양자역학 개론

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양자역학
${\displaystyle i\hbar {\frac {\display}{\displayt}} \langle(t)\langle = {\hat {H} \langle }$ 슈뢰딩거 방정식
서론 용어집 역사
배경 고전역학 구 양자론 브라켓 표기법 해밀토니안 방해다
펀더멘털 상보성 비간섭성 얽힘 에너지 준위 측정. 비국소성 양자수 주 중첩 대칭성 터널링 불확정성 파동함수 붕괴
실험 벨 부등식 데이비슨-게르메르 더블슬릿 엘리츠르-바이드만 프랑크-헤르츠 레게트-가르그 부등식 마흐젠더 포퍼 퀀텀 지우개 지연선택 슈뢰딩거고양이 스턴-게를라흐 휠러의 지연 선택
제형 개요 하이젠베르크 상호작용 매트릭스 위상 공간 슈뢰딩거 이력 합계(경로 적분)
방정식 디랙 클라인고든 파울리 릿드버그 슈뢰딩거
해석 베이지안 일관된 이력 코펜하겐 드브로이-봄이 앙상블 숨김 변수 현지의 다세계 대물붕괴 양자 논리학 관계형 거래
고급주제 상대론적 양자역학 양자장론 양자정보과학 양자 컴퓨팅 양자 혼돈 EPR 역설 밀도행렬 산포론 양자 통계역학 양자기계학습
사이언티스트 아하로노프 벨 벳더 블래킷 블로흐 봄이 보어 태어난 보스 드브로이 콤프턴 디랙 데이비슨 데비 에렌페스트 아인슈타인 에버렛 포크 페르미 파인만 글라우버 구츠윌러 하이젠베르크 힐베르트 조던 크레이머즈 파울리 새끼 양 란다우 라우에 모즐리 밀리칸 오네스 플랑크 라비 라만 릿드버그 슈뢰딩거 시몬스 소머펠트 폰 노이만 웨일 빈 위그너 지만 자일링거
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양자역학은 원자와 아원자 입자의 규모에 대한 물질과 에너지와의 상호작용을 연구하는 학문입니다.이와는 대조적으로 고전물리학은 달과 같은 천체의 거동을 포함하여 인간의 경험에 익숙한 척도로만 물질과 에너지를 설명합니다.고전 물리학은 여전히 현대 과학과 기술의 많은 부분에서 사용됩니다.그러나 19세기 말 무렵, 과학자들은 고전 물리학이 ^[1]설명할 수 없는 큰 (거시) 세계와 작은 (마이크로) 세계 모두에서 현상을 발견했습니다.관측된 현상과 고전 이론 사이의 불일치를 해결하려는 욕망은 물리학의 혁명, 즉 원래의 과학적 ^[2]패러다임의 변화, 즉 양자역학의 발전을 이끌었습니다.

양자역학의 많은 측면들은 직관에^[3] 어긋나고 더 큰 규모로 보이는 것과는 매우 다른 행동을 묘사하기 때문에 역설적으로 보일 수 있습니다.양자물리학자 리처드 파인만의 말에 따르면, 양자역학은 "있는 그대로의 자연, ^[4]황당한 것"을 다루고 있습니다.

이것의 한 가지 예는 입자에 적용되는 불확정성 원리인데, 전자의 위치와 같이 한 측정값을 더 가까이 고정할수록 동일한 입자(속도와 같이)와 관련된 또 다른 보완적인 측정값이 더 정확하지 않게 되어야 한다는 것을 의미합니다.입자의 위치와 속도는 측정 기기의 품질에 관계없이 임의의 정밀도로 측정할 수 없습니다.

다른 예로는 얽힘이 있습니다.어떤 상황에서는, 공유된 이력을 가진 두 입자가 서로 '엉켜' 있을 수 있습니다.이 경우 한 입자에 대해 수행된 측정값(예: 스핀 업된 것으로 측정된 전자)은 다른 입자에 대한 나중의 동등한 측정 결과(다른 입자는 스핀 다운된 것으로 확인됨)에 대한 완전한 정보를 제공합니다.이는 입자가 너무 멀리 떨어져 있어서 첫 번째 측정 결과가 두 번째 측정 전에 두 번째 입자로 전송되는 것이 불가능한 경우에도 적용됩니다.

또 다른 예로는 초유동성이 있습니다.절대영도에 가까운 온도로 냉각된 용기 안의 액체 헬륨은 자발적으로 용기의 테두리 위로 흐르며, 이는 고전물리학으로 설명할 수 없는 효과입니다.

역사

1880년대 맥스웰의 전기, 자기, 빛의 통일은 빛과 물질의 상호작용에 대한 실험으로 이어졌습니다.이러한 실험 중 일부는 설명할 수 없는 측면이 있었습니다.양자역학은 20세기 초에 이러한 ^[5]결과를 설명하기 위한 노력으로 나타났습니다.

