잃어버린 슈뢰딩거 원고는 양자 물리학의 놀라운 반전을 드러냅니다.

80년이 넘도록 양자 물리학의 창시자 중 한 사람이 쓴 원고가 오스트리아 도서관에서 먼지를 모으고 있었습니다.

이제 제네바 대학의 물리학 역사가 플라비오 델 산토(Flavio Del Santo)가 밝혀낸 이 3페이지 분량의 문서는 간결함의 정수입니다. 그러나 그 문서에는 양자역학에서 가장 논란이 많은 논쟁 중 하나에 대한 오랫동안 잊혀진 기여가 휘갈겨 쓰여 있습니다.

그리고 그것은 에르빈 슈뢰딩거 자신이 현실의 본질에 대해 믿었던 것에 대한 놀라운 통찰력을 제공합니다.

슈뢰딩거는 종종 옹호하는 것으로 묘사되는 양자 무작위성에 대한 불편함보다는 예측할 수 없는 우주의 측면이 있다고 믿었습니다. 그는 1920년대 양자 이론이 출현하기 전에도 이러한 믿음을 갖고 있었습니다.

슈뢰딩거는 미출판 원고에서 “비결정론을 지지하는 가장 강력한 주장은 양자역학보다 오래됐다”고 썼다.

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고전 물리학에서는 진정한 무작위성과 같은 것이 없습니다. 주사위에는 굴러가는 방식에 영향을 미치는 흠집과 결함이 있을 수 있습니다. 컴퓨터 난수 생성기는 일반적으로 알고리즘에 의해 구동됩니다. 동전 던지기도 이론적으로 예측할 수 있는 물리적 힘에 의해 제어됩니다.

이 현상은 결정론으로 알려져 있으며 물리적 우주에 대한 우리의 이해에 중요한 역할을 하며, 모든 고전적인 행동은 그 이전의 조건에 의해 결정된다는 점을 명시합니다. 비록 우리가 그 모든 조건이 무엇인지는 모르지만 말입니다.

(고전 결정론의 절대성에 의문이 제기되었지만 이는 여전히 고전 역학의 기본 가정으로 남아 있습니다.)

그러나 양자역학은 늘 그렇듯이 매우 다른 드럼의 박자에 맞춰 행진합니다.

양자 규모에서 광자나 전자와 같은 입자의 거동은 확률로만 예측할 수 있습니다. 우리는 특별한 정밀도로 특정 결과의 가능성을 계산할 수 있지만 개별 입자가 무엇을 할 것인지 확실히 예측할 수는 없습니다.

이는 심오한 질문을 제기합니다. 우주는 근본적으로 무작위입니까, 아니면 양자 역학이 아직 설명하지 못한 입자 행동을 결정하는 숨겨진 요인이 있습니까?

이러한 가상의 숨겨진 요소는 숨겨진 변수로 알려져 있으며, 말 그대로 알려지지 않은 속성이나 조건입니다. 했다 이를 알면 물리학자들은 개별 입자의 양자 거동을 예측할 수 있습니다.

1932년, 양자 이론의 기초 수학 분야의 주요 권위자 중 한 명인 수학자 존 폰 노이만(John von Neumann)은 숨겨진 변수가 불가능하다는 수학적 증거로 널리 해석되는 내용을 발표했습니다.

그의 주장은 상당한 비중을 차지했고, 10년이 넘는 기간 동안 숨은 변수 모델에 대한 연구는 대체로 정체되었습니다.

모두가 확신한 것은 아니었습니다. 1935년 수학자 그레테 헤르만(Grete Hermann)은 폰 노이만의 추론에 심각한 허점을 찔렀습니다. 그러나 그녀의 비판은 대부분 무시됐고, 그 이유는 어렵지 않게 짐작할 수 있을 것이다.

