[파인만 양자역학] 1-1. 원자 세계의 기제(Atomic Mechanics)

[파인만 양자역학] 1-1. 원자 세계의 기제(Atomic Mechanics)

[참조]차교수의 물리 산책/파인만 양자역학 1장 1강[링크]

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[주의] ------------------------------------------------------------------------------------

파인만 양자역학을 내맘대로 번역하고 약간의 해설을 달아 봤습니다. 한글 해석과 덧붙인 [주]는 저의 개인적인 생각 이므로 그대로 받아 들이진 말아 주세요. 하지만 칭찬, 동의, 반론, 지적등 어떤 식으로든 의견은 환영 합니다.

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1. Quantum Behavior

Note: This chapter is almost exactly the same as Chapter 37 of Volume I.

1장. '양자역학이 지배하는 대상들'의 행동

[주] 제목의 'Quantum'을 형용사형에 약간의 해설을 덧붙여 '양자역학이 지배하는 대상들'로 번역했다. 이를 테면 원자 이하 단위의 전자, 양성자, 심지어 빛이 보여주는 이상한(peculiar) 행동. [양자역학이 지배하는 대상들이 보여주는 현상(행동은 있으나 실체가 없을 때 '현상'이라 한다.)]

1-1 Atomic mechanics

원자 규모 세계의 움직임(기제: 어떤 현상을 일으키게 하는 심리작용이나 원리)

"Quantum mechanics" is the description of the behavior of matter and light in all its details and, in particular, of the happenings on an atomic scale. Things on a very small scale behave like nothing that you have any direct experience about. They do not behave like waves, they do not behave like particles, they do not behave like clouds, or billiard balls, or weights on springs, or like anything that you have ever seen.

"양자 역학"은 물질(matter)과 빛(light)을 엄밀하게 한데 묶었을 때 벌어지는 현상들을 기술한다. 특히 원자규모에서 일어나는 현상들. 아주 작은 규모의 것들은 직접격는 어떤 것과도 다르게 행동한다. 파동(wave)도 아니고 입자(particle)도 아니고 구름도 아니고 당구공도 아니고 스프링에 메달린 추도 아니고 여직껏 본 그 어떤 것도 아니다.

[주] wave: '파'는 매우 익숙하지만 딱히 뭐라고 설명할 수 없는 일상 단어다.

[주] clouds: 작은 입자의 개별 위치를 특정하지 못해서 '구름처럼' 뭉쳐있다는 표현을 쓰곤 한다.

Newton thought that light was made up of particles, but then it was discovered that it behaves like a wave. Later, however (in the beginning of the twentieth century), it was found that light did indeed sometimes behave like a particle. Historically, the electron, for example, was thought to behave like a particle, and then it was found that in many respects it behaved like a wave.

뉴튼은 빛이 입자로 구성되었다(made up of)고 생각했다. 하지만 그 후 파동(waves)처럼 행동한다는 것이 발견됐다. 하지만 나중에(20세기 초에) 빛이 사실은 입자처럼 행동한다는 것도 밝혀졌다. 역사적으로 일테면 전자(electron)은 입자 처럼 행동한다고 간주됐다가  다시 파동처럼 행동한다는 많은 증거들(many respects)이 나왔다.

[주] particle: '입자' 역시 매우 익숙한 생활 단어다.

So it really behaves like neither. Now we have given up. We say: "It is like neither."

그래서 실체는 그 어떤 것처럼 행동하지 않는다에 이르렀다. 오늘날 우리는 굳이 뭐라고 단정하기를 포기하고는 "무엇도 아니다."라고 말한다.

[주] 빛에 대한 인식변화의 역사: 빛은 입자다>빛은 파동이다>입자 같은데....>그 무엇도 아니다. (neither: 부정문을 사용하면 애매함을 높이고 연이은 질문을 유도한다. 그럼 뭐여?)

There is one lucky break, however - electrons behave just like light.

한가지 운 좋게 단서(break: 입자>빛>입자..... 으로 반복되는 역사적 순환고리를 끊을)를 찾았는데 (입자라고 철석같이 믿고 있던) 전자가 빛처럼 행동한다는 것이다.

[주] 파동의 대표주자는 빛이고 입자의 대표주자는 전자라고, 그때까지 과학계에서 실험으로 확신하고 있었다. 그런데 전자가 파동처럼 행동 하기도 한다는 실험적 증거가 나왔다. 그러니까 '입자다' 또는 '파동이다' 단정하지말고 '입자이자 파동'이라고 하자!] 

The quantum behavior of atomic objects (electrons, protons, neutrons, photons, and so on) is the same for all, they are all "particle waves," or whatever you want to call them. So what we learn about the properties of electrons (which we shall use for our examples) will apply also to all "particles," including photons of light.

원자단위 [관찰]대상(objects), 전자, 양성자, 중성자, 광자 같은 것들은 한결같이 빛(입자이자 파동) 처럼 행동한다는 것이다. 그리하여 뭐라고 굳이 부르고 싶다면 합쳐서 "입자 파동(particle waves)" 이라고 한다. 그런데 우리가 나중에 (입자와 파동의 이중성) 예로 다룰 전자의 특성을 배우면서 그랬던 것 처럼 그냥 모두 "입자" 라고 한다. 심지어 빛의  알갱이 "광자(photon)"도 포함해서.

