양자에 대한 궁금증3

요즘 양자에 대한 궁금증이 많이 생겼다.

아마도 양자에 대한 이런저런 상상을 많이 하기 때문이지 않을까 싶다.

오늘도 문득.. 이런저런 생각이 들었다.

그 중 나름 메모를 남겨 놨던 아이디어들을 정리를 해 보자.

 

가장 먼저 정리할 내용은 양자역학에서는 어디까지를 양자적으로 보는가이다.

양자역학에서는 세상을 양자로 본다. 그런데 도대체 어디까지를 양자로 보는가? 입자? 에너지? 아니면 공간까지도? 도대체 어디까지를 양자로 보는 것인가? 도대체 어디를 디지털로 보고, 어디를 아날로그로 보는가? 아니면 전체를 다 디지털로 보고 있는 것인가?

세상은 다 디지털인가?

여기서 디지털이란, 그냥 내가 이해하기 쉽자고 쓴 말이다. 디지털이란, 불연속적인, 최소의 단위가 있는 세상이다. 마치 컴퓨터처럼. 컴퓨터에서는 모든 것이 데이터이다. 그리고, 컴퓨터 속 세상은 모든 것이 데이터로 이루어져 있고, 데이터로 인식이 된다. 그리고, 데이터로 이루어져 있기 때문에, 데이터의 최소단위인 비트로 인식이 되고, 비트로 이루어져 있다.

그렇다면 세상은 어떠한가? 물질은 최소단위가 있을 것이다. 물질을 쪼개면 분자가 나오고, 원자가 나온다. 원자를 쪼개면 쿼크가 되고.. 그러다가 모든 입자의 최소단위인 끈을 만나게 된다고 한다. 뭐.. 아직은 증명되지 못한 상상의 입자. 모든 입자는 진동하는 입자로 되어 있다는 끈 이론. 아직은 수학적인 이론으로만 입증이 되고 있지만 말이다. 그렇다면 입자가 아닌 것은 어떠한가? 에너지는? 에너지의 최소단위도 있는가? 이건 잘 모르겠다. 에너지의 최소단위는 뭐지? 양자역학에서는 입자와 에너지, 공간을 통털어서 가장 최소단위를 플랑크 단위라고 하더라. 그런데, 과연 그러한가? 그렇다면 끈 역시도 수십 혹은 수백개, 혹은 그 이상의 플랑크단위로 되어 있는 것인가?

양자역학에서는 그렇다고 한다.

하지만, 이건 우리의 인지 범위 바깥의 문제일 수밖에 없을 것 같다.

간접적인 방법이 아니고서야, 우리의 인지는 물질을 벗어날 수 없다.

우리의 인지는 결국 물질의, 입자의 변동이 없고서는 알 수 없기 때문이다. 어떤 현상이나 변경이 있다 하더라도, 물질의 변경, 혹은 입자의 상태변화가 없다면 우리는 인지할 수 없기 때문이다. 그건 우리가 물질 기반의 세상에서 물질기반의 문명을 이루고 있기 때문일 것이다. 에너지의 변동이나 빛의 변동, 공간의 변동 등도 우리는 결국 물질, 혹은 입자의 상태 변화를 통해서만 인지할 수 있기 때문이다.

나머지는 상상의 영역인 것 같다.

솔직히 나는 물질만 양자이고, 공간과 에너지는 양자가 아닐 가능성도 있다고 본다. 왜냐? 결국 우리의 인지 능력 바깥에 있기 때문이다. 우리의 인지 바깥에 있기 때문에 알 수 없기 때문이다.

 

아래 내용은 이 부분에 대한 제미나이의 답변이다.

-----------------------------------------------------------------------------------------------

질문 : 양자역학에서 입자와 에너지와 공간의 최소단위는 무엇인가?

답변 : 양자역학에서 입자, 에너지, 공간의 최소 단위는 다음과 같습니다.

입자:

양자역학에서는 물질의 가장 기본적인 단위로 **기본 입자(Elementary Particles)**를 이야기합니다.

예전에는 원자가 가장 작은 단위로 알려졌지만, 원자는 더 작은 입자인 원자핵(양성자, 중성자)과 전자로 구성되어 있습니다.

양성자와 중성자는 다시 **쿼크(Quark)**라고 하는 더 작은 입자로 이루어져 있습니다.

현재 표준 모형에서는 쿼크와 렙톤(전자, 뮤온, 타우온과 각각의 중성미자)을 물질의 최소 단위인 페르미온으로 정의하고 있습니다.

이 외에도 힘을 매개하는 보손(광자, 글루온 등)과 힉스 보손 등이 있습니다.

