는 것을 발견했습니다."[25] 보어-아인슈타인 논쟁에 관한 만지트 쿠마르의 책은 보어의 이러한 주장을 그의 주장과 반대로 발견합니다.[26] 물리학자 레온 로젠펠트와 같은 다른 사람들은 보어의 주장이 설득력이 있다고 생각했습니다.[27]

시간과 에너지에 적용되는 불확정성의 원리

그림 D. 세로 방향으로 확장된 파동은 짧은 시간 동안만 열려 있는 슬릿을 통과합니다. 슬릿 너머에는 전파 방향으로 공간적으로 제한된 파동이 존재합니다.

양자역학의 많은 교과서적인 예와 대중적인 논의에서 불확정성의 원리는 변수 위치와 속도의 쌍(또는 운동량)을 참조하여 설명됩니다. 물리적 과정의 파동 특성은 불확정성의 또 다른 관계, 즉 시간과 에너지 사이의 관계가 존재해야 함을 의미한다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 관계를 이해하기 위해서는 그림 D와 같은 실험을 참고하면 편리하며, 이 실험을 통해 공간적 확장이 제한된 파동이 전파됩니다. 그림과 같이 세로로 극도로 확장된 광선이 매우 짧은 시간 동안만 열려 있는 셔터가 있는 슬릿이 있는 스크린을 향해 전파된다고 가정합니다 δ {\displaystyle} 슬릿 너머에는 오른쪽으로 계속 전파되는 제한된 공간 확장의 물결이 있을 것입니다.

완벽한 단색의 파동(예: 하모닉스로 나눌 수 없는 음표)은 공간적 범위가 무한합니다. 공간 확장에 제한이 있는 파동(기술적으로는 파동 패킷이라고 함)을 가지려면ν 0 \n과 같이 평균 값을 중심으로 일정한 주파수 간격 내에서 서로 다른 주파수의 여러 파동을 중첩하고 연속적으로 분포시켜야 합니다. 그러면 특정 순간에 중첩의 다양한 분야의 기여도가 건설적으로 합산되는 공간 영역(시간에 따라 이동하는)이 존재하게 됩니다. 그럼에도 불구하고 정확한 수학적 정리에 따르면, 이 영역에서 멀어질수록 특정 지점에서 다양한 장들의 위상이 인과적으로 분산되어 파괴적인 간섭이 발생합니다. 따라서 파동의 진폭이 0이 아닌 영역은 공간적으로 제한됩니다. 파동의 공간 확장이δ x {\displaystyle}와 동일한 경우(예를 들어, 셔터가δt =δ x / v \Delta t =\Delta x/v}이고, 여기서 v는 파동의 속도입니다), 그러면 이 파동은 주파수가 간격δ ν displaystyle \Delta \n을 포함하는 다양한 단색파를 포함합니다.은(는) 다음 관계를 만족합니다.

플랑크의 보편적인 관계에서 주파수와 에너지는 비례한다는 것을 기억해야 합니다.

파동과 관련된 입자는 완벽하게 정의되지 않은 에너지를 가져야 하며(다른 주파수가 중첩에 관여하기 때문에) 결과적으로 에너지의 불확정성이 있다는 것은 앞선 부등식에서 바로 다음과 같습니다.

이를 통해 바로 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

시간과 에너지 사이의 불확정성의 관계입니다.

아인슈타인의 두 번째 비판

보어가 설계한 1930년 아인슈타인의 사고 실험. 아인슈타인의 상자는 시간과 에너지 사이의 불확정성 관계의 위반을 증명하기로 되어 있었습니다.

1930년 제6차 솔베이 대회에서 방금 논의된 불확정성 관계는 아인슈타인의 비판 대상이었습니다. 그의 아이디어는 보어가 그의 응답에 사용할 필수 요소와 핵심 사항을 강조하는 방식으로 이후에 설계한 실험 장치의 존재를 고려합니다.