[주] '입자 파동' 이라고 부르자니 번거롭다. 그냥 '입자'라고 부른다.

The gradual accumulation of information about atomic and small-scale behavior during the first quarter of the 20th century, which gave some indications about how small things do behave, produced an increasing confusion which was finally resolved in 1926 and 1927 by Schrödinger, Heisenberg, and Born. They finally obtained a consistent description of the behavior of matter on a small scale. We take up the main features of that description in this chapter.

20세기 초 사반세기 동안 원자규모의 미시 세계에 대한 지식, 작은 것들(small things)이 어떻게 행동하는지 보여주는 정보들이 쌓여감에 따라 혼란이 점점 더 양산되더니(produced an increasing confusion) 결국 1926년 과 1927년에 슈뢰딩거(Schrödinger), 하이젠버그(Heisenberg), 그리고 보른(Born)에 의해 결판이났다. 작은 규모의 물질들이 보여준 행동을 확실하게 기술할 방법(description of the behavior)을 얻어냈다. 그들이 도출한 주요 기술방법이 이 장의 주된 내용이 될 것이다.

Because atomic behavior is so unlike ordinary experience, it is very difficult to get used to, and it appears peculiar and mysterious to everyone - both to the novice and to the experienced physicist.

원자규모 대상들의 행동이 일상적인 경험(ordinary experience)과 아주 다르기에 그에 익숙해지기(get used to)는 매우 어렵다. 그리고 그 행동이란 것이 누구에게나, 입문자는 물론 경험많은 물리학자들 까지도 이상하고(peculiar) 기묘하게(mysterious) 다가온다.

Even the experts do not understand it the way they would like to, and it is perfectly reasonable that they should not, because all of direct, human experience and of human intuition applies to large objects.

심지어 전문가들(experts=경험 많은 과학자)도 그것(it=미세 입자들의 이중성 행동)을 그들(they)이 아는 방식대로(~would like to) 이해하지 못하고, 그러는게(~that they should not=이해하지 못하는게) 완전히 당연하다(perfectly resonable). 왜냐면 직접적인 인간이 배운 경험은 커다란 대상에 적용되는 것들이기 때문이다.

We know how large objects will act, but things on a small scale just do not act that way. So we have to learn about them in a sort of abstract or imaginative fashion and not by connection with our direct experience.

우리는 커다란 물체들이 어떻게 움직일지 안다[뉴튼 역학으로 과거의 행동을 분석하고 앞으로 어떻게 변할 지 예측할 수 있다.] 하지만 작은 세계의 것들을 그렇게 행동하지 않는다[큰 대상들의 움직임 법칙을 따르지 않는다.] 따라서 우리는 이 세계를 배우려면 관념적으로(abstract) 그리고 창의적(imaginative) [상상력을 동원하여]하며 우리의 실제경험에 연결 해서는 않된다.

In this chapter we shall tackle immediately the basic element of the mysterious behavior in its most strange form. We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics.

이 장에서 우리는 이주 이상한 형태로 기묘한 행동을 보이는 기초 원소(basic element)를 다뤄볼(tackle=deal with~) 것이다. 우리는 고적적인 방법으로 불가능한, 절대로 불가능한 기묘한 현상을 검토대상으로 골라봤다. 그 현상은 양자역학의 핵심이 될 것이다.

In reality, it contains the only mystery. We cannot make the mystery go away by "explaining" how it works. We will just tell you how it works. In telling you how it works we will have told you about the basic peculiarities of all quantum mechanics.

실제로(in reality) 거기에는 오직 기묘함 만(the only mystery)이 있다. 그 현상이 어떻게 작동하는지 "설명"하는 것으로 기묘함을 털어버릴 수 없다(not make ~ get away). 그것이 어떻게 작용하는지 얘기하는 과정에서(in telling) 양자역학의 기초에 깔린 이상함을 접하게 될 것이다(will have told).

[주] 추리(mystery)소설, 공상과학(Sci-Fi)영화등 '신비한' 이야기를 즐기면서 이해하려고 들진 않는다. 허구(fiction)라는 점을 알고 시작 했기 때문이다. 그런데 '양자역학'은 실제상황을 이해하려고 허구에서나 쓰이던 상상력을 동원하여 즐기라 하니 쉽지 않다. '저게 사실이라구? 에이~ 말도않되....'라는 충돌이 생길 수 밖에 없다.

* 이 강의는 양자역학의 기초 개념을 일반인(이공계 1~2학년 대상)에게 자연스럽게 받아들이길 바라며 강연의 형태로 진행 되었다. 전문적인 양자역학을 전문적으로 다루길 원한다면 적합하지 않을 뿐만 아니라 시간 낭비일 수 있다. 차라리 '차교수의 물리산책/고급물리학 편[링크][링크]을 보는게 낳을 것이다.

* 파동함수(wave equation)은 양자역학을 수학으로 기술(모형)한다, 이 파동함수는 물리량(물리량)을 대표하지 않는다. 그럼 무엇을 기술한다는 것인가?

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[참고]

1. 차교수의 물리 산책/파인만 양자역학 1장 1강[링크]

2. 차교수와 물리산책[링크]'

3. https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

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