상보성 (물리학)

Complementarity (physics)
에 관한 일련의 기사들 중 일부
양자역학
슈뢰딩거 방정식
배경
펀더멘털
실험
제형
방정식
해석
고급주제
사이언티스트

물리학에서 상보성은 닐스 보어가 이론의 본질적인 특징으로 간주한 양자역학의 개념적 측면입니다.[1][2]상보성 원리는 물체가 모두 동시에 관찰되거나 측정될 수 없는 특정 쌍의 상보적 특성을 가지고 있다고 주장합니다. 예를 들어, 위치와 운동량 또는 파동과 입자 특성 등입니다.현대적 용어에서, 보완성은 불확정성 원리와 파동 입자 이중성을 모두 포함합니다.

보어는 양자역학의 기본적인 진리 중 하나를 예를 들어 전자의 위치와 같은 한 쌍의 양을 측정하기 위한 실험을 설정하는 것은 다른 한 쌍의 양을 측정할 가능성을 배제한다는 사실이라고 생각했지만, 두 실험을 이해하는 것은 연구 대상을 특성화하기 위해 필요합니다.보어가 보기에 원자와 아원자 물체의 행동은 측정된 물체가 행동하는 상황을 만드는 측정 도구와 분리될 수 없습니다.따라서 이러한 다양한 실험적 맥락에서 얻어진 결과를 하나로 통합하는 '단일 그림'은 존재하지 않으며, 오직 '현상의 총체성'만이 완전히 유익한 설명을 제공할 수 있습니다.[3]

역사

배경

물리적 모델로서의 보완성은 100년 전 알레산드로 볼타의 업적을 과학적으로 축하하기 위해 이탈리아 코모에서 닐스 보어가 1927년 발표한 것에서 비롯되었습니다.[4]: 103 보어의 주제는 양자 사건의 측정이 겉보기에는 모순되는 결과를 통해 보완 정보를 제공한다는 생각인 보완성이었습니다.[5]보어의 발표는 좋은 평가를 받지 못했지만, 결국 현대 파동-입자 이중성 개념으로 이어지는 문제를 결정화했습니다.[6]: 315 보어의 아이디어를 촉발시킨 모순된 결과는 지난 20년 동안 축적되어 왔습니다.

모순된 증거는 빛과 전자 양쪽에서 나왔습니다.백 년 넘게 광범위하게 성공한 빛의 파동 이론은 플랑크의 1901년 흑체 복사 모델과 아인슈타인의 1905년 광전 효과 해석으로 인해 도전을 받았습니다.이러한 이론적 모델은 빛과 물질의 상호작용을 설명하기 위해 양자인 이산 에너지를 사용합니다.다양한 실험적 관찰에 의한 확인에도 불구하고, 아서 콤프턴이 1922년부터 1924년까지 빛의 운동량을 증명하는 일련의 실험을 수행할 때까지 광자 이론은 논란의 여지가 있었습니다.[7]: 211 입자와 유사한 운동량에 대한 실험적 증거는 빛의 파동과 유사한 간섭을 보여주는 다른 실험들과 겉보기에 모순됩니다.

전자에서 나온 모순된 증거는 반대의 순서로 도착했습니다.J. J. 톰슨, 로버트 밀리컨, 그리고 찰스 윌슨에 의한 다른 많은 실험들은 자유 전자가 입자의 특성을 가지고 있다는 것을 보여주었습니다.그러나 1924년 루이 드 브로글리는 전자가 관련 파동을 가지고 있다고 제안했고 슈뢰딩거는 파동 방정식이 원자의 전자 특성을 정확하게 설명한다는 것을 증명했습니다.다시 몇몇 실험들은 입자의 특성을 보여주었고 다른 실험들은 파동의 특성을 보여주었습니다.

보어가 이러한 모순을 해결하는 것은 그것들을 받아들이는 것입니다.코모 강의에서 그는 "실험 자료에 대한 우리의 해석은 본질적으로 고전적 개념에 달려 있습니다."라고 말합니다.[5]직접 관찰이 불가능하기 때문에 양자 효과에 대한 관찰은 반드시 고전적입니다.양자 사건의 성격이 어떻든 간에, 우리의 유일한 정보는 고전적인 결과를 통해 도착할 것입니다.실험이 때로는 파동 결과를 낳고 때로는 입자 결과를 낳는다면, 그것은 빛의 본질이며 물질의 궁극적인 구성 요소입니다.