아인슈타인은 전자파가 들어 있는 상자(아인슈타인의 상자, 그림 참조)와 상자 벽 중 하나에 만들어진 구멍을 덮는 셔터의 열림을 제어하는 시계를 고려합니다. 셔터는 임의로 선택할 수 있는{\displaystyle} 시간 구멍을 δ합니다. 개구하는 동안, 우리는 상자 안에 있는 것들 중에서 광자가 구멍을 통해 빠져나간다고 가정합니다. 이런 식으로 위에서 설명한 대로 제한된 공간 확장의 물결이 만들어졌습니다. 시간과 에너지의 불확정성 관계에 도전하기 위해서는 광자가 가지고 온 에너지를 적절한 정밀도로 측정할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 이 시점에서 아인슈타인은 질량과 특수 상대성 이론의 에너지 사이의 유명한 관계에 주목합니다. = 2 {\displaystyl E = mc^{2}}. 이로부터 물체의 질량에 대한 지식은 물체의 에너지에 대한 정확한 표시를 제공합니다. 따라서 셔터를 열기 전과 후에 상자의 무게를 측정하고 상자에서 일정량의 에너지가 빠져나간다면 상자는 더 가벼워질 것이라는 주장은 매우 간단합니다. 질량의 변화에 {\ c를 곱하면 방출되는 에너지에 대한 정확한 지식을 얻을 수 있습니다. 게다가, 시계는 입자의 방출이 일어난 정확한 시간을 나타낼 것입니다. 원칙적으로 상자의 질량은 임의의 정확도로 결정할 수 있기 때문에 방출되는 에너지는 원하는 만큼 정확한 δE {\displaystyle E}로 결정할 수 있습니다. δE δt \ E\Delta} 제품은 불확정성 원리에 의해 암시된 것보다 더 적게 렌더링될 수 있습니다.

코펜하겐닐스 보어 연구소에서 사고 실험을 검증하기 위한 조지 가모프의 가짜 실험 장치.

그 아이디어는 특히 날카로웠고 그 주장은 설득력이 없어 보였습니다. 이러한 모든 교류가 당시 관련된 사람들에게 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 의회에 참여했던 레온 로젠펠트는 몇 년 후 이 사건을 다음과 같이 설명했습니다.

보어에겐 정말 충격이었어요처음에는 해결책을 생각할 수 없었던 사람입니다. 그는 저녁 내내 극도로 흥분했고, 과학자들 사이에서 다른 과학자들 사이로 계속해서 그들을 설득하려고 했습니다. 그럴 리가 없고, 만약 아인슈타인이 옳았다면 물리학의 종말이 되었을 것입니다. 하지만 그는 역설을 해결할 방법을 생각해내지 못했습니다. 저는 두 적대자가 클럽을 떠나면서 보여준 이미지를 결코 잊지 못할 것입니다. 다소 아이러니한 미소를 지으며 평온하게 걸어가는 훤칠한 키와 위풍당당한 모습의 아인슈타인과 그의 옆에서 신명이 가득 찬 보어.다음날 아침 보어의 승리를 보았습니다.

보어의 승리

"보어의 승리"는 아인슈타인의 미묘한 주장이 결정적인 것이 아니라, 그가 아인슈타인의 위대한 사상 중 하나인 중력 질량과 관성 질량의 등가 원리에 정확히 호소함으로써 이 결론에 도달했다는 점을 다시 한 번 입증하는 것으로 구성되었습니다. 특수 상대성 이론의 시간 확장과 이들의 결과인 중력 적색편이와 함께. 보어는 아인슈타인의 실험이 작동하기 위해서는 상자가 중력장 한가운데에 있는 스프링에 매달려 있어야 한다는 것을 보여주었습니다. 상자의 무게를 측정하려면 척도의 인덱스와 일치하는 상자에 포인터를 부착해야 합니다. 광자를 방출한 후 에 질량 m{\ m을 추가하여 원래 위치로 복원할 수 있으며, 이를 통해 광자가 떠날 때 손실된 에너지 = {\displaystyle E = mc^{2}를 결정할 수 있습니다. 상자가 강도 g의 중력장에잠기고 중력 적색편이가 시계 속도에 영향을 미쳐 포인터가 원래 위치로 돌아오는 데 필요한 t t}에서 불확실성δ t {\displaystyle\Delta t}을(를) 산출합니다. Bohr는 불확실성 관계 δδ≥ h \Delta E\Delta\geqh}를 설정하는 다음과 같은 계산을 했습니다.