광전효과로 인한 양자의 증거

양자 혁명의 씨앗은 1897년 JJ 톰슨이 발견한 음극선이 연속적인 것이 아니라 현재 전자라고 불리는 "코퍼스"라는 것에서 나타납니다.전자는 불과 6년 전에 새로 등장한 원자 이론의 일부로 명명되었습니다.1900년, 원자 이론에 설득되지 않은 보수적인 물리학자 맥스 플랑크는 흑체 ^[6]복사를 설명하기 위해 원자나 전자와 같은 별개의 실체가 필요하다는 것을 발견했습니다.

뜨거운 물체는 열을 방출합니다. 매우 뜨거운 물체 – 붉은 뜨거운 물체, 하얀 뜨거운 물체 – 같은 온도로 가열하면 모두 비슷하게 보입니다.이러한 온도 의존적 "외모"는 다양한 주파수(색상)에서 빛의 강도가 공통적으로 나타나는 곡선에서 비롯됩니다.일반적인 곡선은 흑체 복사라고 불립니다.가장 낮은 진동수는 보이지 않는 열선 – 적외선입니다.흰색 뜨거운 물체는 가시 범위의 많은 색에 걸쳐 강도를 가집니다.빛과 물질의 연속파 이론으로는 흑체 복사 곡선을 설명할 수 없습니다.플랑크는 정의되지 않은 특성을 가진 개별 "오실레이터" 사이에 열 에너지를 확산시켰지만 이산 에너지 용량을 가지고 있었습니다. 흑체 복사 거동은 이 모델에 의해 예측되었습니다.

그 당시, 전자, 원자, 그리고 이산 진동자들은 모두 이국적인 현상들을 설명하는 이국적인 아이디어였습니다.그러나 1905년에 알베르트 아인슈타인은 빛도 "에너지 양자"로 구성된 근육질이며, 이는 마치 연속파로서 빛에 대한 기존의 과학과 모순되는 것처럼 보이며, 회절에 대한 토마스 영의 연구로 백 년 전으로 거슬러 올라간다고 제안했습니다.

그의 혁명적인 제안은 플랑크 흑체 이론을 재분석함으로써 시작되었고, 새로운 "에너지 양자"를 사용함으로써 같은 결론에 도달했습니다.아인슈타인은 에너지 양자가 JJ 톰슨의 전자와 어떻게 연결되는지 보여주었습니다.1902년 필립 레너드(Philipp Lenard)는 아크 램프의 빛을 진공 유리관에 보관된 새로 청소된 금속판으로 향하게 했습니다.그는 금속판에서 나오는 전류를 측정하여 빛의 세기가 더 높거나 더 낮거나 다른 금속에 대해 측정했습니다.이것이 광전효과입니다.레너드는 전류의 양, 즉 전자의 수가 빛의 세기에 따라 달라지지만 이러한 전자의 속도는 세기에 따라 달라지지 않는다는 것을 보여주었습니다.당시의 연속파 이론은 더 많은 빛의 세기가 실험과 반대로 같은 양의 전류를 더 높은 속도로 가속시킬 것이라고 예측했습니다.아인슈타인의 에너지 양자는 부피 증가를 설명했습니다: 각각의 양자에 하나의 전자가 방출됩니다: 더 많은 양자는 더 많은 ^{[6]: 23} 전자를 의미합니다.

그리고 나서 아인슈타인은 전자 속도가 금속에 의존하는 고정된 값 이상의 광 주파수에 정비례하여 증가할 것이라고 예측했습니다.여기서 생각은 에너지 양자의 에너지는 광 주파수에 의존한다는 것입니다; 전자로 전달되는 에너지는 광 주파수에 비례합니다.금속의 종류는 전자가 원자를 빠져나가기 위해 올라가야 하고 금속 표면에서 방출되어 측정되어야 하는 고정된 값인 장벽을 제공합니다.

밀리컨의 결정적인^[7] 실험이 아인슈타인의 예측을 검증하기까지 10년이 걸렸습니다.그 기간 동안 많은 과학자들은 ^[8]양자라는 혁명적인 생각을 거부했습니다.그러나 플랑크와 아인슈타인의 개념은 미정이었고 곧 다른 이론들에도 영향을 미쳤습니다.

원자 내 결합 전자의 양자화

1800년대 후반 빛과 물질에 대한 실험은 재현 가능하지만 혼란스러운 규칙성을 발견했습니다.정화된 가스를 통해 빛을 비추면 특정 주파수(색상)가 통과하지 못했습니다.이러한 어두운 흡수 '선들'은 선들 사이의 간격이 꾸준히 줄어드는 독특한 패턴을 따르고 있습니다.1889년까지, 리드버그 공식은 수소 가스의 선들을 단지 상수와 ^{[5]: v1:376} 선들을 색인화하기 위한 정수들만을 사용하여 예측했습니다.이 규칙성의 기원은 알려지지 않았습니다.이 수수께끼를 푸는 것은 양자역학을 향한 첫 번째 중요한 단계가 될 것입니다.

19세기 내내 물질의 원자성에 대한 증거가 증가했습니다.1897년 JJ Thomson이 전자를 발견하면서 과학자들은 원자 내부 모형을 찾기 시작했습니다.톰슨은 양전하의 풀에서 헤엄치는 음의 전자를 제안했습니다.1908년과 1911년 사이에 러더퍼드는 양성 부분이 원자 ^{[6]: 26} 지름의 3천분의 1에 불과하다는 것을 보여주었습니다.