보어의 강의

닐스 보어(Niels Bohr)는 1927년 2월과 3월 노르웨이에서 스키 휴가를 보내는 동안 상보성의 원리를 생각해 냈고, 그 기간 동안 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)로부터 감마선을 이용한 현미경에 대한 사고 실험인 아직 출판되지 않은 결과에 대한 편지를 받았습니다.이 사고 실험은 나중에 불확실성 원리로 공식화될 불확실성 사이의 균형을 의미했습니다.보어에게 하이젠베르크의 논문은 단지 입자가 운반하는 운동량 값을 방해하는 위치 측정과 대신 위치가 측정되는 상황에서 운동량이 무의미하거나 정의될 수 없다는 더 급진적인 생각의 구별을 명확하게 하지 않았습니다.하이젠베르크가 이미 출판을 위해 논문을 제출했을 때 휴가에서 돌아오자, 보어는 하이젠베르크에게 불확실성 트레이드오프가 보완성의 더 깊은 개념의 표현이라고 확신시켰습니다.[8]하이젠베르크는 출판 전에 이와 같은 취지의 메모를 자신의 논문에 첨부하여 다음과 같이 밝혔습니다.

보어는 우리의 관찰에서 불확실성이 불연속성의 발생에서만 발생하는 것이 아니라, 우리가 한 편으로는 [입자] 이론에, 다른 한 편으로는 파동 이론에 나타나는 상당히 다른 실험에 동등한 타당성을 부여해야 한다는 요구와 직접적으로 관련되어 있다는 것에 주목했습니다.

보어는 1927년 9월 16일 코모에서 열린 국제 물리학 대회에서 아인슈타인, 슈뢰딩거, 디랙을 제외한 대부분의 저명한 물리학자들이 참석한 가운데 한 강연에서 상보성의 원리를 공개적으로 소개했습니다.그러나 보어가 벨기에 브뤼셀에서 열린 제5차 솔베이 대회에서 그 원리를 다시 발표했을 때 이 세 명은 한 달 후에 참석했습니다.이 강의는 이 두 회의의 진행 과정에서 출판되었고, 다음 해에 Naturwissenschaften(독일어)과 Nature(영어)에 다시 출판되었습니다.[9]

보어는 이 주제에 대한 독창적인 강의에서 빛의 속도의 유한성이 공간과 시간 사이의 급격한 분리(상대성)의 불가능성을 암시하듯이,행동의 양자의 유한성은 계의 행동과 측정 도구와의 상호 작용 사이의 급격한 분리의 불가능성을 암시하고 양자 이론에서 '상태'의 개념에 대한 잘 알려진 어려움에 이르게 합니다; 상보성의 개념은 인식론 cre에서 이 새로운 상황을 포착하기 위한 것입니다.양자론에 의해서 연대가 정해졌습니다.물리학자 F.A.M.Prescura와 Basil Hiley는 물리학에서 상보성 원리를 도입한 이유를 다음과 같이 정리했습니다.[10]

전통적인 관점에서는 시공간 안에 현실이 존재하며, 이 현실은 주어진 것이며, 그 모든 측면들은 주어진 순간에 보여지거나 명확하게 표현될 수 있다고 가정합니다.보어는 양자역학이 이 전통적인 전망에 의문을 제기했다고 처음으로 지적했습니다.그에게 "행동 양자의 불가분성"[...]은 시스템의 모든 측면을 동시에 볼 수 없다는 것을 암시했습니다.하나의 특정한 장치를 사용함으로써 다른 장치를 희생시켜 특정한 특징만을 나타낼 수 있는 반면, 다른 장치를 사용하면 다른 보완적인 측면이 원래의 집합이 더 이상 잘 정의되지 않는 방식으로 나타날 수 있습니다.보어에게 이는 그가 이전에 다른 지적 학문에서 광범위하게 나타나는 것으로 알고 있었지만 고전물리학에서는 나타나지 않았던 원리인 보완성의 원리가 보편적인 원리로 채택되어야 한다는 것을 보여주는 것이었습니다.