그러나 1940년대 중반에 두 명의 저명한 물리학자가 의도치 않게 숨겨진 변수에 대한 주장을 부활시켰습니다. 아이러니하게도 폰 노이만과 동의하면서 숨은 변수에 반대하는 주장을 펼쳤기 때문입니다.

1943년 5월, 수학자이자 물리학자인 에드먼드 테일러 휘태커(Edmund Taylor Whittaker)는 양자역학이 마침내 고전적인 결정론 개념을 무너뜨렸다고 주장하는 강의를 했습니다.

그는 동전 던지기의 겉보기 무작위성과 달리 양자 무작위성은 진짜이며 추가 정보가 아무리 많아도 개인의 결과를 예측할 수 없다고 주장했습니다.

그 후 1944년 1월 물리학자 사티엔드라 나트 보스(Satyendra Nath Bose)는 인도 과학 회의 연설에서 비슷한 주장을 하면서 “물리학자들은 지식을 얻었지만 자연의 결정론적 법칙에 대한 믿음을 잃었다”고 선언했습니다.

잘. 그것은 틴더를 말리는 불꽃이었습니다.

1944년 7월 수학자 헨리 피아지오(Henry Piaggio)는 다음과 같은 논문을 발표했습니다. 자연 Bose의 주장을 보고하는 “결정론의 붕괴”라는 제목의 책입니다. 이는 결정론이 죽었고 묻혀졌다는 사실을 거의 확신하지 못한 물리학자들로부터 엄청난 반응을 불러일으켰습니다.

그 후 몇 달 동안 연구자들은 광자와 편광과 관련된 겉보기에 간단해 보이는 Whittaker의 예를 포함하여 숨겨진 변수가 불가능하다고 가정되는 것을 분리하면서 저널 페이지 전반에 걸쳐 논쟁이 꽃피웠습니다.

1943년 강의에서 Whittaker는 방향에 따라 빛을 필터링하는 장치인 편광판을 통과하는 광자(빛의 개별 입자)를 사용하여 숨은 변수가 존재할 수 없는 이유에 대한 겉으로는 간단해 보이는 시연을 제안했습니다.

양자 역학은 주어진 각도에서 편광판을 통과하는 광자의 비율을 예측할 수 있습니다.

그러나 Whittaker는 각 광자가 통과할지 여부를 결정하는 숨겨진 명령을 전달하는 경우 광자가 비행하는 동안 편광판의 각도를 변경하면 해당 명령이 쓸모 없게 될 것이라고 주장했습니다.

따라서 그는 숨겨진 변수에 의해 결과가 미리 결정될 수 없다고 결론지었습니다.

슈뢰딩거를 입력하십시오. 아니면 오히려 날개에 머물라, 슈뢰딩거.

물리학자는 논쟁을 지켜보고 있었고 1944년 11월 이후에 그는 “결정론의 붕괴”라는 제목의 자신의 답변을 썼습니다(같은 제목을 사용하는 논쟁의 일부로 출판된 여러 기사가 있었습니다).

그 책에서 그는 휘태커의 주장에 중대한 결함이 있음을 지적했습니다.

Whittaker는 각 광자가 두 가지 가능한 값만 갖는 숨겨진 변수를 가지고 있다고 가정했습니다. 하나는 편광판을 통과할지 여부를 결정하고 다른 하나는 반사할지 여부를 결정합니다.

그러나 슈뢰딩거는 숨겨진 변수를 단 두 개의 값으로 제한할 이유가 없다고 지적했습니다. 0과 1 사이의 값을 가질 수 있다면 어떨까요?

그런 다음 그는 결과가 광자의 숨겨진 변수와 편광판의 각도에 따라 달라지는 수학적 모델을 구축했습니다.

올바른 규칙을 사용하여 모델은 각 개별 상호 작용이 무작위일 필요 없이 양자 역학이 예측하는 확률을 재현했습니다.

또한 중요한 모델의 두 번째 부분이 있었습니다. 슈뢰딩거는 광자가 편광판을 통과한 후 숨겨진 변수를 업데이트하기 위한 결정론적 규칙을 고안했습니다. 이는 그의 모델이 후속 측정에 대한 예측을 재현하는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.

