Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object

140,634 views ・ 2011-06-03

TED


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번역: Sungwook Woo 검토: Hahn Ryu
00:15
This is a representation of your brain,
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3000
이것은 여러분의 뇌를 표현한 그림입니다
00:18
and your brain can be broken into two parts.
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18260
3000
뇌는 두 부분으로 나눌 수 있죠
00:21
There's the left half, which is the logical side,
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21260
2000
왼쪽 뇌는 논리를 담당하구요
00:23
and then the right half,
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23260
2000
그리고 오른쪽 뇌는
00:25
which is the intuitive.
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25260
2000
직관을 담당하죠
00:27
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
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27260
3000
양쪽 뇌의 능력을 측정하는 눈금자 같은 게 있다면
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then we can plot our brain.
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30260
2000
뇌를 그래프로 나타낼 수 있을 겁니다
00:32
And for example, this would be somebody who's completely logical.
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32260
3000
예를 들면 이건 완전 논리적인 사람의 뇌일테구요
00:35
This would be someone who's entirely intuitive.
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35260
3000
이건 완전히 직관적인 사람일 겁니다
00:39
So where would you put your brain on this scale?
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39260
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당신의 뇌는 이 눈금의 어디쯤에 해당할까요?
00:42
Some of us may have opted for one of these extremes,
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42260
3000
몇몇은 두가지 끝 중 한쪽에 있으려는 사람도 있겠지요
00:45
but I think for most people in the audience,
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45260
2000
하지만 여기 청중의 대부분의 뇌는
00:47
your brain is something like this --
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2000
아마 이것과 비슷할 겁니다
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with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
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49260
3000
양쪽 뇌에 우수한 능력이 동시에 존재하는 것이죠
00:52
It's not like they're mutually exclusive or anything.
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2000
양쪽이 상호 배타적이거나 그런 게 아니라
00:54
You can be logical and intuitive.
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2000
논리적이면서도 직관적일 수도 있는 것입니다
00:56
And so I consider myself one of these people,
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56260
3000
그래서 저도 이런 부류 중 한 명이라고 생각합니다
00:59
along with most of the other experimental quantum physicists,
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59260
3000
실험 양자 물리학자 대부분이 그렇듯이요
01:02
who need a good deal of logic
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2000
복잡한 생각들을 잘 엮기 위해서
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to string together these complex ideas.
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2000
논리적인 부분이 많이 필요하면서도
01:06
But at the same time, we need a good deal of intuition
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66260
3000
그 동시에, 직관도 많이 필요로 하죠
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to actually make the experiments work.
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69260
2000
실제 실험도 잘 해내려면요
01:11
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
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71260
3000
이런 직관은 어떻게 생길까요? 음, 우선 이것저것 가지고 놀지요
01:14
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
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74260
3000
밖에 나가서 가지고 놀면서 그게 어떻게 작용하는지 보고
01:17
and then we develop our intuition from there.
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3000
거기에서부터 직관이 생겨나는 거죠
01:20
And really you do the same thing.
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2000
그리고 여러분도 사실 그렇게 합니다
01:22
So some intuition
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2000
한가지
01:24
that you may have developed over the years
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2000
여러분이 익혀 오신 직관 중 하나는
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is that one thing is only in one place at a time.
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86260
4000
한 물체는 어떤 시점에 오직 한 곳에만 존재한다는 것입니다
01:30
I mean, it can sound weird to think about
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90260
3000
다시 말해 한 물체가 동시에 다른 두 곳에
01:33
one thing being in two different places at the same time,
30
93260
4000
존재할 수도 있다는 말은 굉장히 이상하게 들린다는 겁니다
01:37
but you weren't born with this notion, you developed it.
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97260
3000
하지만 이런 직관은 태어날 때부터 있는 것이 아닙니다. 살면서 가지게 되는 거죠.
01:40
And I remember watching a kid playing on a car stop.
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100260
3000
어떤 애가 주차지지대 위에서 노는 걸 본적이 있는데요
01:43
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
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103260
3000
두살 정도 꼬마였어요 그래서 잘 못하고 계속 넘어졌죠
01:46
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
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106260
3000
그런데 아마 거기서 놀면서 아주 중요한 것을 배웠을 겁니다
01:49
and that's that large things don't let you get right past them,
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109260
4000
큰 물체를 통과해서 지나갈 수는 없고
01:53
and that they stay in one place.
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113260
3000
큰 물체는 한 곳에 가만히 있다는 것을요
01:56
And so this is a great conceptual model to have of the world,
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116260
3000
그래서 이런 게 세상을 이해하는 중대한 관념적 모델입니다
01:59
unless you're a particle physicist.
