_과학포럼 입니다.
눈으로 관찰 가능한 물질의 양자현상.ted10
- [* 비회원 *]
- 등록일 2015-08-07 15:57
- 조회수 1911
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파워링크 
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 쟈나크
/봄나들이//
오.. 이건 새로운 사실이네요. 저같은 경우 아직까지 거시(상대성)이론과 미시(양자)이론이 융합이 되지 못하고 있고, 그래서 수많은 물리학자들이 그 두개를 아우를 수 있는 통일장 이론을 찾기 위해 연구 중이라고만 알았거든요. 누를 끼치는게 아니라면 하나 더 여쭙고 싶은데요. 그렇다면 이 실험의 성공이 지금 이론 물리학자들 사이에서 꽤나 센세이션이 일어나야 할 거 같은데 그런 상황인지가 궁금하네요. |
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봄나들이
상대성이론 역시 거시세계에만 적용되어야 할 이유는 없습니다. 상대성이론은 미시 또는 거시적 현상에 관심을 가진 것이 아닌 시공간의 의 관계에 대해 관심을 가진 이론으로 생각하시면 되겠습니다. 상대성이론은 주로 물체의 크기보다는 속도에 관심을 가지긴 하지만 (빛의 속도에 비해 상대적으로) 느리게 움직이는 물체에 대하여 상대론적인 운동 기술을 하면 역시나 너무 복잡하기 때문에 느리게 움직이는 물체에 대해서는 보통 뉴턴 역학을 적용하게 됩니다. 물론 느리게 움직이는 물체에 대하여 상대론적인 계산을 하면 근사적으로 뉴턴 역학으로 표현이 가능하기 때문입니다.
양자역학은 앞에서 말씀드린대로 미시세계에서 고전역학으로 설명되지 않는 부분을 포함하여 거시세계의 영역까지 표현이 가능한 이론입니다. 당연히 거시세계의 역학을 양자역학을 통해 분석하면 근사적으로 (우리가 사용하고 계산하기 쉬운) 뉴턴역학으로 표현이 가능하구요. 상대성이론과 양자역학은 상호 배타적인 관계가 아니기 때문에 당연히 융합이 가능합니다. 우리가 잘 알고있는 슈뢰딩거방정식이 물질계의 에너지 상태를 나타내는 해밀토니안으로 부터 유도되었다면, 이 해밀토니안은 상대론에 의해서 상대론적 해밀토니안으로 변형이 되고 이러한 상대론적 해밀토니안을 양자역학적 표현으로 바꾸면 상대론이 적용된 슈뢰딩거 방정식이 나오게 되지요. 이러한 융합은 옛날에 이미 이루어졌고 이를 실현한 사람의 이름을 따서 디락 방정식이라고 부릅니다. 이 디락 방정식은 슈뢰딩거 방정식이 발표된지 몇 년 지나지 않아 발표된 것으로 알고 있고 현대 입자물리의 배경이 되는 양자장론의 출발점이라고 생각하시면 됩니다. 짧게 정리하면 상대성 이론이 커버하는 범위는 (거시/미시 상관없이) 물체의 운동속도가 느린영역~빠른영역이고 양자역학이 커버하는 범위는 물체의 크기가 작은 영역~ 큰 영역입니다. 그래서 실제로 물체의 크기나 운동속도와 관계없이 가장 정확한 이론은 양자장론이 되겠지요. 하지만 모든 물리계를 양자장론으로 표현하기엔 계산이 한없이 복잡하고 어려워지기때문에 느리게 움직이면서 커다란 물체는 뉴턴역학 빠르게 움직이면서 커다란 물체는 상대성이론(정확하게는 뉴턴역학+상대성이론) 느리게 움직이면서 작은 물체는 양자역학 빠르게 움직이면서 작은 물체는 양자장론으로 표현을 하게 됩니다. 물론 근사적으로 표현이 가능한 시간, 크기 영역대에서의 이야기입니다. 그렇다면 말씀하신 통일장 이론은 무엇이냐면 자연계에 존재하는 기본적인 네 가지 힘을 한가지 기본원리로 설명할 수 있도록 융합하려는 이론입니다. 자연에 존재하는 기본적인 힘은 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력 이렇게 네 가지의 힘밖에 없고 우리가 경험하게 되는 여러가지 힘들(마찰력, 탄성력 등을 포함한)도 근원을 따져보면 결국 이 네 가지 기본 힘에 포함이 됩니다.