강의 후 토론

주요 기사:보어-아인슈타인 논쟁

보완성은 EPR 역설에 대한 보어의 답변의 핵심적인 특징이었는데, 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키,[11] 네이선 로젠은 양자 입자가 측정되지 않더라도 위치와 운동량을 가져야 하므로 양자역학은 불완전한 이론이어야 한다고 주장했습니다.아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 제안한 사고 실험은 두 개의 입자를 만들어 그것들을 멀리 보내는 것을 포함했습니다.실험자는 한 입자의 위치 또는 운동량을 측정할 수 있습니다.그 결과를 고려할 때, 그들은 원칙적으로 다른 먼 입자에 대한 상응하는 측정이 무엇을 발견할지를 정확하게 예측할 수 있습니다.아인슈타인, 포돌스키 그리고 로젠에게, 이것은 저 멀리 있는 입자가 그 입자가 어떤 방식으로 측정되든 안 되든 두 양의 정확한 값을 가져야 한다는 것을 암시했습니다.이에 대해 보어는 위치값의 공제는 운동량 값이 측정되는 상황으로 이전될 수 없으며, 그 반대의 경우도 마찬가지라고 주장했습니다.[12]

이후 보어에 의한 보완성에 대한 설명으로는 1938년 바르샤바에서의[13][14] 강연과 1949년 알베르트 아인슈타인을 기리는 축제를 위해 쓰여진 기사가 있습니다.[15]보어의 공동 연구자 레온 로젠펠트가 1953년에 쓴 에세이에서도 다루었습니다.[16]

수학적 형식주의

보어에게는 상호보완성이 불확정성 원칙의 "궁극적인 이유"였습니다.고전물리학을 이용하여 원자현상에 대처하려는 모든 시도가 결국 좌절되었다고 그는 썼고, 그 현상들이 "상보적인 측면"을 가지고 있다는 인식으로 이어졌습니다.그러나 고전 물리학은 비가환 대수를 사용하여 물리량을 설명함으로써 이를 해결하고 "놀라운 단순성"으로 일반화할 수 있습니다.[13]이 상보성의 수학적 표현은 헤르만 바일과 율리안 슈윙거의 작업을 기반으로 하며, 힐베르트 공간과 단위 변환에서 시작하여 상호 편견 없는 기저의 정리로 이어집니다.[17]

양자역학의 수학적 공식에서, 고전역학이 실제 값 변수로 취급했던 물리량은 힐베르트 공간에서 자기 인접 연산자가 됩니다."관측 가능"이라고 불리는 이러한 연산자는 출퇴근에 실패할 수 있으며, 이 경우 "호환성"이라고 불립니다.

호환되지 않는 관측치는 완전한 공통 고유 상태 집합을 가질 수 없습니다. 과 B 의 일부 동시 고유 상태가 있을 수 있지만 완전한 기저를 구성하기에는 수가 충분하지 않습니다[18][19]표준 정류 관계
이것이 위치와 운동량에 적용된다는 것을 암시합니다.보흐리아의 관점에서, 이것은 위치와 운동량이 상호보완적인 측면이라는 수학적 진술입니다.마찬가지로 유사한 관계는 파울리 행렬에 의해 정의된 스핀 관측 가능한 두 개에 대해 성립합니다. 수직 축을 따른 스핀의 측정은 상보적입니다.[11]파울리 스핀 관측치는 2차원 힐버트 공간에 의해 기술되는 양자 시스템에 대해 정의됩니다. 상호 편견이 없는 기저는 이 관측치를 임의의 유한 차원의 힐버트 공간에 일반화합니다.[20]N개의 {\displaystyle N}차원 힐베르트 공간에 대한 두 기본 ⟩ } a_{rangle \} 및 {b k ⟩ } {\displaystyle \{k}\rangle \}}은(는) 서로 편향되지 않습니다.

여기서 기저 벡터 은 예를들어 모든 와 동일한 중첩을 갖습니다 한 기저의 상태와 다른 기저의 상태 사이에는 동일한 전이 확률이 있습니다.각 기저는 관측치에 해당하며, 두 개의 상호 편향되지 않은 기저에 대한 관측치는 서로 상보적입니다.[20]이것은 양자 운동학에 대한 설명으로서 상보성을 설명합니다.