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119260
2000
여러분이 입자물리학자가 아닌 이상 말입니다
02:01
It'd be a terrible model for a particle physicist,
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121260
2000
그런 모델은 사실 입자물리학자가 이용하기엔 어렵습니다
02:03
because they don't play with car stops,
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123260
2000
왜냐면 입자물리학자는 주차지지대 같은 것 말고
02:05
they play with these little weird particles.
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125260
3000
이상한 성질을 가진 작은 입자들을 가지고 놀거든요
02:08
And when they play with their particles,
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128260
2000
그런 입자들을 가지고 놀다 보면
02:10
they find they do all sorts of really weird things --
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130260
2000
정말 희한한 일들을 많이 관찰합니다
02:12
like they can fly right through walls,
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132260
3000
입자들이 벽을 뚫고 가기도 하고
02:15
or they can be in two different places at the same time.
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4000
다른 두 곳에서 동시에 발견되기도 하죠
02:19
And so they wrote down all these observations,
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139260
3000
그래서 이런 관찰 결과들을 모두 기록하고는
02:22
and they called it the theory of quantum mechanics.
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142260
4000
그것들 두고 양자역학 이론이라고 했습니다
02:26
And so that's where physics was at a few years ago;
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3000
그게 몇년전의 물리학의 위치였습니다
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you needed quantum mechanics
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149260
2000
아주 작은 입자들을 설명하려면
02:31
to describe little, tiny particles.
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151260
2000
양자역학이 필요했죠
02:33
But you didn't need it
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153260
2000
그런데 우리 주변의
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to describe the large, everyday objects around us.
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155260
4000
큰 물체들을 설명하려면 양자역학이 필요 없었어요
02:39
This didn't really sit well with my intuition,
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159260
3000
이런 게 제 직관과는 너무 맞지 않았습니다
02:42
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
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162260
3000
제가 입자들에 대한 경험이 부족해서일 수도 있겠죠
02:45
Well, I play with them sometimes,
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165260
2000
음, 저도 입자들을 가지고 놀긴 합니다만
02:47
but not very often.
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167260
2000
자주는 아니예요
02:49
And I've never seen them.
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2000
그리고 실제로 본적도 없어요
02:51
I mean, nobody's ever seen a particle.
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3000
사실 아무도 실제로 본 사람은 없죠
02:54
But it didn't sit well with my logical side either.
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174260
3000
그런데 직관 뿐 아니라 제 논리와도 맞지 않았어요
02:57
Because if everything is made up of little particles
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177260
3000
왜냐면 모든게 작은 입자로 구성되어 있고
03:00
and all the little particles
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180260
2000
그리고 그 입자들이
03:02
follow quantum mechanics,
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182260
2000
양자역학을 따른다면
03:04
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
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184260
3000
모든 물체들도 양자역학을 따라야 하지 않을까요?
03:09
I don't see any reason why it shouldn't.
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189260
3000
저는 그러지 않을 이유가 없다고 봅니다
03:12
And so I'd feel a lot better about the whole thing
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192260
2000
그리고 만약 일상의 물체들도 역시
03:14
if we could somehow show
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194260
2000
양자역학을 따른다는 것을
03:16
that an everyday object
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196260
2000
증명하는 방법이 있다면
03:18
also follows quantum mechanics.
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198260
2000
그 모든 것이 훨씬 잘 들어 맞을 것입니다
03:20
So a few years ago, I set off to do just that.
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200260
3000
그래서 제가 몇년전에 바로 그걸 해보려고
03:23
So I made one.
70
203260
3000
장치 하나를 만들었습니다
03:26
This is the first object
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206260
2000
이건 세계 최초로
03:28
that you can see
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208260
2000
기계적인 양자 중첩 상태에
03:30
that has been in a mechanical quantum superposition.
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210260
3000
있는 것으로 관찰된 물체입니다
03:33
So what we're looking at here
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213260
2000
여기 보이는 것은
03:35
is a tiny computer chip.
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215260
2000
아주 작은 컴퓨터 칩입니다
03:37
And you can sort of see this green dot right in the middle.
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217260
3000
가운데에 보시면 녹색 점이 보이시죠
03:40
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
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220260
3000
그게 바로 제가 곧 설명드릴 금속 조각입니다
03:43
This is a photograph of the object.
