해석 5
앙상블 해석
존재 가능한 모든 것은 공간을 뛰어넘어 상호작용한다
앙상블 해석 Ensemble Interpretation은 코펜하겐 해석에대한 최초이자 가장 단순한 대안이며 아인슈타인이 선호했던 해석이다. 아인슈타인은 다음과 같이 말했다.
양자이론적인 기술을 개별적인 계들에 대한 완전한 기술로서 생각하고자 하는 시도는 부자연스러운이론적 해석으로 귀결된다. 만약 우리가 양자이론적인 기술을 개별적인 계들이 아니라 계들의 앙상블을지칭하는 것으로 보는 해석을 수용할 경우, 앞서 언급했던 해석은 곧장 불필요해진다.”
캐나다의 사이먼프레이저대학교에서 일하고 있는,우리 시대에 앙상블 해석을 주도적으로 옹호하고 있는레슬리 밸런타인 Leslie Ballentine은 다음과 같이 설명한다.
코펜하겐 해석에 대한 아인슈타인의 “비판 중 다수의물리학자들에게 최소한 암묵적으로 수용된 부분은, 양자 상태(파동) 함수가 개별 계에 대한 기술을 제공하는것이 아니라 유사한 계들의 앙상블에 대한 기술을 제공한다는 것이다.”
그러나 이 ‘해석’은 실제로는 그 어떤것도 해석하지 않고 있다. 이 해석은 단순히 양자 세계에 대한 이상해 보이는 모든 것들이 통계학의 용어들로설명될 수 있다고 말한다(이 해석은 때때로 ‘통계적 해석’이라고 알려져 있다). 이는 마치 범행 현장에서 구경하러온 군중들에게 이렇게 지시하는 경찰과도 같다. “여기에는 볼 것이 없으니 이동해주세요.”이때 통계는 앙상블의 통계다. 그러나 이때의 앙상블은 대부분의 사람들이 이 단어를 들었을 때 마음속에떠올리는 종류의 것이 아니다. 일상 언어에서 앙상블은 몇몇 공통된 속성을 갖거나 함께 작동하는 것들의 집합이다.
예를 들어 음악에서 현악 앙상블처럼 말이다. 통계학자에게는 600개의 동일한 주사위들의 집합체가 앙상블을 이루는데, 만약 이러한 주사위들을 한꺼번에 굴릴 경우에 우리는 확률의 법칙에 따라 대략 6의 눈 100개, 5의 눈 100개, 4의 눈 100개, 3의 눈 100개, 2의 눈100개, 1의 눈 100개를 볼 것이라고 기대할 것이다. 그러나 동일한 통계적 결과를 얻는 이와 다른 방법이 있다.
하나의 완벽한 주사위를 가지고 이를 600번 굴리는것이다. 당신은 6의 눈이 약 100번 나오고, 5의 눈이 약100번 나오고 등등을 기대할 것이다. 바로 이것이 양자물리학자들이 언급하는 종류의 앙상블이다. 기체 분자들로 가득 차 있는 상자는 이러한 의미의 앙상블을 구성하지는 않는다. 그러나 동일한 방식으로 실험할 수 있는 다수의 동일한 기체 상자들은 앙상블을 구성한다. 이상적 상황에서, 당신은 정확히 동일한 입자에 정확히 동일한 실험을 여러 번 하고 이러한 각각의 ‘시행’ 결과를확인할 것이다. 그것이 앙상블이다. 시행 결과는 막스보른에 의해 발전된 규칙들에 따라서 확률 분포를 따를것이다.
방정식들에는 ‘파동함수의 붕괴’를 기술하는 내용이 없다. 그리고 그 어떤실험도 붕괴하고 있는 파동함수를 포착한 바가 없다.1954년에 앨런 튜링 Alan Turing은 지속적으로 관측되고있는’ 양자계는 결코 변화하지 않을 것임을 지적했다.그는 다음과 같이 말했다.
만약 한 계가 특정한 관측가능량의 고유상태에서 시작하고 이 관측가능량에 대해 1초에 N번 측정할경우, 설혹 이 상태가 정상상태에 있지 않더라도이 계가 가령 1초 이후에도 계속 같은 상태에 있을 확률은 N이 무한대로 갈 때 1에 가깝게 됨을, 즉 지속적인 관측이 운동을 방해할 것임을 표준적인 이론을 사용하여 쉽게 보여줄 수 있다.