질량 의 불확실성을δ m {\displaystylem}으로 표시합니다. 위치의 오차를δ q Delta q}라고 합니다. Adding the load to the box imparts a momentum that we can measure with an accuracy , where . Clearly , t δ M δ q ≥ h tg\Delta m\Delta q\geq h}. 적색편이 공식에 의해(당량 원리와 시간 에서 따옴 {\t}의은 δ t = c - 2 g T δ {\displaystyle \Deltat = c^{-2}gt\Delta q}, and , and so . We have therefore proven the claimed .[8][28]

광자 상자 논쟁에 대한 보다 최근의 분석들은 아인슈타인의 사고 실험에 대한 보어의 이해에 의문을 제기하고, 대신 EPR 논문의 서막을 언급하며, 문제가 되고 있는 불확정성보다는 분리 불가능성에 초점을 맞추고 있습니다.[29][30]

혁명 이후: 2단계

아인슈타인이 보어와 정통적인 해석을 가지고 있는 '논쟁'의 두 번째 단계는 실제적인 문제로서 특정한 양립할 수 없는 양의 값을 동시에 결정하는 것은 불가능하다는 사실을 수용하는 것이 특징이지만, 이는 이 양들이 실제로 정확한 값을 가지고 있지 않다는 것을 암시하는 거부를 의미합니다. 아인슈타인은 보른의 확률적 해석을 거부하고 양자 확률은 본질적으로 존재론적이 아니라 인식론적이라고 주장합니다. 결과적으로 이론은 어떤 식으로든 불완전해야 합니다. 그는 이 이론의 큰 가치를 인정하면서도 "전체 내용을 말하지는 않는다"고 제안하고, 특정 수준에서 적절한 설명을 제공하면서도 더 근본적인 수준에 대한 정보는 제공하지 않습니다.

저는 양자역학이라는 이름을 가진 최신 세대의 물리학자들이 추구하는 목표에 대해 가장 큰 고려를 하고 있으며, 저는 이 이론이 심오한 수준의 진실을 나타낸다고 믿지만, 또한 통계적 성격의 법칙에 대한 제한은 일시적인 것으로 밝혀질 것이라고 믿습니다.의심할 여지 없이 양자역학은 진리의 중요한 부분을 파악했고, 그러한 기초로부터 한계적인 경우로서 추론될 수 있어야 하기 때문에, 미래의 모든 기초 이론의 귀감이 될 것입니다. 전기역학이 맥스웰의 전자기장 방정식에서 추론될 수 있는 것처럼 또는 열역학이 통계역학에서 추론될 수 있는 것처럼.[citation 필요]

아인슈타인의 이러한 생각들은 양자 이론의 체계를 완성하기 위한 시도로 봄 해석과 같은 숨겨진 변수 이론에 대한 연구를 시작할 것입니다. 양자역학이 아인슈타인의 관점에서 완전하게 만들어질 수 있다면, 그것은 국소적으로 이루어질 수 없습니다. 이 사실은 1964년 스튜어트 벨벨의 부등식을 공식화하면서 증명되었습니다.[31] 비록 벨 부등식이 국소적 숨은 변수 이론을 배제했지만, 봄의 이론은 배제되지 않았습니다. 2007년의 실험은 보미안 역학 자체는 아니지만 많은 종류의 비보미안 비국소 숨은 변수 이론을 배제했습니다.[32]

혁명 이후: 3단계

EPR의 주장

EPR에 관한 역사적 논문의 제목 부분.