(주로 전자기력으로 포함) 예전에는 전기력과 자기력도 분리되어서 생각했었지만 맥스웰이 활동하던 시대를 전후로 하여 수많은 과학자들에 의해 전기력과 자기력은 통합이 되었구요, 그 이후에 수많은 과학자들이 이 네가지 힘을 통합하는 통일장 이론을 만들려 했지만 아직까지 성공하진 못한 것으로 알고 있습니다. 제가 알기로는 공식적으로는 전자기력+강한 핵력+약한 핵력까지는 융합을 했지만 중력이 다른힘들에 비해 상당히 미스테리한 특징을 보여서 결국 중력까지 포함된 통일장 이론은 아직 완성되지 않은 것으로 보입니다. 중력에 대한 비밀을 파헤치는데 도움을 줄 수 있는 힉스입자의 발견이 통일장 이론의 완성에 도움이 되는 비교적 최근의 성과로 보이구요, 그사이에 제가 모르는 통일장이론에 대한 획기적인 발전이 있었는지는 잘 모르겠습니다. 아마도 상대성 이론, 양자이론, 통일장 이론에 혼란을 느끼신 이유중에 하나가 상대성 이론을 완성한 아인슈타인이 양자이론에 크게 기여를 했고 통일장 이론에 도전해서 실패했던 사실로 인해 이 세가지 이론이 서로 어떤 영향을 미친다고 무의식적으로 생각하신게 아닌가 싶은데 정리해서 말씀드리면 상대성 이론과 양자이론은 서로 융합 가능하고(실제로 이미 융합이 이루어졌고) 통일장 이론은 이와는 별개의 이론입니다. 일단 본문의 내용은 입자 실험물리와 관련된 내용이기 때문에 이론물리학자들 사이에서 관심을 가진다기 보다는 입자물리와 관련된 커뮤니티에서(이론, 실험 포함) 관심을 많이 가졌을 것으로 보입니다. 당연히 사람들이 관심을 가지거나 중요하다고 생각될만한 내용을 담고 있기 때문에 네이처라는 엄청난 인지도의 저널에 실릴 수 있겠지요. 저는 입자물리 커뮤니티에서 이 내용에 대해 어떤 반응을 보이고 있는지 잘은 모르겠지만 일단 이론적으로 예측되었던 내용을 그대로(예측된 이론과 반대가 아닌) 재현을 한거라서 뭔가 새로운 물리를 발견한건 아니고 다만, 기존의 이론에서 예측은 되었지만 재현하지 못한 내용을 재현하는데 방해되는 요소를 잘 제거해서 실험적으로 재현했다는 부분에서 큰 의미를 가진(기존의 이론을 확인) 연구라고 생각이 됩니다. 그냥 간단하게 재현하는데 방해되는 요소를 잘 제거했다고 하지만 사실상 높은 고유진동수를 가지는 구조물을 제작하고 측정에서 전기적 노이즈를 줄이기 위한 물질과 측정 방법을 고민하고 절대온도 0.1K 미만의 온도까지 내려가서 실험을 하는 등의 여러가지 어려운 요소를 극복하고 성공한 실험이기 때문에 큰 의미가 있었던 것이고 그로 인해 네이처같은 저널에 논문이 실리는게 가능하지 않았나 생각됩니다. 그래서 어려운 실험을 성공적으로 이끌어낸 상당히 좋은 연구결과이긴 획기적인 내용이라고 하기엔 좀 어려울 수도 있어서 관련분야 물리학자들 사이에 센세이션이 일어나야 할 정도인지에는 약간 부정적인 의견입니다. 같은 분야의 과학자라고 해도 같은 연구결과에 대한 반응이 엇갈릴 수도 있지만 제 개인적인 생각으로는 위의 이유로 뭔가 센세이션을 일으키기엔 부족하지 않나 싶습니다. 다만 네이처, 사이언스 급에 실릴정도의 연구결과면 대부분 최소 1년에서 많게는 2~3년정도 그 분야의 커뮤니티에서 관심을 가지고 주목을 할만한 좋은 연구를 한 것이기 때문에 센세이션까지는 아니더라도 학계에서 충분히 관심을 가질 좋은 내용이라고 생각이 들어요. |
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봄나들이
에고.. 퇴고없기 길게 댓글을 쓰다보니 조금 혼란을 드리게 쓴 부분이 있는 것 같습니다. 글을 쓰면서 일반 상대성이론에서 관성질량과 중력질량의 동등성에 대한 내용을 쓸까 말까 생각하다가 내용이 좀 섞여버린 것 같습니다.