만약 당신이 긴 시간을 기다린 후 이 계를 보면 당신은 이 계가 다른 상태에 있는 것을 관측할 것이다. 그러나 당신이 아주 재빨리 쳐다보면 확률이 변할 시간이 없어서 계는 동일한 상태에 있을 것이다. 계가 중간 상태에 있을 수는 없는데 왜냐하면 중간 상태라는 것은 없기 때문이다. 따라서 파동은 동일한 위치에서 다시 퍼져 나가기 시작해야 한다. 충분히 자주 바라보면 계는 결코 다른 상태로 가지 못한다. 양자 ‘냄비’는 당신이 계속 바라볼 경우 끓지 않을 것이다.
관측 사이의 시간 간격이 작아질수록 효과는 더 강해진다. 파동함수들을 쳐다볼 경우 이들은 결코 붕괴하지 않는다. 그렇다면 대체 왜 파동함수들이 붕괴해야 한다고 기대해야 하는가? 밸런타인은 파동함수가 붕괴하지 않으며 이것이 앙상블 해석을 지지하는 실험적 증거라고 주장한다.
그러나 앙상블 해석에는 하나의 큰 문제가 있다. 이 해석은 구체적으로 파동함수가 개별적인 양자 개체들에 적용되지 않으며 상태들의 중첩과 같은 것은 존재하지 않는다고 말한다. 그러나 실험자들은 오늘날 파동함수 기술을 따르는 것처럼 보이는 (양자컴퓨팅과 같은) 상황들에서 일상적으로 전자와 같은 개별적인 양자 개체들을 다루며 , SQUID 반지는 중첩 상태에 있는 거시적인 다일 양자 개체를 증명할 수 있는 것처럼 보인다. 그러나 리 스몰린은 새롭게 이 해석을 부활시켰다.
앙상블 해석의 이 새로운 판본은 오늘날 시렇ㅁ에 의해 우주의 핵심적인 특징임이 밝혀진 비국소성이라는 개념을 완전히 포용한다.
‘실재적 앙상블 해석 Real Esnsemble Interpretation’
핵심적인 차이점은 다음과 같다. 전통적인 앙상블 해석에서 앙상블의 궛ㅇ원들은 실제로 동시에 모두 존재하는 것이 아닌 반면, 스몰린의 앙상블 해석에서는 모든 구성원이 동시적으로 실재한다. 앙상블의 가능한 양자 구성 성분들(예를 들어 수소원자)은 ‘존재 가능한 것beable’이라 불리는데 왜냐하면 이들은 존재할 수 있는 것들이기 때문이다. 그러나 600개의 주사위를 한번에 굴리는 것이 아니라 하나의 주사위를 600번 굴리는 경우 이들은 함께 같은 시간에 존재하는 것이 아니다. 스몰린이 제시한 실재적 앙상블 해석은 앙상블을 이루는 존재 가능한 것들이 하나의 주사위를 600번 굴리는 경우와는 달리 실제로 600개의 주사위들을 함께 굴린 경우와 같이 동시에 존재한다고 말한다. 임의의 주어진 시간에 임의의 양자계에서는 존재 가능한 것들의 갑ㅄ들에 의해 결정되는 실재적인 사태들의 상태가 존재한다.
우조 속 실재하는 계의 행동에 영향을 미치는 것으로 가정되는 모든 것은 그 자체로 우주 속에 실재하는 계라는 것이다. 스몰린은 “‘잠재적인 것이 실재적인 것에 영향을 미치는 ‘ 유령 같은 방식이 존재한다고 상상하는것”은 수용할 수 없다고 말한다.
만약 앙상블의 모든 구성 성분들이 실재적이라면 이들 사이에서 새로운(이전까지는 발견되지 않았다는 의미에서) 상호작용이 존재할 수 없어야 하는 이유는 없다.
스몰린에 따르면 양자역학은 바닥 상태에 있는 수소 원자들과 같이 다수의 복제물들을 가지고 있는 우주 속 작은 하위계들에 적용된다. 그러나 고양이나 사람처럼 거시적인 계들은 우주 속 어디에도 복제물을 갖고 있지 않으므로 이들은 상호작용하는 양자적 존재 간읗나 것들을 포함하는 복제 과정에 의해서 영향을 받지 않는다. 이와 같은 의미에서 이들은 상호작용할 대상이 없는 것이다.