1935년 아인슈타인, 보리스 포돌스키네이선 로젠은 두 시스템의 얽힌 상태를 기반으로 물리학 리뷰 잡지에 "물리적 실체에 대한 양자-기계적 설명이 완전한 것으로 간주될 수 있는가?"라는 제목으로 발표된 논쟁을 개발했습니다. 이 주장에 이르기 전에 아인슈타인의 상대성 이론에서 나오는 또 다른 가설, 즉 국소성의 원리를 공식화할 필요가 있습니다. 객관적으로 소유된 물리적 현실의 요소는 멀리서 순간적으로 영향을 받을 수 없습니다.

데이비드 봄은 1951년에 EPR 논쟁을 시작했습니다. 그는 자신의 교과서 양자론에서 입자가 얽힌 상태라는 관점에서 이를 재구성했는데, 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

1) 시간 t에서 각각 공간적으로 멀리 떨어진 영역 A와 B에 위치하고 아래에 설명된 편광 ψright\rangle}의 얽힌 상태에 있는 두 개의 광자 시스템을 생각해 보십시오.

2) 시간 t에서 A 영역의 광자는 수직 편광에 대해 테스트됩니다. 측정 결과 광자가 필터를 통과한다고 가정합니다. 파동 패킷의 감소에 따라, 결과는 시간 t + dt에서 시스템이

3) 이 시점에서 시스템이나 다른 광자("가정(R)", 아래)를 방해할 수 있는 다른 일을 하지 않고 광자 1에 대해 첫 번째 측정을 수행한 A의 관찰자는 광자 2가 수직 편광 테스트를 통과할 것이라고 확실히 예측할 수 있습니다. 다음으로 광자 2는 물리적 현실의 요소를 가지고 있습니다. 수직 편광의 요소를 가지고 있습니다.

4) 국소성의 가정에 따르면 광자 2에 대한 현실의 요소를 만든 것은 A에서 수행된 행동일 수 없습니다. 따라서 광자 1측정하기 수직 편광 테스트를 통과할 수 있고 독립적으로 통과할 수 있는 특성을 광자가 가지고 있다고 결론지어야 합니다.

5) 시간 t에서 A의 관찰자는 45°의 편광 테스트를 수행하여 광자가 테스트를 통과하는 등의 특정 결과를 얻기로 결정할 수 있었습니다. 그렇다면 광자 2가 45°로 편광되어 있다는 결론을 내릴 수도 있었을 것입니다. 또는 광자가 테스트를 통과하지 못했다면 광자 2가 135°로 편광되었다고 결론지을 수 있었습니다. 이러한 대안 중 하나와 4에서 도달한 결론을 결합하면, 측정이 이루어지기 전에 광자 2는 수직 편광 테스트를 확실하게 통과할 수 있는 특성과 45° 또는 135°에서 편광 테스트를 확실하게 통과할 수 있는 특성을 모두 가지고 있었던 것으로 보입니다. 이러한 속성은 형식주의에 따라 호환되지 않습니다.

6) 자연적인 요구 사항과 명백한 요구 사항은 광자 2가 동시에 양립할 수 없는 특성을 가지고 있다는 결론을 강요했기 때문에, 이는 이러한 특성을 동시에 임의의 정밀도로 결정할 수 없더라도 시스템에 의해 객관적으로 소유된다는 것을 의미합니다. 그러나 양자역학은 이러한 가능성을 부인하고 있으며 따라서 불완전한 이론입니다.

보어의 반응

이 주장에 대한 보어의 반응은 EPR의 원본보다 5개월 늦게 같은 잡지인 Physical Review에 원본과 정확히 같은 제목으로 발표되었습니다.[33] 보어의 대답의 결정적인 요점은 그가 아인슈타인의 70번째 생일을 기념하여 나중에 과학자이자 철학자인 폴 아서 실프의 책 알버트 아인슈타인에서 다시 출판한 한 구절에서 증류된 것입니다. Bohr는 다음과 같이 언급함으로써 EPR의 가정(R)을 공격합니다.