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223260
2000
이게 그 물체의 사진입니다
03:45
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
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225260
3000
조금 확대해 보면, 여기 가운데에 보입니다
03:48
And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
80
228260
3000
그리고 이건 그 금속 조각을 정말 크게 클로즈업한 사진입니다
03:51
So what we're looking at is a little chunk of metal,
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231260
2000
그러니까 이건 작은 금속 조각인데요
03:53
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
82
233260
3000
다이빙대처럼 생겼구요, 절벽에서 삐져나와 있지요
03:56
And so I made this thing
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236260
2000
이것도 컴퓨터 칩을
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
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238260
2000
만드는 것과 거의 똑같은 방법으로 만들었습니다
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
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240260
3000
새 실리콘 웨이퍼를 들고 클린룸에 들어가서
04:03
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
86
243260
3000
커다란 기계들을 100시간 정도 동안 돌립니다
04:06
For the last stuff, I had to build my own machine --
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246260
2000
그리고 마지막으로 제가 직접 만든 기계로
04:08
to make this swimming pool-shaped hole
88
248260
3000
여기 이 수영장 같은 모양의 홈을 팠습니다
04:11
underneath the device.
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251260
2000
이 장치 아래에요
04:13
This device has the ability
90
253260
2000
이 장치는 양자 중첩 상태에
04:15
to be in a quantum superposition,
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255260
2000
있을 수 있는 능력이 있습니다
04:17
but it needs a little help to do it.
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257260
2000
그런데 그러기 위해 약간의 도움이 필요합니다
04:19
Here, let me give you an analogy.
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259260
2000
자, 비유를 하나 해드릴게요
04:21
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
94
261260
3000
꽉찬 엘리베이터 안에 있으면 얼마나 답답한지 아시죠?
04:24
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
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264260
3000
그러니까, 저는 엘리베이터에 혼자 있으면 온갖 이상한 짓을 다 하는데
04:27
but then other people get on board
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267260
2000
그러다가 다른 사람이 타면
04:29
and I stop doing those things
97
269260
2000
하던 걸 멈추죠
04:31
because I don't want to bother them,
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271260
2000
그 사람들을 방해하고 싶지 않거든요
04:33
or, frankly, scare them.
99
273260
3000
솔직히는, 겁 먹으실 까 봐서 이기도 하구요
04:36
So quantum mechanics says
100
276260
2000
양자 역학에 따르면
04:38
that inanimate objects feel the same way.
101
278260
3000
생명이 없는 물체도 꼭 그렇게 느낀다는 겁니다
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
102
281260
2000
그런 물체에겐 엘리베이터에서의 동승객이
04:43
are not just people,
103
283260
2000
사람 뿐 만은 아니구요
04:45
but it's also the light shining on it
104
285260
2000
비춰지는 불빛도 있고
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
105
287260
3000
바람도 있고 그 안의 열기도 있지요
04:50
And so we knew, if we wanted to see
106
290260
2000
그래서 이 금속조각의 양자역학 상태를
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
107
292260
3000
보기 위해서는 다른 승객을 모두 쫓아 내야 한다는 걸
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
108
295260
2000
저희는 알고 있었습니다
04:57
And so that's what we did.
109
297260
2000
그래서 그렇게 했지요
04:59
We turned off the lights,
110
299260
2000
불도 껐고
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
111
301260
2000
진공 상태에 넣어서 모든 공기도 없앴고
05:03
and then we cooled it down
112
303260
2000
온도도 절대온도 0도에
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
113
305260
2000
영점몇도까지 가까이 낮추었습니다
05:07
Now, all alone in the elevator,
114
307260
2000
이제 그 엘리베이터 안에 혼자 있으니
05:09
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
309260
2000
그 작은 금속조각이 하고 싶은대로 할 수 있죠
05:11
And so we measured its motion.
116
311260
2000
저희는 그 움직임을 측정했는데
05:13
We found it was moving in really weird ways.
117
313260
2000
정말 기이하게 움직이는 걸 관찰했습니다
05:15
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
315260
3000
가만히 있지 않고 진동했는데
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
318260
3000
진동은 꼭 숨쉬는 것처럼 했어요
05:21
like expanding and contracting bellows.
120
321260
2000
이렇게 팽창했다 수축했다 하면서요
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
323260
2000
그리고 그걸 살짝 건드려줌으로써
05:25
we were able to make it both vibrate
122
325260
2000
진동하는 상태와 멈추어 있는 상태가
05:27
and not vibrate
123
327260
2000
동시에 존재하도록
05:29
at the same time --
124
329260
2000
할 수 있었습니다
05:31
something that's only allowed with quantum mechanics.
125
331260
3000
그건 양자 역학에서만 허용되는 상태입니다
05:34
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
126
334260
3000
그래서 저는 정말 멋진 걸 말씀드릴려고 하는데요
05:37
What does it mean for one thing
127
337260
2000
어떤 물체가 동시에
05:39
to be both vibrating and not vibrating
128
339260
2000
진동하기도 하고 멈추어 있기도 한다는 건
05:41
at the same time?
129
341260
2000
무얼 뜻할까요?