각 자유도에 대해 동적 변수는 한 쌍의 보완 관측치입니다.[21]

보완성의 개념은 양의 연산자 값 측정(POVM)에 의해 설명된 양자 측정에도 적용되었습니다.[22][23]

지속적 보완성

주요 기사:파동-입자 이중성 관계

보완성의 개념은 두 가지 실험적 극단을 통해 논의될 수 있지만, 지속적인 절충도 가능합니다.[24][25]Greenberger와 Yassin에 의해 도입된 파동-입자 관계는 측정 입자 경로 구별 가능성, 과 파동 간섭 프린지 가시성, 사이의 균형을 정량화합니다

및 의 값은 개별적으로 0과 1 사이에서 달라질 수 있지만 입자와 파동 탐지를 결합한 모든 실험에서는 둘 중 하나 또는 둘 모두를 제한합니다.두 용어의 세부적인 정의는 응용 프로그램마다 다르지만 관계식은 입자 경로를 검출하려는 노력이 가시적인 파동 간섭을 적게 한다는 검증된 제약 조건을 나타냅니다.[26]

현대역할

보완성에 대한 초기 논의의 많은 부분이 가상 실험에 대해 논의했지만, 기술의 발전은 이 개념에 대한 고급 테스트를 가능하게 했습니다.양자 지우개와 같은 실험은 핵심 아이디어를 보완성으로 검증합니다. 양자 얽힘에 대한 현대적인 탐구는 보완성 위에 직접 세워집니다.[24]

양자역학에 따르면 가장 합리적인 위치는 측정 전에 그러한 파동이 존재하지 않는다고 가정하는 것입니다.[24]

— Anton Zeilinger

물리학자 줄리안 슈윙거는 노벨상 강연에서 양자장 이론과 상보성을 연결시켰습니다.

실제로 상대론적 양자역학 - 보어의 상보성 원리와 아인슈타인의 상대성 원리의 결합 - 은 양자장 이론입니다.[27]