핵 "태양" 주위를 도는 "행성" 전자의 모델이 제안되었지만, 왜 전자가 단순히 양전하로 떨어지지 않는지 설명할 수는 없습니다.1913년 닐스 보어와 어니스트 러더퍼드는 새로운 원자 모델을 리드버그 공식의 신비와 연결시켰습니다: 전자의 궤도 반지름은 제한되었고 결과적인 에너지 차이는 흡수선의 에너지 차이와 일치했습니다.이것은 원자로부터의 빛의 흡수와 방출이 에너지 양자화되었다는 것을 의미했습니다: 궤도 에너지의 차이와 일치하는 특정 에너지만이 방출되거나 ^{[6]: 31} 흡수됩니다.

하나의 미스터리 – 리드버그 공식의 규칙적인 패턴 – 또 다른 미스터리 – 전자 궤도의 제약 – 을 교환하는 것은 큰 발전처럼 보이지 않을 수도 있지만, 새로운 원자 모델은 많은 다른 실험적 발견들을 요약했습니다.광전 효과의 양자화와 이제 전자 궤도의 양자화는 최종 혁명의 발판을 마련합니다.

물질의 양자화

1922년 오토 스턴과 발터 게를라흐는 은 원자의 자기적 특성이 연속적인 범위의 값을 취하지 않는다는 것을 증명했습니다. 즉, 자기적 값은 양자화되어 두 가지 ^[9]가능성만으로 제한된다는 것입니다.알려진 다른 양자 효과와는 달리, 이 놀라운 결과는 단일 ^{[5]: v2:130} 원자의 상태를 포함합니다.

1924년 루이 드 브로글리는^[10] 원자 안의 전자들이 "궤도"가 아니라 정상파로 구속된다고 제안했습니다.구체적으로 그의 해결책은 효과가 없었지만, 전자 "코퍼스클"이 파동으로서 원자 내에서 움직인다는 그의 가설은 에르빈 슈뢰딩거가 전자에 대한 파동 방정식을 개발하도록 자극했습니다. 수소에 적용했을 때 리드베르크 공식은 정확하게 ^{[6]: 65} 재현되었습니다.

Max Born의 1924년 논문 "Zur Quantenmechanik"은 ^[11][12]"양자역학"이라는 단어를 처음으로 인쇄에 사용한 것입니다.그의 후기 연구는 양자 충돌 모델을 개발하는 것을 포함합니다. 1926년 논문의 각주에서 그는 이론 모델과 실험을 ^[13]연결하는 Born 규칙을 제안했습니다.

1928년 폴 디랙은 상대성 이론을 통합하고 반물질을 ^{[6]: 131} 예측하며 스턴-게를라흐 결과에 대한 완전한 이론을 제공하는 동시에 그의 상대론적 파동 방정식을 발표했습니다.이러한 성공은 우리 세계에 대한 새로운 기본적인 이해를 소규모로 시작시켰습니다. 바로 양자역학입니다.

플랑크와 아인슈타인은 물질과 빛의 연속적인 모델을 분해하는 양자로 혁명을 시작했습니다.20년 후 전자와 같은 "코퍼스"는 연속파로 모델링되었습니다.이 결과는 파동 입자 이중성이라고 불리게 되었는데, 이는 양자역학을 물리학의 오래된 모델과 구별시키는 불확정성 원리와 함께 하나의 상징적인 아이디어입니다.

양자복사, 양자장

1923년 콤프턴은 빛으로부터 플랑크-아인슈타인 에너지 양자도 운동량을 가지고 있다는 것을 증명했습니다. 3년 후 에너지 양자는 양자 혁명의 거의 모든 단계에서 그 역할에도 불구하고 "광자"^[14]라는 새로운 이름을 얻었습니다.빛 양자에 대한 명시적인 모델은 Paul Dirac이 양자 전기역학이 된 방사선의 양자^[15] 이론에 대한 연구를 시작한 1927년까지 존재하지 않았습니다.이후 수십 년 동안 이 연구는 현대 양자 광학과 입자 물리학의 기초가 된 양자장 이론으로 발전했습니다.

서신교환원리

양자역학의 첫 번째와 현대 시대에 걸쳐 고전역학은 거시적으로 제한된 가능한 양자 모델이어야 한다는 개념입니다.이 개념은 1923년 보어에 의해 서신 원리로 공식화되었습니다.그것은 양자 이론이 고전적 ^{[16]: 29} 한계에 수렴하는 것을 요구합니다.

한 가지 주요한 "패러독스"는 뉴턴의 법칙과 양자역학 사이의 명백한 불일치입니다. 이는 양자역학에서 얻은 평균값(예: 위치 및 운동량)이 고전 법칙을 ^[17]따른다는 것을 보여주는 에렌페스트의 정리를 사용하여 설명될 수 있습니다.그러나 에렌페스트의 정리는 관찰된 모든 반직관 현상(양자 기괴함)을 설명할 수 있는 것과는 거리가 멀며, 오히려 대응 원리의 수학적 표현입니다.