문제가 된 기준의 진술은 "어떤 식으로든 시스템을 방해하지 않고"라는 표현과 관련하여 모호합니다. 당연히 이 경우 측정 과정의 중요한 단계에서 검사 대상 시스템의 기계적 교란이 발생할 수 없습니다. 그러나 이 단계에서도 시스템의 후속 동작과 관련된 가능한 예측 유형을 정의하는 정확한 조건에 대한 영향의 본질적인 문제가 발생합니다.그들의 주장은 양자 기술이 본질적으로 불완전한 것으로 판명된다는 그들의 결론을 정당화하지는 못합니다...이 설명은 양자 이론의 맥락에서 대상과 측정 도구 사이의 유한하고 통제할 수 없는 상호 작용과 양립할 수 있는 측정 과정에 대한 명확한 해석의 가능성을 합리적으로 사용하는 것으로 특징지을 수 있습니다.

보어의 주장은 많은 과학자들에게 따라가기 어려웠습니다 (비록 그의 견해는 일반적으로 받아들여졌습니다). 수년간 보어와 긴밀히 협력해온 로젠펠트는 나중에 보어의 주장을 보다 접근하기 쉬운 방식으로 설명합니다.[34]

두 입자의 경우, 첫 번째 입자에 대해 수행된 측정이 두 번째 입자의 직접적인 물리적 교란을 일으키지 않는 것은 사실이지만, 측정은 이 두 번째 입자에 대해 우리가 내릴 수 있는 검증 가능한 예측의 성격에 결정적인 영향을 미칩니다. (...) [A] 우리가 어떤 측정도 수행하지 않는 한(...) 우리는 이 [두 입자 사이의] 상관관계를 전혀 통제할 수 없습니다. 시스템이 정말로 연구와 의사소통의 대상이 되기를 원한다면, 우리는 약간의 측정을 수행해야 합니다. 이제 첫 번째 입자의 위치를 관찰하면 입자의 위치 사이의 상관관계를 이용하여 두 번째 입자가 어디에 있는지에 대한 정보를 얻을 수 있지만 입자의 펄스 사이의 상관관계를 이용할 방법은 없습니다(...). 만약 우리가 첫 번째 입자의 운동량을 관찰한다면, 그것은 정반대입니다. 우리는 운동량 상관관계에 대한 통제력은 유지하지만 위치 상관관계에 대해서는 상실합니다. 두 개의 다른 측정은 주어진입자 시스템의 단일 설명으로 결코 조정될 없는개의 보완적인 현상을 정의합니다.

확인실험

우젠슝

그의 EPR 실험을 통해 아인슈타인이 노출된 지 몇 년이 지난 후, 많은 물리학자들은 먼 곳에서 으스스한 행동에 대한 아인슈타인의 관점이 실제로 물리학 법칙과 일치한다는 것을 보여주기 위한 실험을 수행하기 시작했습니다. 이것이 사실임을 확정적으로 증명한 첫 번째 실험은 1949년 물리학자 Chien-Shiung Wu와 그녀의 동료 Irving Shaknov가 광자를 사용하여 이 이론을 실시간으로 보여주었습니다.[35] 그들의 작품은 그 후 10년 새해에 출판되었습니다.[36]

이후 1975년 알랭 애스펙트(Alain Aspect)는 논문에서 반박할 수 없을 만큼 세심한 실험을 제안했습니다. 양자역학의 비분리성을 테스트하기 위해 제안된 실험입니다.[37][38] 이로 인해 아스페는 물리학자 필립 그랑지에, 제라드 로저, 장 달리바르와 함께 1980년과 1982년 사이에 양자 얽힘을 더욱 확립하는 점점 더 복잡한 실험을 몇 가지 설정했습니다. 마침내 1998년 제네바 실험은 스위스 광섬유 통신망을 이용하여 사실상 도시 전체에 걸쳐 30km 간격으로 설정된 두 검출기 간의 상관관계를 실험했습니다. 거리는 편광판의 각도를 통근하는 데 필요한 시간을 주었습니다. 따라서 완전히 무작위적인 전기 단락이 가능했습니다. 게다가 멀리 떨어져 있는 두 편광기는 완전히 독립적이었습니다. 측정값은 각각의 면에 기록되었고, 각각의 실험 후 원자 시계를 사용하여 각각의 측정값을 연대 측정하여 비교했습니다. 실험은 가능한 한 가장 엄격하고 이상적인 조건에서 얽힘을 다시 한 번 확인했습니다. 만약 아스페의 실험이 가상의 배위 신호가 c보다 두 배 빠르게 이동한다는 것을 암시했다면, 제네바는 천만 에 달했습니다.[39][40]

