물리 양자 시스템과 외부 세계와의 연결

2013.09.20 20:23

양자 시스템과 외부 세계와의 연결 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013090215&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-09-13

양자 세계에서 고전적 온도는 어떻게 형성할까? 비엔나 공과 대학(Vienna University of Technology)의 연구진이 양자 시스템에서 온도의 발현과 퍼짐을 직접 관찰하였다. 놀랍게도, 양자 시스템이 완전히 고립되어 있고, 외부 세계와의 연결이 차단되어 있더라도, 양자 속성이 손실된다는 것이 밝혀졌다. 이들의 연구 결과는 이번 주 Nature Physics에 발표되었다.

양자 물리의 미시 세계와 그 보다 훨씬 더 큰 개체들과 관련 있는 우리의 일상 생활 간의 연결은 아직도 수수께끼로 남아 있다. 양자 시스템을 측정할 때, 그것은 필연적으로 방해를 받게 되고, 그 결과 그것의 양자 속성 중 일부가 손실된다. 예를 들어, 원자 구름은 각 원자가 동시에 서로 다른 두 장소에 위치하여, 완전한 양자 중첩을 형성하는 것과 같은 방법으로 수행된다. 그러나 원자의 위치가 측정되면, 이 중첩은 파괴된다. 남아있는 모든 원자는 명확한 위치에 놓이고, 그들은 고전적 세계의 개체처럼 행동한다. 이 경우, 양자 행동에서 고전적 행동으로의 전환은 외부 세계로의 접촉인 측정으로 인해 시작된다. 그러나 만약 양자 시스템이 외부에 전혀 영향을 받지 않는다면 어떨까? 이런 경우에도 고전적 속성이 발현할까?

“우리는 수천 개의 원자로 구성된 구름을 연구하고 있다. 그러한 구름은 나머지 세계로부터 효과적으로 분리할 수 있을만큼 작지만, 양자 속성이 어떻게 손실되었는가를 연구하기에는 너무 크다”고 비엔나 공과 대학의 학생이자, Jorg Schmiedmayer가 이끄는 연구의 주요 저자인 Tim Langen이 설명했다. 이 실험에서, 원자 구름은 두 부분으로 분할된다. 일정 시간이 지난 후, 이 두 부분은 서로 비교된다. 그러한 방법으로, 과학자들은 구름 간의 양자 역학 연결의 양을 측정할 수 있다. 처음에, 이 연결은 완벽하다. 모든 원자는 양자 상태에 잘 정돈되어 있다. 그러나 이 구름이 수천 개의 입자로 구성된 큰 개체가 되면, 이 질서는 더 이상 지속하지 않는다.

원자가 서로 상호 작용함으로써, 무질서는 특정 속도로 확산하기 시작한다. 이미 무질서 영역에 있는 원자는 그들의 양자 속성을 손실한다. 고전적 가스와 같은 온도가 그들에게 부여된다. “무질서가 확산하는 속도는 원자의 수에 달려있다.”라고 Tim Langen이 말했다. 이는 양자 속성이 변하지 않고 남아있는 지역과, 고전적 온도에 의해 설명될 수 있는 영역 간의 명확한 경계를 정의한다. 일정 시간 후에는 무질서가 전체 구름에 확산한다. 놀라운 것은 이러한 양자 속성의 손실이 외부 세계로부터의 영향이 아닌, 원자 구름 내부의 양자 효과로 말미암아 일어난다는 것이다. “지금까지, 그러한 행동은 오직 추측만으로 이루어졌지만, 우리의 실험은 자연이 실제로 그러한 행동을 한다는 것을 시연했다”고 Jorg Schmiedmayer가 지적했다.

이러한 방법으로, 이 원자 구름은 마치 그 자신의 소우주처럼 행동할 수 있었다. 그것은 환경으로부터 고립되고, 그것의 행동은 전적으로 그 자신의 내부 속성에 의해 결정된다. 완전히 양자 역학적 상태로 시작하는 구름은 비록 그것이 양자 물리의 법칙에 따라 진화한다고 하더라도, 일정 시간이 지나면 “고전적” 행동을 보이게 된다. 따라서 이 실험은 우리로 하여금 큰 양자 구름의 행동을 이해하게 할 뿐만 아니라, 왜 우리가 매일 경험하는 이 세상이 양자 법칙에 의해 지배되고 있음에도 불구하고, 고전적으로 보이는지를 설명해주고 있다.

[출처] http://phys.org/news/2013-09-scientists-physics-classical-quantum-world.html

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