파동-입자 이중성

파동-입자 이중성의 개념은 고전적인 "입자"의 개념이나 "파동"의 개념 모두 광자나 물질의 양자 규모 물체의 행동을 완전히 설명할 수 없다는 것을 말합니다.파동-입자 이중성은 양자 ^{[18][19][20][21][22]}물리학의 상보성 원리의 한 예입니다.파동 입자 이중성의 우아한 예는 이중 슬릿 실험입니다.

원래 1803년 ^[23]토마스 영이 수행하고 10년 후 오거스틴 프레넬이 수행한 이중 슬릿 실험에서,^[23] 한 줄기의 빛이 두 개의 좁고 가까운 간격의 슬릿을 통해 향하며, 화면에 빛과 어두운 띠의 간섭 패턴을 생성합니다.만약 그 중 하나의 틈을 덮는다면, 간섭으로 인한 가장자리의 강도가 모든 곳에서 절반으로 줄어들 것이라고 순진하게 예상할 수 있습니다.실제로, 훨씬 더 단순한 패턴, 즉 열린 슬릿과 정반대 방향에 있는 회절 패턴이 보입니다.같은 행동이 물의 파도에서도 증명될 수 있기 때문에 이중 슬릿 실험은 빛의 파동성을 증명하는 것으로 여겨졌습니다.

이중슬릿 실험의 변형은 전자, 원자, 심지어 ^[24][25]큰 분자를 사용하여 수행되었으며, 같은 유형의 간섭 패턴이 보입니다.따라서 모든 물질은 입자와 파동 특성을 모두 가지고 있음이 증명되었습니다.

소스 세기가 감소되어 한 번에 하나의 입자(예를 들어, 광자 또는 전자)만이 장치를 통과할 수 있게 되더라도, 시간이 지남에 따라 동일한 간섭 패턴이 발생합니다.양자 입자는 이중 슬릿을 통과할 때는 파동으로 작용하지만 감지될 때는 입자로 작용합니다.이것은 양자 상보성의 전형적인 특징입니다. 양자 입자는 파동과 유사한 특성을 측정하기 위한 실험에서 파동으로 작용하고, 입자와 유사한 특성을 측정하기 위한 실험에서 입자처럼 작용합니다.디텍터 화면에서 개별 입자가 나타나는 지점은 랜덤 프로세스의 결과입니다.그러나, 많은 개별 입자들의 분포 패턴은 파동에 의해 생성되는 회절 패턴을 모방합니다.

불확정성원칙

레이더 속도 트랩을 통과하는 자동차와 같은 물체의 위치와 속도를 측정해야 한다고 가정합니다.자동차가 특정한 순간에 일정한 위치와 속도를 갖는다고 가정할 수 있습니다.이러한 값을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지는 측정 장비의 품질에 따라 달라집니다.측정 장비의 정밀도가 향상되면 진가에 가까운 결과를 얻을 수 있습니다.자동차의 속도와 자동차의 위치를 원하는 대로 정확하게 조작적으로 정의하고 동시에 측정할 수 있다고 가정할 수 있습니다.

1927년 하이젠베르크는 이 마지막 가정이 옳지 ^[27]않다는 것을 증명했습니다.양자역학은 물리적 특성의 특정 쌍, 예를 들어 위치와 속도는 임의의 정밀도로 동시에 측정되거나 조작 용어로 정의될 수 없다는 것을 보여줍니다. 하나의 특성이 더 정확하게 측정되거나 조작 용어로 정의될수록 다른 특성은 더 정확하게 측정될 수 없습니다.이 진술은 불확정성 원칙으로 알려져 있습니다.불확정성 원리는 측정 장비의 정확성에 관한 진술일 뿐만 아니라, 더 깊이는 측정된 양의 개념적 성질에 관한 것입니다. 즉, 자동차가 위치와 속도를 동시에 정의했다는 가정은 양자역학에서는 통하지 않습니다.자동차와 사람의 규모로 볼 때, 이러한 불확실성은 무시할 수 있지만, 원자와 전자를 다룰 때는 ^[28]매우 중요해집니다.

하이젠베르크는 전자의 위치와 운동량을 빛의 광자를 이용한 측정을 예로 들었습니다.전자의 위치를 측정함에 있어서 광자의 주파수가 높을수록 전자에 대한 광자의 충격의 위치를 측정하는 것이 정확하지만, 전자의 교란은 더 큽니다.광자와의 충격으로 인해 전자가 무작위로 에너지를 흡수하여 운동량 측정이 점점 불확실해지기 때문입니다.충돌 후 충돌 제품으로부터 충돌 후 교란된 운동량을 측정하는 것이지 원래 운동량을 측정하는 것은 아닙니다(위치와 동시에 측정해야 함).낮은 주파수의 광자를 사용하면 운동량의 교란(따라서 불확실성)이 적지만 충격 ^[29]위치 측정의 정확성도 마찬가지입니다.

