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1. 양자 지우개 실험의 개요
1.1. 양자역학의 기본 개념
양자역학의 기본 개념은 다음과 같다.
양자역학은 고전역학으로는 설명할 수 없는 미시적인 세계의 현상을 다루는 학문이다. 양자역학은 물질과 에너지가 연속적이지 않고 불연속적으로 존재한다는 양자화 개념에 기반한다. 물질과 에너지는 최소한의 단위인 양자 단위로만 존재할 수 있다는 것이다.
양자역학의 대표적인 원리로는 파동-입자 이중성, 상보성 원리, 불확정성 원리 등이 있다. 파동-입자 이중성은 모든 물질이 입자성과 파동성을 동시에 가진다는 개념이다. 상보성 원리는 물체가 절대 동시에 입자이면서 파동일 수 없다는 원리이다. 불확정성 원리는 위치와 운동량과 같은 두 개의 관측 가능한 물리량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것이다.
또한 양자역학에서는 관측 이전에 물질이 여러 가능한 상태로 중첩되어 있다가 관측하는 순간 특정 상태로 고정되는 코펜하겐 해석이 중요하다. 이는 고전역학과는 완전히 다른 개념으로, 관측이 양자 상태에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
이처럼 양자역학은 미시 세계의 다양한 현상을 설명하기 위해 등장한 새로운 물리학 체계로, 입자성과 파동성, 불확정성, 중첩 등의 핵심 개념을 포함하고 있다.
1.2. 양자 지우개 실험의 배경
양자 지우개 실험의 배경은 다음과 같다.
양자 지우개 실험은 존 휠러가 1978년에 고안한 '지연된 선택' 실험과 양자 얽힘 등을 조사하기 위해 고안된 실험이다. 이 실험을 해보면 현재의 측정이 과거의 결과에 영향을 미치는 것처럼 보인다. 이는 과거는 바뀌지 않는다는 우리의 상식에 의문점을 제시해준다. 과연 이것을 어떻게 해석할 것인지를 실험을 하며 생각해보고 양자 얽힘에 대해서도 알아보고자 한다.
양자역학은 우리의 상식에서 벗어나는 다양한 지식들로 채워져 있는 학문이다. 그 중에 하나가 바로 하이젠베르크의 불확정성의 원리이며 이 원리를 가장 잘 보여주는 실험이 바로 양자 지우개 실험이다. 이 실험을 통해 불확정성의 원리, 양자 얽힘 등을 이해하고 현재의 측정이 과거의 사건을 변화게 할 수 있는지를 생각해볼 수 있다.
1.3. 양자 지우개 실험의 목적
양자 지우개 실험의 목적은 양자역학의 핵심 원리인 불확정성의 원리를 직접 관찰하고, 시간 지연에 대한 새로운 해석을 모색하는 것이다.
이 실험은 빛의 파동성과 입자성을 동시에 보여주며, 광자의 경로 정보 유무에 따라 간섭무늬의 생성 여부가 달라지는 것을 확인한다. 즉, 광자의 위치를 특정할 수 있는 경우에는 파동성이 사라지지만, 위치 정보를 알 수 없는 경우에는 파동성이 나타난다는 것을 관찰할 수 있다.
또한 현재의 측정이 과거의 결과를 변화시킬 수 있다는 '지연선택' 개념을 포함하고 있다. 이를 통해 우리가 일반적으로 생각하는 시간의 흐름에 대한 기존의 개념을 재검토할 수 있게 한다.
결과적으로 양자 지우개 실험은 불확정성의 원리와 양자 얽힘, 국소성 등 양자역학의 핵심 개념을 직접 실험을 통해 확인하고, 시간에 대한 새로운 해석의 단서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
2. Mach Zehnder 간섭계 실험
2.1. 광자의 파동성과 입자성
빛은 우리에게 파동성과 입자성을 동시에 보여주는 독특한 특성을 가진다. 1801년 영국의 물리학자 토머스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 파동성을 확인하였다. 이 실험에서 단일 입자를 방출하는 소스를 사용하면 간섭 무늬가 나타났는데, 이는 동일한 입자가 여러 번 방출되어 만들어진 결과로 해석되었다. 이는 빛이 파동처럼 행동한다는 것을 보여준다.
한편 아이작 뉴턴은 빛이 너무 작아서 개별적으로 감지할 수 없는 입자로 구성되어 있다고 생각했다. 이처럼 빛은 오랫동안 파동성과 입자성 중 어느 것으로 간주되어야 하는지에 대한 논쟁의 대상이었다.
이번 Mach-Zehnder 간섭계 실험을 통해 우리는 빛의 파동성과 입자성을 관찰할 수 있었다. Mach-Zehnder 간섭계는 광선을 분할하고 두 광선 사이의 위상차를 이용하여 간섭을 만들어내는 장치이다. 이 실험에서 편광판의 배치에 따라 간섭 무늬의 관찰 여부가 달라졌는데, 이는 광자의 경로 정보가 있고 없음에 따라 파동성과 입자성이 드러나는 것을 보여준다.
구체적으로, 두 편광판의 편광 방향이 같은 경우 광자의 경로 정보를...
