사람에게는 보이는 것만 보이고 들리는 것만 들린다는 소리가 있다. 명언이다.
실제로 사람은 보는것만 본다.
빛을 전달하는 매개체인 광자는 일정한 공간에 존재하는게 아니라 확률적으로 존재한다고 읽은 것같습니다.
그렇다면 분명히 존재하지 않을 확률이 있을 것인데 어째서 계속 관찰되는 결과만 나오는 건지 생각을 듣고 싶습니다.
(예를 들어 검출기기를 광자를 보내는 방향으로 움직인다던지..)

우선 입자와 파동의 관계는 나의 글 http://snowall.tistory.com/313 을 참고하기 바란다.

광원에서 광자가 하나 튀어 나왔다고 하자. 그럼 그 광자는 처음에 방출된 방향으로 적절한 운동량을 갖고 돌아다닐 것이다. 그러다가 전자를 만나면 그 광자는 전자에게 흡수된다. 그 결과 전자는 전기적 신호를 만들어 내고, 검출기는 소리를 낸다. "딱!"

몇가지 알아두어야 할 과학적 원리는 에너지 보존법칙과 운동량 보존법칙이다. 광자가 한번 방출되면 다시 흡수될 때 까지 적어도 "광자가 있다"는 사실 자체는 결코 사라지지 않는다. 왜냐하면 광자가 어디있는지 모른다 하더라도 만약 정말로 없어진다면 에너지와 운동량이 보존되지 않는다. 따라서 광자가 그냥 없어질 확률은 0이다. 광자는 반드시 어딘가에 존재한다. (물론 "확률 보존 법칙"도 적용되므로 광자가 우주 안에서 관찰될 확률은 100%이다)

따라서 위 질문의 답은 존재하지 않는것이 아니라 관찰되지 않을 수도 있다는 거죠.

좀 더 명확히 하자면, 광원에서 검출기를 향해 광자 1개가 달려가는 것을 "알고"있다고 해 봅시다. 즉, 출발할 당시의 광자의 운동량은 알려져 있는 겁니다. 그리고 광원과 검출기 사이에는 다른 물질이 아무것도 없다고 해 봅시다.
그럼, 가는 방향에 검출기가 있으니까 적당한 시간이 지나고 나면 검출기에서 검출이 되겠죠. 이때 검출되지 않으면 반칙입니다. 왜냐하면 우리는 검출기 방향으로 광자가 있는 것도 알고 광자의 운동량도 알고 있는데 만약 발견되지 않는다면 광자가 중간에 다른 상호작용을 해서 딴데로 샜다는 뜻이기 때문이죠. 상호작용을 하지 않는다면 운동량은 보존되어야 하고, 상호작용을 하지 않으면 광자의 갯수도 보존되어야 합니다.

검출기가 광자를 피해 광자의 반대 방향으로 도망가는 상황도 생각해 볼 수 있습니다. 그러나 이 경우에도 반드시 검출되어야 하는데, 검출기는 물질이므로 빛보다 빠를 수 없기 때문입니다.

만약 광원과 검출기 중간에 좁은 틈을 하나 넣는다면, 이제 광자가 좁은 틈과 상호작용하면서 다른 곳으로 튀어갈 수 있게 됩니다. 이것을 회절이라고 하고, 이 경우 검출기에서 발견될 확률은 검출기의 위치에 따라 달라지게 되죠.
by snowall 2008. 2. 16. 21:56
  • 아시모프 2008.08.14 23:59 신고 ADDR EDIT/DEL REPLY

    딴지 한개; 물질자체는 빛보다 빠를수 있습니다.

    예를들면 아주 긴 막대기를 지렛대로 한쪽을 들어올린다면 막대기의 반대편은 빛보다 빠르게 움직이지않을가요?
    즉 정보의 전달은 빛보다 빠르게 전달될수도있습니다.
    (비슷한 이론으로 파동을 겹쳐 빛의속도보다 빠르게 정보를 전달하는데성공했다는 뉴스를 본적이 있네요.)

    그리고 우리의 우주는 빅뱅이후 10-23승초내에 물질은 빛보다 빠르개 팽창했다고 합니다.
    지금도 팽창으로인해 많은 별들이 빛의 속도로 멀어지고있습니다. 외각의 별들은 빛의속도보다 빠르게 멀어지고있겠지요.

    • snowall 2008.08.15 00:40 신고 EDIT/DEL

      과학을 좀 공부하신 분 같아 보이므로 저도 아는대로 답변드립니다.

      처음엔 물질이 빛보다 빠를 수 있다고 했다가 뒤에는 정보가 빛보다 빠를 수 있다고 하시면 어떤 주장인지 알 수가 없습니다. 어쨌든, 어느쪽이든 틀렸습니다. (다르다가 아닙니다)

      예로 드신 상황은 아주 긴 막대기를 지렛대를 이용해서 한쪽을 들어올리는 건데, 이 경우 막대기가 반드시 구부러집니다. 또는 부러지겠죠. 상대성 이론에 의해서 (특수 상대성 이론) 완벽한 강체는 존재할 수 없습니다. 예로 드신 상황이 말이 되려면 막대기가 "절대로" 휘어지지 않아야 합니다.