불확정성 원리의 핵심은 위치 영역과 속도 영역의 모든 수학적 분석의 경우 위치 영역의 더 날카로운(더 정확한) 곡선을 달성하는 것은 속도 영역의 더 점진적인(더 정확하지 않은) 곡선을 희생해야만 가능하며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 사실입니다.위치 영역의 선명도가 높을수록 더 좁은 곡선을 만들기 위해 속도 영역의 더 많은 주파수의 기여가 필요하며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.이는 관련되거나 보완적인 측정에 내재된 근본적인 균형이지만, 기본 입자의 크기에 가까운 가장 작은 (플랑크) 척도에서만 실제로 눈에 띕니다.

불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량의 불확정성(운동량은 속도에 질량을 곱한 것)의 곱이 결코 특정 값보다 작을 수 없으며 이 값이 플랑크 상수와 관련이 있음을 수학적으로 보여줍니다.

파동함수붕괴

파동 함수 붕괴는 측정값이 양자(확률적 또는 잠재적) 상태를 확실한 측정값으로 강제 변환 또는 변환했음을 의미합니다.이 현상은 고전역학보다는 양자역학에서만 볼 수 있습니다.

예를 들어, 광자가 실제로 감지 화면에 "나타나기 전에" 그것은 나타날 수 있는 장소에 대한 확률 집합으로만 설명될 수 있습니다.예를 들어, 전자 카메라의 CCD에 나타나는 경우, 장치와 상호작용한 시간과 공간은 매우 엄격한 제한 내에서 알려져 있습니다.그러나 광자는 포획(측정)되는 과정에서 사라졌고, 양자파동 기능도 함께 사라졌습니다.대신에, 검출 화면에서 일부 거시적인 물리적 변화가 나타났습니다. 예를 들어, 사진 필름 시트의 노출된 부분 또는 CCD의 일부 셀에서 전위의 변화가 나타났습니다.

고유상태 및 고유값

불확정성 원리 때문에 입자의 위치와 운동량에 대한 진술은 위치나 운동량이 수치 값을 가질 확률만 할당할 수 있습니다.따라서 확률 구름 속의 전자와 같은 불확정한 것의 상태와 확실한 값을 가진 것의 상태 사이의 차이를 명확하게 공식화할 필요가 있습니다.어떤 면에서 물체가 확실히 "핀다운"될 수 있을 때, 그것은 고유한 상태를 가지고 있다고 말합니다.

위에서 논의한 스턴-게를라흐 실험에서 수직축을 중심으로 한 원자의 스핀은 위와 아래의 두 가지 고유 상태를 갖습니다.측정하기 전에, 우리는 어떤 개별 원자라도 스핀 업 또는 스핀 다운이 발견될 가능성이 동일하다고 말할 수 있습니다.측정 프로세스는 파동 함수를 두 상태 중 하나로 붕괴시킵니다.

수직축에 대한 스핀의 고유 상태는 수평축에 대한 스핀의 고유 상태가 동시에 아니기 때문에 이 원자는 수평축에 대한 스핀 값 중 하나를 갖는 것으로 판명될 가능성이 동일합니다.위의 절에서 설명한 것처럼 수평축에 대한 스핀을 측정하면 위로 회전한 원자가 아래로 회전할 수 있습니다. 수평축에 대한 스핀을 측정하면 파동 함수가 이 측정의 고유 상태 중 하나로 붕괴됩니다. 즉, 더 이상 수직축에 대한 고유 스핀 상태가 아님을 의미합니다.둘 중 하나의 값을 취할 수 있습니다.

파울리 배제 원리

1924년 볼프강 파울리는 관측된 분자 스펙트럼과 양자역학 예측 사이의 불일치를 해결하기 위해 두 가지 가능한 값을 가진 새로운 양자 자유도(또는 양자수)를 제안했습니다.특히, 원자 수소의 스펙트럼은 한 개의 선만 예상되는 이중선 또는 한 쌍의 선이 작은 양만큼 다릅니다.파울리는 "양자 상태에서 두 개의 전자가 같은 양자수 ^[30]집합을 갖는 원자는 존재할 수 없습니다."라고 진술하면서 그의 배제 원리를 공식화했습니다.

1년 후, 울렌벡과 고우드스미트는 파울리의 새로운 자유도를 스턴-게를라흐 실험에서 관찰된 스핀이라는 성질로 확인했습니다.

디랙 파동 방정식

1928년 폴 디랙은 특수상대성이론을 설명하기 위해 전자가 회전하는 것을 설명하는 파울리 방정식을 확장했습니다.그 결과는 전자가 핵 주위를 도는 속도와 같이 빛의 속도의 상당한 부분에서 일어나는 사건들을 적절하게 다루는 이론이었습니다.디랙은 가장 간단한 전자기 상호작용을 이용하여 전자의 스핀과 관련된 자기 모멘트의 값을 예측할 수 있었고, 실험적으로 관찰된 값은 너무 커서 고전 물리학이 지배하는 회전하는 전하구의 값이 아니라는 것을 발견했습니다.그는 수소 원자의 스펙트럼 선을 해결할 수 있었고 수소 스펙트럼의 미세한 구조에 대한 소머펠트의 성공적인 물리적 제1원리로부터 재현할 수 있었습니다.