05:43
So let's think about the atoms.
130
343260
2000
자, 우선 원자들을 생각해 보죠
05:45
So in one case:
131
345260
2000
한 상태에서는
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
347260
3000
저 금속 조각을 구성하는 엄청나게 많은 원자들이
05:50
are sitting still
133
350260
2000
가만히 있습니다
05:52
and at the same time those same atoms
134
352260
2000
그리고 그 동시에 그 똑같은 원자들이
05:54
are moving up and down.
135
354260
2000
위 아래로 움직이기도 합니다
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
356260
3000
시간이 딱 들어 맞을 때에만 동시에 정렬을 하고
05:59
The rest of the time they're delocalized.
137
359260
2000
그 외 대부분은 모두 따로 움직입니다
06:01
That means that every atom
138
361260
2000
그말은, 모든 원자가
06:03
is in two different places at the same time,
139
363260
2000
다른 두 곳에 동시에 존재한다는 것이고
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
365260
3000
다시 말해 그 전체 금속 조각이
06:08
is in two different places.
141
368260
2000
다른 두 곳에 존재한다는 것이죠
06:10
I think this is really cool.
142
370260
2000
전 이게 정말 멋지다고 보는데요
06:12
(Laughter)
143
372260
2000
(웃음)
06:14
Really.
144
374260
2000
정말이요
06:16
(Applause)
145
376260
3000
(박수)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
379260
5000
몇년 동안 클린룸에 쳐박혀 있은 보람이 있었지요
06:24
because, check this out,
147
384260
2000
왜냐하면, 보세요
06:26
the difference in scale
148
386260
2000
원자 하나와
06:28
between a single atom and that chunk of metal
149
388260
2000
저 금속 조각의 크기 비율이
06:30
is about the same as the difference
150
390260
2000
그 금속 조각 크기와 여러분 크기와의
06:32
between that chunk of metal and you.
151
392260
2000
비율과 거의 일치합니다
06:34
So if a single atom can be in two different places at the same time,
152
394260
3000
따라서, 한 원자가 다른 두 곳에 동시에 있을 수 있으면
06:37
that chunk of metal can be in two different places,
153
397260
3000
저 금속 조각도 다른 두 곳에 있을 수 있는데
06:40
then why not you?
154
400260
2000
그러면 여러분은 왜 안되겠어요?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
155
402260
3000
제말은, 단순히 논리적으로만 생각해봐도 말이죠
06:46
So imagine if you're in multiple places at the same time,
156
406260
4000
여러분이 여러 곳에 동시에 있다고 생각해 보세요
06:50
what would that be like?
157
410260
3000
그건 느낌이 어떨까요?
06:53
How would your consciousness
158
413260
2000
여러분의 신체가 공간 상에 흩어져 있는 것을
06:55
handle your body being delocalized in space?
159
415260
4000
여러분의 의식은 어떻게 받아들일까요?
06:59
There's one more part to the story.
160
419260
2000
한가지 덧붙일 것이 있습니다
07:01
It's when we warmed it up,
161
421260
2000
저희가 다시 온도를 높이고
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
162
423260
3000
빛을 쪼이고 그 상자 안을 보았을 때
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
163
426260
4000
그 금속 조각이 여전히 하나의 물체로 가만히 있는 것을 보았습니다
07:10
And so I had to develop this new intuition,
164
430260
3000
그래서 저는 이 새로운 직관을 갖게 되었는데요
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
165
433260
3000
엘리베이터 안의 모든 물체는
07:16
are really just quantum objects
166
436260
2000
하나의 작은 공간에 밀어넣어진 것 뿐,
07:18
just crammed into a tiny space.
167
438260
2000
모두 양자역학적 물체라는 것입니다
07:20
You hear a lot of talk
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440260
2000
양자 역학에서, 모든 것이
07:22
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
169
442260
3000
서로 연결되어 있다고 말하는 것을 많이 들으실 겁니다
07:25
Well, that's not quite right.
170
445260
2000
글쎄요, 아주 옳은 말은 아닙니다
07:27
It's more than that; it's deeper.
171
447260
3000
사실 그보다 더합니다. 더 깊죠.
07:30
It's that those connections,
172
450260
2000
그 연결 고리들이
07:32
your connections to all the things around you,
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452260
3000
여러분과 여러분 주위 모든 것들과의 연결 고리들이
07:35
literally define who you are,
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455260
3000
여러분을 말그대로 '정의'해 주는 것입니다
07:38
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
175
458260
3000
바로 그것이 양자역학이 갖는, 심오하면서도 기묘한 특성입니다
07:41
Thank you.
176
461260
2000
감사합니다
07:43
(Applause)
177
463260
2000
(박수)
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