낙타님께서 말씀하신대로 힉스입자는 중력을 부여하는 것이 아닌 표준모형에서 예측했던 기본입자들의 질량을 매개하는 입자로 예측되었던 입자입니다. 중력을 매개하는 입자는 중력자 정도로 표현할 수 있는데 이는 아직 발견되지 않았고 아직도 많은 사람들이 연구를 하고 있는 내용입니다. 참고로 표준모형은 위에서 말씀드린 기본 입자들의 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력을 설명할 수 있는 이론이고 완성된 이론은 아닙니다. 힉스 입자의 발견으로 표준모형을 뒷받침 할 근거가 추가되었긴 하지만 여전히 숨겨진 변수들이 남아있는 상태이고 심지어 힉스 입자의 발견에도 불구하고 힉스입자의 질량과 관련한 문제로 hierarchy problem이 존재하니까요. 상대론 기반으로 생각해보면 질량과 중력의 관계가 전혀 상관없는 건 아니지만 매개입자의 측면에서 힉스입자와 중력자는 전혀 별개의 문제이기 때문에 이에 대한 혼란을 줄이기 위해 추가로 글을 남깁니다. |
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봄나들이
어느부분이 미묘하게 틀렸는지 좀 더 자세히 말씀해주시면 좋겠습니다. 저도 오개념을 가지고싶진 않으니까요. ^^
통일장이론이란 용어를 아인슈타인이 처음 사용했고 그때는 중력과 전자기력을 합치려는 시도를 했던 것이지만, 아인슈타인 이후에 두 개의 핵력이 발견되었고 그로 인해 현재 통일장 이론을 연구하시는 분들의 목적은 핵력을 포함한 네 개의 기본힘을 통합하는 것이기 때문에 중력과 전자기력뿐만 아니라 강한 핵력, 약한 핵력까지 포함하는 이론이 맞으며 현재도 계속해서 연구되고 있는 분야입니다. 대통일 이론의 한 분야에 속하긴 하지만 그 구분이 이론의 대상에 있어 어느 범위의 힘까지 포함하느냐가 아니라 장의 개념으로 설명할 것인지 아닌지에 따라 결정되는 용어입니다. 힉스 입자에 대하여서는 정확히 말씀드리자면 일단 표준모형이라는 이론에서 대칭성에 기반을 두어 기본입자들의 중력을 제외한 나머지 세가지 상호작용을 설명하였고 이러한 상호작용은 게이지 보존이라고 하는 질량이 없는 입자에 의해서 발생한다고 설명을 합니다. 그런데 실제로 발견된 게이지 보존은 질량을 가지고 있었고 이를 설명하기위해 사람들이 특정 조건에서 자발적 대칭 깨짐이 발생할 수 있고 그 특정 조건이 힉스 장이라고 하는것의 존재임을 과학자들이 주장했습니다. 하지만 이는 가설에 불과하고 실제로 힉스 장의 발견을 하기 어려웠기 때문에 표준모형이 틀린건 아닐까 생각하는 사람도 있는 상황이었구요 그러다가 결국 힉스 장을 부여해주는 힉스 보존(흔히 힉스입자라고 부르는)을 발견하게 됩니다. 이 내용을 비전공자에게 짧게 설명하기 위해 힉스입자가 질량을 매개하는 입자라고 설명한것은 잘못되었다고 말하기는 좀 힘들 것 같습니다. 힉스입자가 질량을 매개한다는 입자라는 설명은 수많은 분야의 과학자와 대중들을 향해서도 널리 사용되는 표현이기도 하고 심지어 전공 교과서인 Griffiths의 입자물리 책의 Higgs field 챕터에도 이러한 표현이 있었던 것으로 기억됩니다. 이를 줄여서 표현하는 방법은 여러가지가 있으니까 굳이 힉스메카니즘의 부산물이다라는 표현에는 코멘트를 하지 않겠습니다. 표준모형이 현상을 설명하기 급급했다기 보다는 현상을 설명하는 이론중 가장 타당한 것으로 받아들여진 이론이라고 하는게 더 옳은 표현이라고 생각됩니다. 또한 처음에 힉스입자의 에너지가 어느정도 합당한 범위에서 발견되긴 했지만 그 입자가 힉스입자임을 증명하는데 중요했던 요소는 질량보다는 스핀과 패리티였습니다. |
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제 직접적인 전공분야는 아니어서 정확하지 않을 수 있지만 일단 무조건 절대0도, 진공상태가 되어 물질간의 관여가 없어지면 양자 중첩상태가 된다는건 아닙니다. 물질에서의 양자적 효과는 온도 효과에 의한 격자 진동이나 에너지 전달에 효과에 묻혀 확인하기 힘든데 온도를 충분히 낮춰서 양자적효과에 의한 에너지 상태를 구분할 수 있게 만들면 많은 수의 원자로 이루어진 고체에서도 양자적 효과를 관측할 수 있다라는 내용입니다.