디랙의 방정식은 때때로 에너지에 대해 음의 값을 산출했는데, 이에 대해 그는 새로운 해결책을 제안했습니다: 그는 반전자와 동역학적 진공의 존재를 가정했습니다.이것은 다입자 양자장 이론으로 이어졌습니다.

양자 얽힘

파울리 배제 원리는 한 계 안에 있는 두 개의 전자는 같은 상태가 될 수 없다고 말합니다.하지만 자연은 두 개의 전자가 각각의 전자 위에 두 개의 상태를 "중첩"할 수 있다는 가능성을 열어 둡니다.이중 슬릿에서 동시에 나오는 파동 함수가 중첩 상태로 감지 화면에 도착한다는 것을 기억합니다.중첩된 파형이 "붕괴"될 때까지 확실한 것은 없습니다.그 순간, 중첩된 두 파형의 복소값 진폭의 합의 절대값 제곱인 확률에 따라 전자가 어딘가에 나타납니다.그곳의 상황은 이미 매우 추상적입니다.얽힌 광자, 즉 두 개의 상반된 상태가 동일한 사건에서 각 광자에 중첩되는 광자에 대한 구체적인 사고 방식은 다음과 같습니다.

우리가 두 가지 색으로 구분된 광자 상태를 가지고 있다고 생각해보세요. 하나는 파란색으로 표시된 상태이고 다른 하나는 빨간색으로 표시된 상태입니다.빨간색과 파란색 상태의 중첩이 (상상 속에서) 보라색 상태로 나타나도록 합니다.우리는 두 개의 광자가 하나의 원자 사건의 결과로 생성되는 경우를 고려합니다.아마도 그것들은 특정 주파수의 광자를 특징적으로 흡수하고 원래 주파수의 절반인 두 개의 광자를 방출하는 결정의 여기에 의해 생성될 것입니다.이 경우 광자는 단일 원자 사건에서 공유된 원점을 통해 상호 연결됩니다.이 설정은 광자의 중첩 상태를 초래합니다.그래서 두 광자는 보라색으로 나옵니다.만약 실험자가 광자들 중 하나가 파란색인지 빨간색인지를 결정하는 어떤 실험을 수행한다면, 그 실험은 관련된 광자를 파란색과 빨간색의 중첩된 특성을 가진 광자에서 오직 하나의 특성을 가진 광자로 바꿉니다.아인슈타인이 그러한 상상된 상황에 대해 가졌던 문제는 만약 이러한 광자들 중 하나가 지구의 실험실에서 거울들 사이를 계속해서 튕겨져 나갔다면, 그리고 다른 하나는 그것의 쌍둥이가 파란색 또는 빨간색으로 보일 때 가장 가까운 별에 반쯤 이동했을 것이라는 것이었습니다.그것은 먼 광자도 이제 보라색 상태를 잃어야 한다는 것을 의미했습니다.따라서 쌍둥이가 측정된 후 조사될 때마다 쌍둥이가 밝힌 것과는 반대의 상태로 나타날 수 밖에 없습니다.

양자역학이 완전한 이론이 아니라는 것을 보여주기 위해, 아인슈타인은 과거에 상호작용했던 두 개 이상의 입자들이 나중에 그들의 다양한 특성들이 측정될 때 강한 상관관계가 있는 것처럼 보일 수 있다는 이론의 예측으로부터 시작했습니다.그는 이러한 상호작용을 고전적으로, 그들의 공통적인 과거를 통해 설명하려고 했고, 가급적이면 어떤 "거리를 둔 은밀한 행동"으로 설명하지 않았습니다.그 논쟁은 아인슈타인, 포돌스키, 그리고 로젠 (1935년; 약칭 EPR)이라는 유명한 논문에서 현재 EPR 역설이라고 불리는 것을 기술하고 있습니다.EPR은 일반적으로 국소 현실주의라고 불리는 것을 가정하고 양자 이론으로부터 입자가 위치와 운동량을 동시에 가지고 있다는 것을 보여주려고 시도한 반면 코펜하겐 해석에 따르면 두 특성 중 하나만 실제로 존재하며 측정되는 순간에만 존재합니다.EPR은 양자 이론이 자연에 객관적으로 존재하는 물리적 특성에 대한 고려를 거부한다는 점에서 불완전하다는 결론을 내렸습니다. (아인슈타인, 포돌스키, & 로젠 1935은 현재 아인슈타인이 물리학 저널에서 가장 많이 인용한 출판물입니다.)같은 해, 에르빈 슈뢰딩거는 "난 그것을 양자역학의 ^[31]특징이라고 부르지 않을 것입니다"라고 선언했습니다.아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨이 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 "숨겨진 변수" 이론을 이론적으로 그리고 실험적으로 반증한 이후, 대부분의 물리학자들은 얽힘을 실제 ^[32]현상으로 받아들였습니다.하지만, 소수자들의 ^[33]논쟁이 있습니다.벨 부등식은 아인슈타인의 주장에 대한 가장 강력한 도전입니다.

양자장론

양자장 이론의 아이디어는 1920년대 후반 영국의 물리학자 폴 디랙이 전자기장의 에너지를 양자화하려고 시도했을 때 시작되었습니다. 마치 양자역학에서와 같이 수소 원자에 있는 전자의 에너지가 양자화되었습니다.양자화는 고전 이론에서 출발하는 양자 이론을 구성하는 과정입니다.