      아무튼, 그리고 두번째 예로 드신 상황은 파동을 겹쳐서 정보를 빛보다 빨리 전달한다는 건데, 이것은 전혀 비슷하지 않습니다. 앞의 예는 지렛대이므로 "입자"와 관련된 예제이고 뒤의 예는 파동이므로 입자와는 완전히 그 특성이 다릅니다.

      그리고 정보를 빛보다 빨리 전달한다고 하는 실험을 잘 보면, 정보가 아닌 것들이 빛의 속력보다 빨리 진행하였을 뿐 실제 정보를 전달하는데 사용할 수는 없다는 사실을 알 수 있습니다. 이 블로그에도 관련된 글을 쓴 적이 있으니 찾아서 읽어보시기 바랍니다.

      우주가 빅뱅 이후 팽창했다는 인플레이션 이론에서 주장하는 팽창은 공간 자체의 팽창입니다. 물질과는 아무런 관련이 없습니다. 단지 물질은 그것들이 존재하는 공간 자체가 늘어났기 때문에 딸려서 같이 멀어진 것이죠. 상대성 이론에서는 공간이 팽창하는 속도에 대해서는 아무런 제한이 없으므로 공간이 빛의 속력보다 더 빠른 속력으로 넓어진 것은 상대성 이론과 모순되지 않습니다.

      끝으로, 우주 외곽에 있는 별들은 빛의 속력보다 더 빠르게 멀어질 수도 있지만 그런 별들은 우리 눈에 보이지 않습니다. 따라서 관찰되지도 않으며, 그런 별들은 우리 우주에게 아무런 정보를 전달할 수 없으므로 우리가 말하는 "우주"가 아닙니다. 따라서 우리 우주의 물리 법칙을 적용할 수도 없죠.

      아무튼 물질이 빛보다 빠를 수 있다면, 그런 주장을 하는 논문이나 실험 결과를 제시해 주시기 바랍니다.
      (가급적이면 학술지에 실린 것으로 어느 학술지의 몇년도 몇호의 몇페이지를 보면 되는지도 알려주시면 깊이 반성하고 그 논문을 열심히 공부하도록 하겠습니다.)

  • 아시모프 2008.08.15 12:07 신고 ADDR EDIT/DEL REPLY

    아. 답변감사합니다.

    제가 틀린것같네요. 이럴땐 딴지라기보단 묻는다고 말하는편이 좋을듯 했네요.
    아마츄어학도라서 많이 부족합니다.

    몇가지 궁금한것이 있습니다.
    1. 먼저 강체에 대해, 좀더 정확히 말하면 물질을 구성하는 입자들의 움직임이 빛의속도(전달속도?)로 한정되어 있기때문에 불가능하다는 말 인가요?

    2. 보통 우주의 정의가 어떻게되나요?
    멀리떨어진 우주가 물리법칙이 적용되지않아야하는 이유가 있나요?

    다시 생각해보니 물질이 빛보다 빠르게 움직일수 있는 경우는 없어보이네요.

    • snowall 2008.08.15 11:59 신고 EDIT/DEL

      1.
      강체라는 것은 그것을 구성하는 입자들 사이의 거리가 절대로 변하지 않는 입자들의 집합체를 강체라고 부릅니다. 그런데 이쪽에서 입자를 움직여서 저 멀리에 있는 입자들을 움직이려면 입자들 사이에 서로 "움직였다"는 정보가 전달되어야 합니다. 각각의 입자들 사이에서 전달되는 정보의 속력이 빛의 속력보다 빠를 수 없으므로 강체의 어느 부분이 움직였다 하더라도, 그것이 움직였다는 정보를 다른 부분에서는 모를 수도 있습니다. 따라서 그걸 모르니까 그 부분은 움직이지 않겠죠. 어떤 물체가 움직이는데 물체의 일부분은 움직이고 다른 일부분이 움직이지 않는다면 그 물체는 전체적으로는 변형됩니다. 따라서 강체가 아니게 됩니다.

      2.
      우리가 말하는 "우리 우주"는 보이는 영역까지를 말합니다. 그 바깥은 굳이 우리가 아는 물리 법칙이 적용되지 않을 이유는 없겠지만, 딱히 우리가 아는 물리법칙과 똑같은 것이 적용되어야 한다는 근거도 없습니다.
      다만, 최소한 "눈에 보이는" 가장 먼 천체까지는 우리가 아는 물리 법칙으로 설명이 가능하고, 따라서 거기까지를 우리가 아는 우주로 보는 것이 타당하겠죠.