중요한 것은 그의 목표가 결정론을 반드시 믿었기 때문에 그것을 옹호하는 것이 아니라는 점입니다. 그는 결정론이 불가능하다는 구체적인 주장에 맞서 결정론의 가능성을 옹호하고 있었습니다.

“실험적 증거 + 논리적 추론이 가능하다” 절대 결정론적 관점이든 비결정론적 관점이든 둘 중 하나임을 증명하십시오. 불가능한”라고 썼다.

그러나 슈뢰딩거의 반응은 결코 빛을 보지 못했습니다.

Del Santo가 가능한 설명을 갖고 있지만 그가 왜 그것을 출판하지 않았는지는 미스터리로 남아 있습니다.

1944년에 물리학자 하인리히 펠처(Heinrich Pelzer)는 유사한 숨은 변수 모델을 발표했는데, 이는 휘태커의 주장이 유효하지 않음을 보여줍니다. Schrödinger는 Pelzer의 작업을 알고 요점이 이미 결정되었다고 결정했을 수 있습니다.

그러나 슈뢰딩거의 모델은 더 나아가 광자의 숨겨진 변수가 편광판을 통과한 후 어떻게 변하는지에 대한 명시적인 수학적 규칙을 제공하여 연속적인 측정을 설명할 수 있게 했습니다.

그의 이유가 무엇이든, 그 원고는 델 산토가 80여 년 후 이 사실을 밝혀낼 때까지 출판되지 않은 채 오스트리아 기록 보관소에 보관되었습니다.

하지만 이 이야기에는 또 다른 반전이 있습니다.

슈뢰딩거는 흔히 결정론의 옹호자로 묘사되지만, 슈뢰딩거 자신의 철학적 입장은 다소 달랐습니다.

현대 양자역학이 등장하기도 전인 1920년대 초, 슈뢰딩거는 자연 법칙이 완벽하게 예측 가능한 사건의 기본 시계 장치에 의해 지배되기보다는 근본적으로 통계적일 수 있다고 주장했습니다.

물리학자 프란츠 엑스너(Franz Exner)의 영향을 받아 그는 심지어 고전 결정론을 “철학적 편견”과 “선험적 신념”으로 묘사했습니다.

그리고 그의 미출판 원고는 그의 입장이 1940년대까지 근본적으로 변하지 않았음을 암시하며, 그 이후에도 마찬가지였습니다.

1940년대의 “결정론의 붕괴”라는 광란은 오늘날 대부분 잊혀졌지만 물리학자들은 핵심 입장에 따라 여전히 분열되어 있습니다.

아마도 슈뢰딩거의 뒤늦은 공헌으로부터 우리가 배울 수 있는 것은 열린 마음을 유지하는 것입니다. 다소 적절한 반전으로, 우리에게 슈뢰딩거의 고양이를 준 사람은 나름대로 살아있는 동시에 죽은 질문을 우리에게 남겼습니다. 우주는 결정론적인가? 아니면 그렇지 않은가?

“슈뢰딩거는 … 양자역학 이전에도, 그리고 양자역학과는 별개로 비결정론에 대한 놀랄 만큼 강력한 헌신을 발전시켰으며, 그는 자신의 경력 전반에 걸쳐 이를 유지했습니다.”라고 Del Santo는 썼습니다.

델 산토는 슈뢰딩거의 모델과 같은 모델은 “여기에 재구성된 슈뢰딩거의 사례에서 눈에 띄게 설명된 것처럼 널리 퍼진 믿음이나 주장된 불가능성 주장에 대한 원칙의 증거 역할을 하지만 결코 결정론에 대한 독단적인 헌신의 표현은 아니다”라고 결론지었습니다.

그의 논문은 사전 인쇄 서버 arXiv에서 볼 수 있습니다.