메리엄-웹스터는 물리학에서 "자기와 같은 주어진 효과가 ^[34]존재하는 영역 또는 공간"으로 정의합니다.장으로 나타나는 다른 효과로는 중력과 ^[35]정전기가 있습니다.2008년 물리학자 리처드 해먼드는 다음과 같이 썼습니다.

때로는 양자역학(QM)과 양자장이론(QFT)을 구분하기도 합니다. QM은 입자의 수가 고정되어 있고, 전기장과 같은 장들은 연속적인 고전적 실체입니다.QFT... 한 단계 더 나아가 입자의 생성과 소멸을 가능하게 합니다...

그러나 그는 양자역학이 종종 "양자 ^{[36]: 108} 관점의 전체 개념"을 지칭하는 데 사용된다고 덧붙였습니다.

1931년, 디랙은 나중에 ^[37]반물질로 알려지게 된 입자의 존재를 제안했습니다.디랙은 1933년에 새로운 ^[38]원자 이론을 발견한 공로로 슈뢰딩거와 함께 노벨 물리학상을 수상했습니다.

양자전기역학

양자전기역학(QED)은 전자기력의 양자이론입니다.QED에 대한 이해는 전자기력에 대한 이해에서 시작됩니다.전자기학은 전기력과 자기력 사이의 동적인 상호작용이기 때문에 "전기역학"이라고 불립니다.전자기학은 전하로부터 시작됩니다.

전하는 전기장의 근원이자 창조물입니다.전기장은 우주의 어느 지점에서나 전하를 운반하는 입자에 힘을 가하는 장입니다.여기에는 전자, 양성자, 쿼크 등이 포함됩니다.힘이 가해지면 전하가 움직이고 전류가 흐르며 자기장이 발생합니다.변화하는 자기장은 결국 전류(흔히 움직이는 전자)를 발생시킵니다.대전된 입자, 전류, 전기장, 자기장이 상호작용하는 것을 전자기학이라고 합니다.

1928년 폴 디랙은 전자기학의 상대론적 양자이론을 만들었습니다.이것이 현대 이론의 필수적인 요소를 가지고 있다는 점에서 현대 양자 전기역학의 시조가 되었습니다.그러나, 이 상대론적 양자 이론에서 해결할 수 없는 무한의 문제가 발생했습니다.몇 년 후, 재규격화는 이 문제를 대부분 해결했습니다.처음에 일부 최초의 사람들에 의해 잠정적이고 의심스러운 절차로 간주되었던 재규격화는 결국 QED 및 다른 물리학 분야에서 중요하고 일관된 도구로 수용되었습니다.또한 1940년대 후반 파인만 다이어그램은 상호작용이 발생할 수 있는 각 가능한 방법에 대한 확률 진폭을 찾아 QED로 예측하는 방법을 제공했습니다.이 도표는 특히 전자기력이 ^[39]상호작용하는 입자들 사이의 광자 교환이라는 것을 보여주었습니다.

램 시프트는 실험적으로 검증된 양자 전기역학 예측의 한 예입니다.이것은 전자기장의 양자적 성질이 원자나 이온의 에너지 준위를 다르게 만드는 효과입니다.결과적으로 스펙트럼 선이 이동하거나 갈라질 수 있습니다.

마찬가지로, 자유롭게 전파하는 전자기파 내에서 전류는 전하 운반자를 포함하는 대신 단순한 변위 전류일 수도 있습니다.QED에서는 수명이 짧은 가상 입자를 필수적으로 사용합니다.거기서 QED는 좀 더 이전의 신비로운 개념을 다시 한번 검증합니다.

표준모델

입자물리학의 표준모형은 우주에서 알려진 네 가지 기본 힘(전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용 – 중력을 제외) 중 세 가지를 설명하고 알려진 모든 기본 입자를 분류하는 양자장 이론입니다.쿼크의 존재를 실험적으로 확인한 1970년대 중반에 현재의 공식이 완성되는 등 전 세계의 많은 과학자들의 연구를 통해 20세기 후반에 걸쳐 단계적으로 개발되었습니다.그 이후로, 꼭대기 쿼크(1995), 타우 중성미자(2000), 그리고 힉스 보손(2012)의 증명은 표준 모델에 더 많은 신뢰를 더해주었습니다.또한, 표준 모델은 약한 중성 전류와 W와 Z 보손의 다양한 특성을 매우 정확하게 예측했습니다.

표준 모델은 이론적으로 일관성이 있고 실험적 예측을 제공하는 데 성공한 것으로 여겨지지만, 일부 물리적 현상은 설명되지 않기 때문에 기본 상호 작용에 대한 완전한 이론에는 미치지 못합니다.예를 들어, 그것은 중입자 비대칭성을 완전히 설명하지 못하고, 일반 상대성 이론에 의해 설명되는 것처럼 중력 이론을 완전히 포함하지 않으며, 암흑 에너지에 의해 설명되는 것처럼 우주의 가속 팽창을 설명하지 못합니다.이 모델에는 관측 우주론에서 도출된 모든 필요한 특성을 가진 실행 가능한 암흑 물질 입자가 포함되어 있지 않습니다.그것은 또한 중성미자 진동과 그 질량이 0이 아닌 것을 포함하지 않습니다.따라서 암흑 물질 및 중성미자 진동의 존재와 같은 표준 모델과 분산된 실험 결과를 설명하기 위해 가상 입자, 추가 차원 및 정교한 대칭(초대칭 등)을 통합한 보다 이국적인 모델을 구축하는 데 기초로 사용됩니다.