조금 더 풀어서 설명하자면 일단 저 강연에서 설명하는 실험은 잘 보면 눈에 점으로 보일 수 있는 크기인 수십 마이크로미터 크기의 알루미늄 재질의 구조물(resonator)을 만들었고 이 구조물의 고유 진동수는 GHz 대역이 됩니다.
물질의 양자적 에너지 상태를 관측하기 위해선 물질의 에너지를 가장 낮은상태(ground state)로 만들어야 하는데 이 상태의 에너지는 양자역학에 의하면 고유 진동수에 비례하기 때문에 이 구조물은 높은 진동수를 가져서 ground state 에너지의 크기가 비교적 커지게 됩니다.
양자역학적 에너지 상태를 열적 현상과 분리하여 관측하기 위해서 온도를 적어도 ground state 에너지보다 낮은 에너지를 가지게 만들어야되고 수식적으로 대략 (1/2)h_bar*ω~K_b*T를 만족하는 온도가 되어야 하기 때문에 ground state에너지가 커지면 결국 비교적 높은 온도에서도 ground state를 만들 수 있어서 고체의 양자역학적 에너지 현상을 관측할 수 있게 됩니다.
영상속의 장치에서의 ground state를 만들기 위한 온도는 대략 절대온도 0.1 K 미만이 된다고 하구요(만약 일반적인 스케일의 구조물을 이용한다면 마이크로 캘빈 미만의 극저온이 필요하게 됩니다.) 이것도 높은 온도라고 했지만 일반 액체핼륨 온도의 1/40밖에 안되는 엄청나게 낮은 온도이지요.
실험을 위해 진공상태로 만든건 온도를 낮추면서 발생하는 응축현상을 방지하기 위한 부차적인 작업이구요.
이상태에서 구조물의 에너지를 다른 양자적 상태를 변화시키지 않고 양자적 열 에너지를 측정할 수 있는(격자진동) 장치를 통해서 ground state의 에너지와 진동에 의한 에너지의 중첩을 확인한 실험으로 보입니다.
그래서 지금도 우리는 양자 중첩 상태에 존재하고 있지만 다른 요인들에 의해서 느낄 수 없을 뿐이고 위 실험과 같이 외부요소를 제거하여 양자적 상태를 관측한다면 중요한것은 물질 서로간의 관여 제거나 진공상태 형성이 아닌 물질의 ground state에너지와 온도에 의한 에너지의 크기 차이가 가장 중요합니다.
이 실험 내용이 2010년 4월 네이처에 실렸는데 네이처에서 논문을 공개했으니까 관심있으신 분들은 한 번쯤 읽어보셔도 좋을 것 같아요.
관련 링크느 http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature08967.html 이구요, 구조물과 측정장치에 대한 해밀토니안으로 시뮬레이션도 같이 했네요.
저도 틀렸을 수 있으니까 내용 참고만 해주시고 잘못된 부분 있으면 알려주시면 감사하겠습니다. ㅋ
그래서 거시세계에서도 당연히 양자역학적인 모든 현상이 다 일어나고 있지만 이를 확인하기 어렵게 만드는 요소를 제거하여 거시계에서의 양자상태를 이해할 수 있다라는 내용으로 결론을 내릴 수 있습니다.
매우 조용한 방 안에서는 1미터 떨어진 곳에 있는 사람이 작게 혼잣말 하는 것도 쉽게 들을 수 있지만 시끄러운 락 공연장에서는 1미터 떨어진 곳의 사람이 작게 혼잣말을 하는지 소리로 구분하기 쉽지 않은것과 비슷한 이치로 생각하시면 될 것 같습니다. 물론 락공연장에서도 우리가 혼잣말을 듣지 못했을 뿐이지 실제로 혼잣말을 하지 않은것은 아니지요.