물리학 용어인 거 같은 양자요동은 무엇인가요?
물리학에 대한 뉴스를 확인하던 중에
"교수 연구팀은 최근 적은 입력으로도 고출력의 전기에너지를 얻는 ‘양자요동에 의한 자기유도증폭 발전시스템’을 개발하며 전기에너지 초고효율화에 성공했다고 30일 밝혔다."를 확인했는데,
여기서 양자요동은 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 양자물리학에서, 양자 요동(영어: quantum fluctuation)은 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리로부터 일어나는 공간의 한 점에서의 에너지 양의 일시적 변화이다.
불확정성 원리의 공식에 따르면, 에너지와 시간의 불확정성은 아래의 식과 같은 관계가 있다.
ΔEΔt≈ℏ/2
그것은 에너지 보존의 법칙이 위배된다는 것을 보일 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 오직 작은 시간들 동안뿐이다. 이것은 가상 입자의 입자 반 입자 쌍의 창조를 허락한다. 이 입자들의 효과들은 측정할 수 있다. 예를 들면 전자의 효과적인 전하에서 그것의 “그대로의”전하와 다르다. 현대의 시각에서 에너지는 항상 보존된다. 하지만 해밀토니안(주목해야할 에너지)의 고유 상태는 입자번호의 작용으로서 같지 않다(예를 들어 해밀토니안은 대체하지 않았다).
양자파동은 예상한 대로 우주의 구조의 기원에서 매우 중요하다: 팽창의 모델에 따르면 팽창이 시작될 때 존재했던 것이 설명된다. 그리고 모든 현재에 관찰된 구조의 원인이 형성된다.
출처 : 위키백과 - 양자요동
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.
양자요동은 미시세계의 불확정성 원리에 의한 것입니다. 이러한 양자요동은 양자현상을 관측하거나 예측하고자할 때 나타납니다. 또한, 양자현상을 기술할 때 가능한 모든 양자요동을 고려해주어야 정확한 기술을 할 수 있습니다.
예를 들면 우리 우주의 진공에서 아무것도 없는 것 같지만, 입자와 반입자가 끊임없이 생성 소멸을 반복하고 있습니다. 이러한것이 양자요동입니다. 평균적으로 0이지만 양자효과를 고려하면 끊임없이 요동치고 있죠.
불확정성 원리를 있는 그대로 설명드리면, 미시 세계의 작은 물질에 대하여 위치를 측정하고자하면 운동량을 정확히 측정을 할 수 없고, 운동량을 측정하고자하면 위치를 정확히 측정할 수 없다는 것입니다. 또한, 짧은 순간에 정확한 에너지를 측정할 수 없다는 것입니다.
불확정성 원리와 양자역학에서 측정을 하면 왜 물체의 상태가 변화하는지 설명해드리겠습니다.
전자, 원자핵 단위를 기술하고 이를 실험적으로 확인하기 위해서는 관측을 수행해야합니다. 기존에 관측이라하는것은 눈으로 보고 측정값을 수치적으로 기입하는 행위를 포함합니다. 관측이란것은 빛을 통해 관측이 필요한것이죠. 그런데 전자나 원자핵은 매우 작기 때문에 우리눈으로 본 경험이 없을 것입니다. 현미경을 통해서도 보이지 않죠. 전자나 원자핵을 보기 위해서는 빛이 이들과 충돌한 뒤 반사되어 우리 눈으로 들어와야하죠. 하지만 전자나 원자핵같은 경우는 빛과 크기가 비슷하다고 생각하시면 됩니다. 빛은 크기가 0인데 어떻게 비슷하냐라고 할 수 있지만, 서로 일대일로 상호 작용할 수 있습니다. 즉, 빛도 입자로 취급되고 빛 알갱이 광자로써 서로 충돌할 수 있습니다. 그런데, 이 광자가 충돌하여 반사돼 우리 눈(관측 장비)으로 들어오는것이 관측이라고 하였습니다. 충돌을 하면 충돌된 입자의 상태가 바뀌죠. 다시말해 광자는 우리눈(관측 장비)에 들어왔지만, 충돌로 인해 전자의 상태가 바뀌어 버렸죠. 광자로 전자의 상태를 측정한다면 전자의 상태는 바뀌고 맙니다. 우리가 알고 있던 관측의 대상은 대부분 크기가 크고 무겁기 때문에 빛으로 관측한다 한들 관측 대상의 상태가 변경되지는 않았습니다. 그래서 쉽게 물체의 상태를 측정이 가능했고요. 그런데 양자역학을 따르는 관측 대상은 크기가 작고 빛(광자)과 상호작용을 하기 때문에 관측에 있어서 상태가 변하므로 문제가 생겼죠. 그래서 이를 해결하고자 하는것이 양자역학이고 자연에서 발생하는 현상들을 잘 설명하는 이론입니다.
최대한 자세히설명한다고 글이 길어졌네요. 더 궁금하신 사항있으면 질문남겨주세요.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
양자요동은 물리학에서 사용되는 용어로, 양자역학에서 물질이나 입자의 움직임과 상태를 설명하는 수학적인 개념입니다. 양자요동은 입자의 위치, 운동량, 에너지 등을 확률적으로 나타내는 파동함수로 표현됩니다.
양자요동은 입자의 파동-입자 이중성을 나타내는데 사용됩니다. 양자역학에서는 입자가 동시에 파동적인 특성과 입자적인 특성을 가질 수 있다는 것을 제시합니다. 이때 양자요동은 입자의 확률적인 위치를 나타내며, 파동적인 특성을 가진 입자의 확률분포를 설명합니다.