혁명 이후: 4단계

아인슈타인은 이 주제에[citation needed] 대한 마지막 글에서 자신의 입장을 더욱 가다듬어 양자 이론에 대해 정말로 불안하게 만든 것은 이론의 완전성에 대한 수용이 암시하는 미시적 수준에서도 현실주의의 모든 최소 기준을 완전히 포기하는 문제라는 것을 완전히 분명히 했습니다. 양자 이론 초기부터 국소성과 로렌츠 불변성의 가정은 그의 생각을 유도했고 우리가 엄격한 국소성을 요구한다면 숨겨진 변수는 자연스럽게 제안된 EPR을 암시한다는 그의 결심으로 이어졌습니다. 벨은 이 EPR 논리에서 출발하여 (일반적으로 오해되거나 잊혀지는) 로컬 숨겨진 변수가 실험과의 충돌을 암시한다는 것을 보여주었습니다. 궁극적으로 아인슈타인에게 중요한 것은 물리적 현실이 보편적으로 국소적이라는 가정이었습니다. 비록 이 분야의 전문가들 대부분이 아인슈타인이 틀렸다는 것에 동의하지만, 현재의 이해는 여전히 완전하지 않습니다(양자역학의 해석 참조).[41][42]

참고 항목

참고문헌

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  15. ^ 쿠마르, 만짓. 양자: 아인슈타인, 보어 그리고 현실의 본질에 관한 위대한 논쟁 / 만짓 쿠마르—첫 번째 미국 ed. "그는 [하이젠베르크] 화가 났고 보어는 그의 어린 프로테제의 반응에 화가 났습니다. 연구소의 1층에 있는 사무실이 계단으로만 분리된 채 서로의 집 옆에 살고 있는 보어와 하이젠베르크는 며칠 동안 서로를 피하면서 잘 지내다가 불확실성 논문을 논의하기 위해 다시 만났습니다. 보어는 마음을 추울 시간을 가진 하이젠베르크가 이성을 찾아 다시 쓰기를 바랐습니다. 그는 거부했다. 하이젠베르크는 나중에 "보어는 그것이 옳지 않다고 설명하려고 했고 나는 그 논문을 발표해서는 안 된다"고 말했습니다. 57 "나는 단지 보어의 이러한 압력을 참을 수 없었기 때문에 내가 눈물을 흘리면서 그것이 끝났던 것을 기억한다. 58"
  16. ^ BBC TV 다큐멘터리, 2014년 9월 17일 "하지만 아인슈타인은 속임수를 썼습니다. 그는 이미 양자역학을 궁극적으로 대체할 것으로 믿는 작업을 시작했습니다. 그것은 나중에 그의 모든 것에 대한 이론으로 알려지게 될 것입니다. 그것은 일반 상대성 이론을 확장하고 우주의 알려진 힘을 통합하려는 그의 시도였습니다. 모든 것에 대한 이 이론을 완성함으로써 아인슈타인은 양자역학의 핵심에 있는 예측 불가능성을 물리학에서 제거하고 세상이 예측 가능하다는 것을 보여주기를 바랐습니다. 아름답고 우아한 수학으로 묘사됩니다. 하나님이 우주를 만들 거라고 믿었던 것처럼 말입니다. 그는 양자역학 공동체가 세상을 해석하는 방식이 명백하게 틀렸다는 것을 보여줄 것입니다. 인생의 마지막 날까지 앞으로 30년 동안 작업할 프로젝트였습니다.https://www.bbc.co.uk/sn/tvradio/programmes/horizon/einstein_symphony_prog_summary.shtml
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더보기

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