[재밌는 양자역학] 11. 코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation )

안녕하세요 생각하는 공대생입니다.

양자역학의 체계는 현상의 예측과 적용에 성공적이었음에도 불구하고 

양자역학을 해석하는 측면에는 직관적이지 않은 면이 있어서 뛰어난 물리학자들도 쉽게 받아들이기 힘들어 했습니다.

당대 천재들이자 양자역학의 발전에 크게 기여한 아인슈타인, 슈뢰딩거등 조차도 양자역학에 회의적이였으니 말이죠.

"양자역학을 이해한다고 생각했다면, 그건 양자역학을 이해한 것이 아니다"

 결국 실험결과와 이를 토대로 물리학자들이 구축한 수학적 결과물들을 설명하기 위해 

양자역학에 대한 다양한 해석이 등장하게 되었는데요!!

  이러한 해석들 중 코펜하겐 해석은 보어, 하이젠베르크 등을 중심으로 한 해석이며

물리학자들 대다수의 지지를 받았던 해석입니다.

사실 제가 이전 포스팅들에서 한 설명들은 거의 코펜하겐 해석에 기반을 둔 것들입니다.

(하이젠베르크 불확정성원리, 확률밀도함수, 파동함수, 상보성원리 등)

코펜하겐은 덴마크의 수도인데, 물리학자들이 이곳에서 회의를 했기때문에 붙여진 이름이죠.

코펜하겐 해석의 내용은 다음과 같습니다.

1. 양자 상태는 불연속적이고 특정한 물리량만을 갖는다. 따라서 양자도약이 가능하다. 2. 입자의 상태는 파동함수에 의해 결정되며 파동함수의 제곱값은 입자의 존재 확률밀도와 비례한다. 3. 모든 물리량은 관측 됐을때 의미를 갖는다. 물리량은 관측의 영향을 받는 값이다. 4. 상호관계가 있는 물리량은 불확정성 원리에 의해 동시에 정확히 측정이 불가능하다. 5. 모든 입자들은 입자와 파동의 성질을 동시에 갖고 있으며 이 성질들은 상보적이다. 6. 대응원리 : 양자역학적 서술은 대상계가 거시계로 갈수록 그에 대한 고전역학의 서술과 가까워진다.

코헨하겐 해석의 내용을 좀 더 정확하게 이해하기 위해 이중슬릿 실험을 생각해 봅시다.

이 때 어떤사람이 다음과 같은 제안을 합니다.

"아니, 전자가 동시에 두개의 슬릿을 통과한다는게 말이 돼?"

"그렇다면 관측장비로 슬릿을 보면서 전자가 어떤 슬릿으로 통과하는지 보자"

그래서 측정장치를 슬릿주변에 설치하고 전자의 움직임을 관찰해본 것이죠.

어? 근데 이상한 현상이 일어납니다.

분명 방금전까지만해도 전자 또한 파동성이 있어서 간섭무늬를 나타내고 있었는데

두개의 줄밖에 나오지 않는 것입니다!!!

코펜하겐 해석은 이를 '파동함수의 붕괴'라고 말합니다.

관측에 의해 파동함수가 붕괴되어 입자와 파동의 중첩(superposition) 상태가 깨지고

 따라서 입자가 가진 파동성이 사라지게되어 다시 물질처럼 행동한다는 것이죠!!

이는 상보성 원리와도 직결이 됩니다.

(사실 이 실험은 사고실험(thought experiment)입니다. 말그대로 생각으로만 진행한 실험인데요)

(코펜하겐 해석이 맞다면 이럴것이다!라고 생각해놓은 것입니다)

즉, 관측(관측자의 개입)이라는 행위가 미시세계의 상태에 영향을 미치는 것이라는 해석입니다.

아인슈타인은 이런 해석에 화를내며 다음과 같은 말을 합니다.

"누군가 달을 봐야만 거기 있는것인가? 우리가 보지 않을땐 달은 거기에 없는것인가?"

즉, 관측을 하냐 안하느냐에 따라서 우주의 성질이 바뀐다는 해석을 아인슈타인은 매우 불편해 했습니다.

그런데 이것을 가르켜 관찰자 효과(observer effect)라고 하는 사람들이 있는데 이런말은 없습니다.

이해하기 어렵고 다양하게 해석될 수 있는 양자역학의 특성을 이용하여 사이비나 유사과학으로

사람들을 현혹하고 속이기 위해 만들어낸 말이죠.

뭐 사람의 생각으로 공명을 일으켜 물분자가 바뀐다느니

바라보면 마음먹은대로 뭐가 바뀌느니 어쩌니하는 말들은 모두 사이비 유사과학이니 주의하시길 바랍니다.

그 후로 여러 실험과 장비의 발달로 인해 코펜하겐 해석에도 약간의 결함이 발견되어 수정되고 다듬어졌습니다.

그 예로 '관측'이라는 행위에 대한 정의인데요.

관측이라는 것은 단순히 관찰자가(인간)이 눈으로 본다는 의미가 아닙니다.

우리가 물질을 보려면 빛의 입자인 '광자'가 그 물체에 맞고 튕겨져 나와 우리눈에 들어와야 합니다.

전자를 관측하는 것도 비슷하게, 전자를 관측하려면 전자와 광자와의 어떤 상호작용이 있어야하는데

이런 사소한 상호작용조차도 전자의 행동에 영향을 미친다는 것입니다.

이전 포스팅에서 언급했던 퓰러렌 또한 그 예가 됩니다.

실제로 차일링거가 실험을 할 때 진공도가 낮아 입자밀도가 높아 

퓰러렌이 날아가는동안 다른 입자와 부딪힐 확률이 높을수록

간섭무늬가 거의 나타나지 않았고

반대로 진공도가 높을수록 간섭무늬가 잘 나타났다고 합니다.

즉, 관측행위라는 것은 입자와 입자가 서로에 대한 정보를 갖는 모든 상호작용을 의미하는 것이죠.

여기서는 퓰러렌과 충돌한 공기분자의 물리량 변화가 일종의 관측행위가 되는 것입니다.

그래서 최근에는 오해를 유발 할 수 있는 관찰이라는 단어대신 '상호작용'이나 '사건'이라는 단어를 쓴다고 합니다.

또한 2012년에는 아로슈라는 물리학자가

초전도체로 만든 거울로 광자를 가둔 뒤

외부 관찰자 없이도 측정을 할 수 있는 방법을 고안하였으며

실제로 중첩상태를 재현하여

노벨 물리학상을 수상하였습니다.

다음에 계속