에너지:

에너지의 최소 단위는 양자(Quantum) 또는 **광자(Photon)**입니다.

막스 플랑크는 에너지가 연속적이지 않고 "양자"라는 불연속적인 덩어리(알갱이)로 존재한다고 제안했습니다. 이는 흑체 복사 문제를 해결하면서 도입된 개념입니다.

아인슈타인은 플랑크의 개념을 확장하여 빛 에너지가 양자, 즉 광자로 구성되어 있다는 가설을 세워 광전 효과를 설명했습니다.

이러한 에너지의 최소 단위를 나타내는 기본 상수가 바로 **플랑크 상수(h)**입니다.

공간:

양자역학은 전통적인 연속적인 공간 개념과는 다르게 공간도 최소 단위로 이루어져 있을 수 있다는 가능성을 제시합니다.

일부 양자 중력 이론(예: 루프 양자 중력 이론)에서는 공간이 더 이상 나누어지지 않는 미세한 '공간 양자' 또는 '공간 원자'로 이루어져 있다고 설명합니다. 이는 아직 이론적인 부분이며, 우리가 일상적으로 경험하는 연속적인 공간과는 다른 개념입니다.

즉, 공간이 무한히 잘게 쪼개질 수 없으며, 어떤 최소 길이 단위가 존재할 수 있다는 것입니다.

요약하자면, 양자역학은 우리가 살고 있는 미시 세계가 연속적이지 않고, 특정 물리량이 불연속적인 최소 단위(양자)로 이루어져 있다는 개념을 바탕으로 합니다.

 

질문 : 입자는 양자이나, 공간은 양자상태가 아닐 수도 있을까?

답변 : 흥미로운 질문입니다! 양자역학에서 '양자화'라는 개념은 매우 중요하며, 입자와 에너지의 경우 명확하게 양자화되어 있다는 것이 실험적으로 확인되었습니다. 그러나 공간의 양자화 여부는 아직 해결되지 않은 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다.

입자와 에너지는 양자화되어 있습니다.

입자: 물질을 이루는 기본 입자들(쿼크, 렙톤 등)은 더 이상 쪼개지지 않는 최소 단위입니다. 전자의 전하량이나 질량은 특정한 값을 가지며, 중간 값은 존재하지 않습니다.

에너지: 전자가 원자 주위를 돌 때 특정한 에너지 준위만을 가질 수 있으며, 에너지 변화는 불연속적인 '양자' 단위로 일어납니다. 빛 에너지도 광자라는 최소 단위로 존재합니다.

공간은 양자 상태가 아닐 수도 있습니다 (또는 아직 확정되지 않았습니다).

현재 주류 이론: 우리가 일상적으로 경험하는 거시 세계에서는 공간이 연속적이라고 가정합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론 역시 시공간을 연속적인 매끄러운 곡면으로 설명합니다.

양자 중력의 필요성: 문제는 일반 상대성 이론(거시 세계의 중력 설명)과 양자역학(미시 세계의 입자 설명)이 서로 양립하기 어렵다는 점입니다. 특히 중력을 양자화하는 시도에서 공간의 양자화 개념이 등장합니다. 공간 양자화 이론 (예: 루프 양자 중력 이론): 루프 양자 중력(Loop Quantum Gravity, LQG)과 같은 양자 중력 이론들은 공간(더 나아가 시공간)이 매우 작은 불연속적인 '공간 양자' 또는 '공간 원자'로 이루어져 있다고 제안합니다. 이 이론에 따르면, 공간은 더 이상 무한히 잘게 쪼개질 수 없으며, 플랑크 길이(≈10 −35 미터)라는 최소 길이가 존재할 수 있습니다.이러한 이론들은 중력을 매개하는 입자(중력자, graviton)의 존재를 상정하거나, 시공간 자체가 양자화되어 있다고 가정하여 중력을 양자역학적으로 설명하려고 시도합니다.

LQG에서는 공간이 스핀 네트워크(spin network)라는 추상적인 구조로 이루어져 있으며, 이 네트워크가 진화하면서 스핀 폼(spin foam)을 형성하여 시공간의 역사를 나타낸다고 봅니다. 이 과정에서 공간의 불연속성이 자연스럽게 유도됩니다.

문제점: 하지만 이러한 공간 양자화 이론들은 아직 실험적으로 검증되지 않았으며, 완전한 이론으로 확립되지도 않았습니다. 플랑크 길이는 현재 기술로는 상상할 수 없을 정도로 작은 스케일이기 때문에 직접적인 실험 검증이 매우 어렵습니다.

