양자역학의 이해와 해석

양자역학이란 매우 작은 양자에 대한 것을 다루는 과학으로, 원자와 기본입자의 규모에서 물질의 거동과 에너지와의 상호작용에 대해 설명한다. 대조적으로 고전물리학은 오로지 인간 경험을 통해 익숙한 규모에 대해서만 설명하는데, 예시로는 달과 같은 천체의 움직임 등이 있다. 고전물리학은 현대 과학과 기술에서 여전히 사용되고 있다. 그러나 19세기 말에 과학자들은 거시규모와 미시규모의 세계에서 고전물리학으로 설명할 수 없는 현상을 발견하였다. 관측된 현상과 고전이론의 불일치를 해결하고 싶은 욕망은 상대성이론과 양자역학의 발전이라는 물리분야의 큰 변혁을 일으켰고, 기존의 과학적 사고관을 변화시켰다.

양자역학의 이해와 해석

양자역학의 이해

양자역학은 전혀 이해할 수 없는 설명과 표현으로 가득 차 있다. 양자역학을 통해 얻은 결과는 모호하지 않지만, 이를 체계적으로 설명하는 방법은 명확하지 않다. 첫째, 인간의 언어는 상식을 표현하는 데 사용되기 때문에 양자역학의 내용을 표현하려고 하면 소용이 없다. 우리는 평생 동안 (고전) 물리학 법칙에서 벗어나는 것을 본 적이 없다. 눈을 뜨고 자신이 달로 이동했다는 사실을 발견하거나, 불꽃이 식어가는 현상은 역사상 단 한번도 기록된 적이 없다. 이러한 경험은 우리의 세계관을 형성하고 보편적인 "상식"을 형성한다. 하지만 양자역학에서는 이런 일이 일어날 확률이 0%가 아니라고 말한다.

물질파 이론은 양자역학이 상식에서 어떻게 벗어나는지를 보여주는 간단한 예다. 물질파동론에 따르면 모든 물질은 파동성을 갖고 있어 지금 방에 누워 있는 당신이 갑자기 다음 방으로 순간이동되어 벽을 뚫고 나타나게 될 가능성이 매우 높다. 인체 물질파의 파장은 매우 짧기 때문에 거시적인 세계에서 이런 일이 일어날 확률은 0%에 불과하다.

양자역학을 이해하기 위한 도구로서 언어와 상식이 불완전하다는 또 다른 예는 양자역학과 현실, 지역성 간의 불분명한 관계다. 고전 역학과 달리 양자 역학은 현실을 무시하는 것처럼 보인다. 양자역학에는 위치와 속도(운동량) 등 서로 다른 물리량이 동시에 정확하게 결정될 수 없다는 불확정성 원리가 있다. 불확정성 원리에 대해 코펜하겐 해석에서는 가능한 상태가 중첩되어 관찰 당시 단일 상태로 인식된다는 점을 설명하고 있는데, 이는 관찰이 물체에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 관찰되기 전에는 어떤 상태가 존재하는지에 대한 확률만이 있을 뿐이지만 일단 관찰되면 그에 따라 상태가 결정된다.

양자역학의 해석

양자역학은 인간이 일상생활에서 물질을 경험하면서 형성된 직관으로는 이해할 수 없기 때문에 이를 이해하기 위한 다양한 설명이 등장했다. 현재 물리학계에서 인정하는 표준적인 해석방법은 코펜하겐 해석인데, 다음과 같은 설명도 있다.

양자역학의 앙상블 해석은 코펜하겐 해석과 유사한 파동함수 해석을 제공한다. 그러나 코펜하겐 해석과 달리 개별 입자에 관한 것이 아니다.
국소 숨김 변수 이론은 파동 함수 자체가 불완전하다고 간주하고 전자와 같은 물리적 물체가 측정되기 전에도 존재한다고 주장한다. 현재 인간은 전자의 상태를 측정하기 전에 알 수 있는 능력이 부족해서 알 수 없다는 주장이지만 그렇다고 전자 자체가 존재하지 않는다는 뜻은 아니다.

다중 세계 해석(MWI)은 Everett, Wheeler 및 Graham이 제안한 가설이다. 많은 세계 이론에서 파동함수는 실제적인 것으로 간주되며 그 붕괴가 인정되지 않다. 관찰 전에는 입자가 동시에 여러 곳에 무작위로 분포되어 있었는데, 이는 입자가 우주의 서로 다른 세계에 존재했음을 의미한다. 관찰자는 이러한 우주 중 어느 하나에 존재하는 입자만 관찰할 수 있다. 즉, 세계는 측정될 때마다 서로 다른 세계로 갈라지는 것으로 볼 수 있다.

닐스 보어와 베르너 하이젠베르크와 같은 양자역학의 몇몇 초기 선구자들의 견해는 종종 "코펜하겐 해석"으로 함께 분류되지만, 물리학자와 물리학 역사가들은 이 용어가 그렇게 지정된 견해 사이의 차이를 모호하게 한다고 주장했다. 코펜하겐 유형의 아이디어는 결코 보편적으로 수용되지 않았으며 인식된 코펜하겐 정통에 대한 도전은 데이비드 봄의 파일럿 파동 해석과 휴 에버렛 3세의 다세계 해석으로 1950년대에 점점 더 주목을 받았다.

코펜하겐 해석

닐스 보어와 베르너 하이젠베르크에 기인한 양자 역학 해석이 코펜하겐 해석이다. 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크는 근본적인 주장 차이가 있다. 하이젠베르크는 관찰자와 관찰되는 계 사이의 구별을 강조하였다. 보어는 관찰과 측정의 고전적 행동을 부여하는 비가역적인 과정에 의존하는 주관적 관찰자 혹은 측정, 붕괴와 독립적인 해석을 제공하였다.

코펜하겐 유형의 해석에 공통적인 특징에는 양자역학이 확률을 계산하는 본질적으로 비결정론적이라는 생각과 물체가 동시에 모두 관찰하거나 측정할 수 없는 상보적인 속성의 특정 쌍을 가지고 있다는 상보성의 원리가 포함된다. 그리고 대상을 관찰하는 행위는 되돌릴 수 없으며, 측정 결과에 따르지 않고는 대상에 어떤 진실도 귀속시킬 수 없다. 코펜하겐 유형의 해석은 양자 설명이 물리학자의 정신적 자의성과 무관하다는 점에서 객관적이라고 주장한다. 막스 보른으로 인한 파동함수의 통계적 해석은 슈뢰딩거의 원래 의도와 확연히 다른데, 슈뢰딩거는 지속적인 시간 진화 이론을 갖고 파동함수가 물리적 현실을 직접적으로 기술한다는 점을 주장했다.

다세계 해석

다세계 해석은 전 우주적 파동함수가 늘 동일한 결정론적이고 가역적인 법칙을 따르는 해석이다. 측정과 관련된 파동 함수 붕괴가 없다. 측정과 관련된 현상은 상태가 환경과 상호 작용할 때 발생하는 결맞음으로 설명된다고 주장한다.