해석

양자역학과 관련된 물리적 측정, 방정식 및 예측은 모두 일치하며 매우 높은 수준의 확인을 가지고 있습니다.그러나 이러한 추상적 모델이 현실 세계의 근본적인 본질에 대해 무엇을 말하는지에 대한 질문은 경쟁적인 답변을 받았습니다.이러한 해석은 매우 다양하고 때로는 다소 추상적입니다.예를 들어, 코펜하겐 해석은 측정 전에는 입자의 특성에 대한 진술이 전혀 의미가 없는 반면, 다중 세계 해석에서는 가능한 모든 ^[40]우주로 구성된 다중 우주의 존재를 설명한다고 말합니다.

빛은 입자와 같은 어떤 면에서는 행동하고 파동과 같은 다른 면에서는 행동합니다.전자와 원자와 같은 입자들로 구성된 우주의 물질은 파동과 같은 행동을 보여줍니다.네온 조명과 같은 일부 광원은 네온의 원자 구조에 의해 결정되는 뚜렷한 순수한 색의 작은 집합인 특정한 빛의 진동수만을 발산합니다.양자역학은 다른 모든 형태의 전자기 복사와 함께 빛이 광자라고 불리는 이산 단위로 와서 스펙트럼 에너지(순수한 색에 해당)와 광선의 세기를 예측한다는 것을 보여줍니다.단일 광자는 전자기장의 양자 또는 가장 작은 관찰 가능한 입자입니다.부분 광자는 결코 실험적으로 관찰되지 않습니다.더 넓게 보면, 양자역학은 고전역학의 확대된 관점에서 연속적으로 나타나는 위치, 속도 및 각운동량과 같은 물체의 많은 특성이 (양자역학의 매우 작은 확대된 규모에서) 양자화된 것으로 밝혀졌다는 것을 보여줍니다.이러한 기본 입자의 특성은 작은 이산 허용 값들 중 하나를 차지하기 위해 요구되며, 이러한 값들 사이의 간격 또한 작기 때문에 불연속성은 매우 작은 (원자) 스케일에서만 명백합니다.

적용들

일상적인 애플리케이션

전자기 복사의 진동수와 각 광자의 에너지 사이의 관계는 자외선이 햇볕에 타는 것을 야기할 수 있지만 가시광선이나 적외선은 그럴 수 없는 이유입니다.자외선의 광자는 높은 양의 에너지를 전달하는데, 이는 일광화상에서 발생하는 것과 같은 세포 손상에 기여하기에 충분한 양입니다.적외선의 광자는 에너지를 덜 전달합니다. 단지 피부를 따뜻하게 할 수 있을 만큼만 말이죠.그래서, 적외선 램프는 사람들을 차가운 방에서 편안하게 해줄 수 있을 정도로 충분히 큰 표면을 따뜻하게 할 수 있지만, 그것은 누구에게도 햇볕을 ^[41]쬐게 할 수 없습니다.

기술적 응용

양자역학의 응용은 레이저, 트랜지스터, 전자 현미경 그리고 자기 공명 영상을 포함합니다.양자역학적 응용의 특별한 종류는 초유체 헬륨과 초전도체와 같은 거시적 양자 현상과 관련이 있습니다.반도체에 대한 연구는 현대 전자제품에 필수불가결한 다이오드와 트랜지스터의 발명으로 이어졌습니다.

단순한 조명 스위치에서도 양자 터널링은 절대적으로 중요합니다. 그렇지 않으면 전류의 전자가 산화물 층으로 구성된 전위 장벽을 통과할 수 없기 때문입니다.USB 드라이브에서 볼 수 있는 플래시 메모리 칩도 퀀텀 터널링을 사용하여 메모리 ^[42]셀을 지웁니다.

참고 항목

• 아인슈타인의 사고 실험
• 거시적 양자현상
• 물리학 철학
• 양자 컴퓨팅
• 가상입자
• 양자역학을 가르치는 것
• 고전 및 양자역학 교과서 목록

메모들

참고문헌

서지학

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추가열람

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다음의 제목들은 모두 일하는 물리학자들에 의해 최소한의 기술적 장치를 사용하여 일반인들에게 양자 이론을 전달하려고 시도합니다.

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외부 링크

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• 퀀텀 익스체인지(튜터링 및 오픈 소스 학습 소프트웨어).
• 원자와 주기율표
• 단일 및 이중 슬릿 간섭
• 사각 우물에서 파동 패킷의 시간 진화 시간에 따른 파동 패킷 분산에 대한 애니메이션 시연.
• Carroll, Sean M. "Quantum Mechanics (an embarrassment)". Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.