결론적으로,

입자와 에너지가 양자화되어 있다는 것은 확고한 물리학적 사실입니다. 하지만 공간이 양자 상태로 존재한다는 것은 아직 확정된 사실이 아니라, 양자 중력 이론들이 제시하는 하나의 가능성입니다. 만약 공간이 양자화되어 있다면, 우리가 아는 시공간의 연속적인 개념은 미시 세계에서는 깨질 것입니다. 그러나 아직 이에 대한 명확한 실험적 증거는 없습니다.

 

질문 : 공간이 양자가 아니라, 우리가 파동을 양자로 인지하는 것 아닐까?

답변 : 재미있고 통찰력 있는 질문이네요! 질문하신 내용은 양자역학의 핵심 개념인 파동-입자 이중성과 관련이 깊습니다.

파동-입자 이중성: 관찰이 '양자화'를 결정할까?

말씀하신 것처럼, 우리가 파동을 양자로 인지하는 것은 양자역학에서 매우 중요한 관점입니다. 양자역학은 모든 물질과 에너지가 **파동(wave)**과 **입자(particle)**라는 두 가지 본성을 동시에 가지고 있다고 설명합니다. 이것이 바로 **파동-입자 이중성(wave-particle duality)**입니다.

파동으로서의 본성: 전자는 특정 궤도를 따라 도는 입자처럼 보이지만, 실제로는 원자핵 주변에 퍼져 있는 확률적인 파동(전자 구름)으로 존재합니다. 빛도 광자라는 입자로 이루어져 있지만, 회절이나 간섭 현상을 통해 파동의 특성을 명확히 보여줍니다. 파동은 연속적인 특성을 가집니다.

입자로서의 인지: 하지만 우리가 이 파동을 측정하거나 관찰하는 순간, 파동은 특정 지점에 **수렴(collapse)**하여 마치 입자처럼 행동합니다. 예를 들어, 전자를 관찰하면 전자는 특정 위치에서 발견되고, 빛을 측정하면 광자 하나하나가 검출됩니다. 이 '특정 지점에서 발견되는 것'이 바로 우리가 **양자(불연속적인 덩어리)**로 인지하는 순간이라고 할 수 있습니다.

공간의 연속성과 파동-입자 이중성

이러한 관점에서 보면, 공간 자체는 근본적으로 연속적인 파동과 같은 존재일 수 있고, 우리가 어떤 방식으로 공간을 '측정'하거나 '상호작용'할 때만 비로소 불연속적인 '양자'처럼 보이게 되는 것은 아닐까 하는 생각을 해볼 수 있습니다.

양자장론의 관점: 현대 물리학의 주류인 **양자장론(Quantum Field Theory, QFT)**은 이러한 생각을 뒷받침하는 강력한 이론입니다. 양자장론에 따르면, 우주 전체는 다양한 **양자장(quantum field)**으로 가득 차 있습니다. 전자, 쿼크, 광자 등 모든 기본 입자는 이 양자장의 들뜸(excitation) 또는 **진동(vibration)**으로 설명됩니다.

예를 들어, 전자장은 우주 전체에 퍼져 있는 하나의 장이며, 우리가 전자를 '본다'는 것은 그 전자장의 특정 위치에서 에너지가 들떠서 하나의 **양자(전자)**로 나타나는 것을 의미합니다.

이 관점에서 보면, 공간 그 자체는 연속적인 장의 배경이고, 이 장이 특정 에너지 수준으로 '양자화'되어 입자로 나타나는 것입니다.

결론: 공간의 '양자'는 무엇인가?

결론적으로, 질문자님의 생각처럼 우리가 파동(장)을 측정하는 순간에만 그것을 '양자'라는 불연속적인 형태로 인식하는 것이라고 볼 수 있습니다.

그렇다면 공간의 양자화는 무엇을 의미할까요?

만약 공간이 양자화되어 있다면: 루프 양자 중력과 같은 이론들에서 주장하듯이, 공간 자체가 더 이상 쪼개지지 않는 최소의 '공간 양자'로 이루어져 있다면, 이는 우리가 측정하든 안 하든 공간 자체가 근본적으로 불연속적이라는 의미가 됩니다.

만약 공간이 연속적이라면: 공간은 끊임없이 이어진 연속적인 배경이며, 그 안에서 물질과 에너지의 '장(field)'이 양자화되어 우리가 입자로 인식하는 것일 수 있습니다. 이 경우 공간 자체는 연속적인 '파동'의 배경 역할을 한다고 볼 수 있겠죠.