이는 흥미로운 함축들을 갖는다. 첫째 우주는 유한해야한다. 무한한 우주에는 무한히 많은 당신의 복제물들이 있ㅇ르 것이고 따라서 스몰린의 방정식에 의해 기술된 상호작용이 당신에게 영향을 미칠 것이고 당신은 양자적인 입자처럼 행동하게 될 것이다.
둘째, 스몰린은 그의 단순한 수학적 규칙들로부터 슈뢰딩거 파동방정식을 유도할 뿐 만 아니라 고전 역학의 법칙들 -뉴턴의 법칙들 – 또한 양자역학의 근사로서 유도할 수 있다. 그러나 그는 양자역학 그 자체가 우주에 대한 좀 더 깊이 있는 기술에 대한 하나의 근사적 판본이 아닌가 의심하며 더 나아가 그는 만약 이러한 의심이 맞다면 진정으로 빛보다 빠른 신호가 발생할 것이라고 제안했다.
우리가 아직 궁극적인 이론을 갖고 있지 않다는 것을 알려주는 강력한 힌트는 존재 가능한 것들 사이으이 상호작용이 유일한 우주적 시간의 존재를 암시하는 것 같다는 점이다. 따라서 상호작용은 동시적으로 일어날 수 있으며 이는 상대성이론의 확장을 요구할 것이다.
양자 역학에서의 비국소성 :
양자역학에서의 “비국소성” 또는 “비지역성”은 물리적 시스템의 특정한 부분이나 지역에 대한 성질이나 정보를 설명하는데 있어 전통적인 물리학의 개념과 다른 현상을 나타내는 용어입니다. 양자역학에서는 비국소성이라는 개념이 나타나게 된 주요한 이론 중 하나는 “양자 얽힘” 혹은 “양자 상호작용”입니다.
양자 얽힘은 두 개 이상의 양자 시스템이 서로 상호작용하여 생성된 상태가, 개별적인 시스템에 대한 정보를 독립적으로 나타내지 못하는 현상입니다. 양자 상태가 얽혀있는 경우, 한 시스템의 상태를 측정하면 다른 시스템의 상태가 즉시 정해지게 됩니다. 이것은 두 시스템 간에 정보가 순간적으로 전달되는 것처럼 보이지만, 실제로는 어떠한 정보도 전달되지 않습니다. 이러한 특성으로 양자 얽힘은 “측정에서의 즉시 작용”이라고도 불립니다.
비국소성은 양자역학에서의 기본 원리 중 하나인 벨의 부등식에 의해 나타납니다. 벨의 부등식은 지역 실현성(Local Realism)이라고 불리는 고전물리학적 개념과 양자역학의 특성 간에 일종의 모순을 나타내는 수학적인 부등식입니다. 양자 얽힘이나 양자 상호작용은 벨의 부등식을 벗어나는 현상을 보이며, 이는 지역 실현성의 제한을 나타냅니다.
이러한 양자적 현상은 양자 컴퓨팅, 양자 통신 및 양자 암호학과 같은 응용 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 양자 얽힘이나 비국소성을 기반으로 한 양자 비트들은 고전 비트보다 훨씬 강력하게 정보를 처리하고 전송할 수 있기 때문입니다.
국소성(locality)이란 한 공간적 영역에서 일어나는 모든 것은 이와 분리된 다른 공간적 영역에서 일어난 작용에 전혀 영향을 받지 않는다는 것을 말합니다. 따라서 비국소성(non-locality)은 위의 국소성이 지켜지지 않는 경우를 말합니다.
국소성 :
“계 S1에 대해 일어난 일은 이 계와 공간적 간격으로 떨어져 있는 다른 계 S2의 실제 사실적 상황과 무관하다.” (“the real factual situation of the system S2 is independent of what is done with the system S1, which is spatially separated from the former.”)
이토록 기묘한 양자 출처
“이 포스팅은 쿠팡 파트너스 활동의 일환으로, 이에 따른 일정액의 수수료를 제공받습니다.”