— Julian Schwinger

양자역학의 일관된 역사 해석은 핵심적인 정의적 전제로서 상보성의 일반화된 형태를 취합니다.[28]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Wheeler, John A. (January 1963). ""No Fugitive and Cloistered Virtue"—A tribute to Niels Bohr". Physics Today. Vol. 16, no. 1. p. 30. Bibcode:1963PhT....16a..30W. doi:10.1063/1.3050711.
  2. ^ Howard, Don (2004). "Who invented the Copenhagen Interpretation? A study in mythology" (PDF). Philosophy of Science. 71 (5): 669–682. CiteSeerX 10.1.1.164.9141. doi:10.1086/425941. JSTOR 10.1086/425941. S2CID 9454552.
  3. ^ Bohr, Niels; Rosenfeld, Léon (1996). "Complementarity: Bedrock of the Quantal Description". Foundations of Quantum Physics II (1933–1958). Niels Bohr Collected Works. Vol. 7. Elsevier. pp. 284–285. ISBN 978-0-444-89892-0.
  4. ^ Baggott, J. E. (2013). The quantum story: a history in 40 moments (Impression: 3 ed.). Oxford: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-965597-7.
  5. ^ a b Bohr, N. (1928). "The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory". Nature. 121 (3050): 580–590. Bibcode:1928Natur.121..580B. doi:10.1038/121580a0.
  6. ^ Kumar, Manjit (2011). Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (Reprint ed.). W. W. Norton & Company. pp. 242, 375–376. ISBN 978-0-393-33988-8.
  7. ^ Whittaker, Edmund T. (1989). A history of the theories of aether & electricity. 2: The modern theories, 1900 - 1926 (Repr ed.). New York: Dover Publ. ISBN 978-0-486-26126-3.
  8. ^ Baggott, Jim (2011). The Quantum Story: A History in 40 moments. Oxford Landmark Science. Oxford: Oxford University Press. p. 97. ISBN 978-0-19-956684-6.
  9. ^ Bohr, N. (1928). "The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory". Nature. 121 (3050): 580–590. Bibcode:1928Natur.121..580B. doi:10.1038/121580a0. 보어의 초기 저술인 원자론과 자연 묘사(1934)의 모음집에서 볼 수 있습니다.
  10. ^ Frescura, F. A. M.; Hiley, B. J. (July 1984). "Algebras, quantum theory and pre-space" (PDF). Revista Brasileira de Física. Special volume "Os 70 anos de Mario Schonberg": 49–86, 2.
  11. ^ a b Fuchs, Christopher A. (2017). "Notwithstanding Bohr: The Reasons for QBism". Mind and Matter. 15: 245–300. arXiv:1705.03483. Bibcode:2017arXiv170503483F.
  12. ^ Jammer, Max (1974). The Philosophy of Quantum Mechanics. John Wiley and Sons. ISBN 0-471-43958-4.
  13. ^ a b Bohr, Niels (1939). "The causality problem in atomic physics". New theories in physics. Paris: International Institute of Intellectual Co-operation. pp. 11–38.
  14. ^ Chevalley, Catherine (1999). "Why Do We Find Bohr Obscure?". In Greenberger, Daniel; Reiter, Wolfgang L.; Zeilinger, Anton (eds.). Epistemological and Experimental Perspectives on Quantum Physics. Springer Science+Business Media. pp. 59–74. doi:10.1007/978-94-017-1454-9. ISBN 978-9-04815-354-1.
  15. ^ Bohr, Niels (1949). "Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics". In Schilpp, Paul Arthur (ed.). Albert Einstein: Philosopher-Scientist. Open Court.
  16. ^ Rosenfeld, L. (1953). "Strife about Complementarity". Science Progress (1933- ). 41 (163): 393–410. ISSN 0036-8504. JSTOR 43414997.
  17. ^ Durt, Thomas; Englert, Berthold-Georg; Bengtsson, Ingemar; żYczkowski, Karol (2010-06-01). "ON MUTUALLY UNBIASED BASES". International Journal of Quantum Information. 08 (04): 535–640. arXiv:1004.3348. doi:10.1142/S0219749910006502. ISSN 0219-7499.
  18. ^ Griffiths, David J. (2017). Introduction to Quantum Mechanics. Cambridge University Press. p. 111. ISBN 978-1-107-17986-8.
  19. ^ Cohen-Tannoudji, Claude; Diu, Bernard; Laloë, Franck (2019-12-04). Quantum Mechanics, Volume 1: Basic Concepts, Tools, and Applications. Wiley. p. 232. ISBN 978-3-527-34553-3.
  20. ^ a b Klappenecker, A.; Rotteler, M. "Mutually unbiased bases are complex projective 2-designs". Proceedings. International Symposium on Information Theory, 2005. IEEE. doi:10.1109/isit.2005.1523643. ISBN 0-7803-9151-9.
  21. ^ Scully, Marian O.; Englert, Berthold-Georg; Walther, Herbert (May 1991). "Quantum optical tests of complementarity". Nature. 351 (6322): 111–116. doi:10.1038/351111a0. ISSN 0028-0836.
  22. ^ Busch, P.; Shilladay, C. R. (2003-09-19). "Uncertainty reconciles complementarity with joint measurability". Physical Review A. 68 (3). doi:10.1103/PhysRevA.68.034102. ISSN 1050-2947.
  23. ^ Luis, Alfredo (2002-05-22). "Complementarity for Generalized Observables". Physical Review Letters. 88 (23). doi:10.1103/PhysRevLett.88.230401. ISSN 0031-9007.
  24. ^ a b c Zeilinger, Anton (1999-03-01). "Experiment and the foundations of quantum physics". Reviews of Modern Physics. 71 (2): S288–S297. doi:10.1103/RevModPhys.71.S288. ISSN 0034-6861.
  25. ^ Englert, Berthold-Georg (1999-01-01). "Remarks on Some Basic Issues in Quantum Mechanics". Zeitschrift für Naturforschung A. 54 (1): 11–32. doi:10.1515/zna-1999-0104. ISSN 1865-7109.
  26. ^ a b Sen, D. (2014). "The Uncertainty relations in quantum mechanics". Current Science. 107 (2): 203–218.
  27. ^ Schwinger, Julian (1966). "Relativistic Quantum Field Theory". Science. 153 (3739): 949–953. JSTOR 1719338.
  28. ^ Hohenberg, P. C. (2010-10-05). "Colloquium : An introduction to consistent quantum theory". Reviews of Modern Physics. 82 (4): 2835–2844. doi:10.1103/RevModPhys.82.2835. ISSN 0034-6861.

추가열람

외부 링크

위키 인용문에는 보완성(물리학)과 관련된 인용문이 있습니다.