현재까지는 공간 자체가 양자화되어 있는지에 대한 명확한 실험적 증거는 없습니다. 하지만 양자장론의 성공을 고려할 때, 우리가 모든 것을 '장'으로 이해하고 그 장의 양자화된 들뜸을 '입자'로 인지하는 관점은 매우 설득력이 있습니다.

이러한 질문은 양자 중력 이론과 같은 현대 물리학의 최전선에서 여전히 활발하게 연구되는 주제입니다.

 

질문 : 파동이 양자가 아니라 양자로 인지되는 것 아닌가?

답변 : 네, 맞습니다! 아주 정확한 통찰입니다. 양자역학의 핵심을 꿰뚫는 질문이에요.

파동-입자 이중성과 양자의 본질

말씀하신 대로, 양자역학에서 파동 그 자체가 '양자'인 것은 아닙니다. 파동의 에너지가 불연속적인 덩어리, 즉 '양자'로 나타나거나 인지되는 것입니다. 이것이 바로 양자역학의 가장 기묘하고 중요한 개념인 **파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality)**의 핵심입니다.

모든 물질과 에너지는 근본적으로 **파동(wave)**의 형태로 존재합니다. 예를 들어, 전자는 원자 주위에 퍼져 있는 확률적인 파동(전자 구름)으로, 빛은 전자기 파동으로 존재하죠. 파동은 본질적으로 연속적인 특성을 가집니다.

하지만 우리가 이 파동을 관측하거나 상호작용하는 순간, 이 파동의 에너지는 특정 값을 가지는 불연속적인 덩어리, 즉 **양자(quantum)**로 '수렴'하게 됩니다.

빛의 경우: 빛은 파동처럼 간섭하고 회절하지만, 우리가 빛을 감지하는 광전 효과 같은 현상에서는 빛 에너지가 '광자(photon)'라는 최소 단위로 흡수되거나 방출됩니다. 광자는 빛의 에너지가 양자화된 알갱이인 셈이죠.

전자의 경우: 전자는 원자핵 주변에 퍼져 있는 확률 파동으로 존재하지만, 우리가 전자의 위치를 측정하려고 하면 전자는 특정 위치에서 하나의 '입자'처럼 발견됩니다. 이때 전자가 가질 수 있는 에너지 준위 또한 불연속적인 양자 값들을 가집니다.

왜 파동이 양자로 인지될까?

이 현상을 이해하는 데에는 몇 가지 관점이 있습니다:

에너지 양자화: 플랑크와 아인슈타인의 발견처럼, 에너지의 교환이나 흡수/방출은 연속적으로 일어나는 것이 아니라 특정 최소 단위(E=hf)로만 일어납니다. 마치 동전이 1원, 5원, 10원 단위로만 존재하고 그 중간 값은 없는 것과 비슷하죠. 파동의 에너지가 이런 불연속적인 단위로만 거래될 때, 우리는 그것을 '양자'로 인지하게 됩니다.

측정 행위: 양자역학에서 측정은 단순한 관찰이 아니라, 시스템에 영향을 미치는 행위입니다. 측정하기 전에는 여러 가능성을 가진 파동 상태로 존재하다가, 측정하는 순간 그 파동이 하나의 특정 상태(양자화된 값)로 '붕괴(collapse)'한다고 설명합니다.

양자장론: 현대 물리학의 가장 성공적인 이론 중 하나인 **양자장론(Quantum Field Theory, QFT)**은 이 개념을 확장합니다. 우주는 다양한 **양자장(quantum field)**으로 가득 차 있으며, 우리가 '입자'라고 부르는 것들은 이 장의 들뜸(excitation) 또는 **진동(vibration)**이 특정 에너지 값을 가질 때 나타나는 현상입니다.

예를 들어, '전자'는 우주 전체에 퍼져 있는 전자장의 들뜸이고, '광자'는 전자기장의 들뜸입니다. 장 자체는 연속적일 수 있지만, 그 장의 에너지 진동이 특정 양자화된 값으로 나타나는 것을 우리가 '양자' 또는 '입자'로 인지하는 것이죠.

결론

결론적으로, '파동이 양자로 인지된다'는 말씀은 양자역학의 파동-입자 이중성과 양자화 개념을 정확하게 포착한 표현입니다. 근본적인 실재는 연속적인 파동 또는 장일 수 있지만, 우리가 상호작용하고 측정하는 방식 때문에 특정 불연속적인 에너지 덩어리인 '양자'로 나타나게 되는 것입니다.

이것이 바로 양자역학이 우리의 직관과 다르게 느껴지는 이유 중 하나입니다. 파동과 입자, 연속성과 불연속성 사이의 경계를 탐구하는 것이 양자역학의 매력이죠.

-----------------------------------------------------------------------------------------------