TED2011
Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object
애런 오커넬: 눈에 보이는 양자 물체 이해하기
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물리학자들은 원자 단위 이하의 입자들이, 일상에서의 큰 물체들과는 달리 양자역학이라는 특이한 법칙을 따른다는 사실에 익숙하다. 애런 오커넬은, 눈으로도 볼 수 있으나 두 곳에 동시에 존재하는 물체를 만드는 혁신적일 실험을 통해, 그 두 관점 사이의 차이점을 모호하게 만들었다. 이 강연에서 그는 그 실험의 결과에 대한 흥미로운 관점을 제시한다.
Aaron O'Connell - Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
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This is a representation of your brain,
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이것은 여러분의 뇌를 표현한 그림입니다
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and your brain can be broken into two parts.
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뇌는 두 부분으로 나눌 수 있죠
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There's the left half, which is the logical side,
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왼쪽 뇌는 논리를 담당하구요
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and then the right half,
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그리고 오른쪽 뇌는
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which is the intuitive.
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직관을 담당하죠
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And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
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양쪽 뇌의 능력을 측정하는 눈금자 같은 게 있다면
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then we can plot our brain.
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뇌를 그래프로 나타낼 수 있을 겁니다
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And for example, this would be somebody who's completely logical.
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예를 들면 이건 완전 논리적인 사람의 뇌일테구요
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This would be someone who's entirely intuitive.
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이건 완전히 직관적인 사람일 겁니다
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So where would you put your brain on this scale?
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당신의 뇌는 이 눈금의 어디쯤에 해당할까요?
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Some of us may have opted for one of these extremes,
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몇몇은 두가지 끝 중 한쪽에 있으려는 사람도 있겠지요
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but I think for most people in the audience,
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하지만 여기 청중의 대부분의 뇌는
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your brain is something like this --
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아마 이것과 비슷할 겁니다
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with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
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양쪽 뇌에 우수한 능력이 동시에 존재하는 것이죠
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It's not like they're mutually exclusive or anything.
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양쪽이 상호 배타적이거나 그런 게 아니라
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You can be logical and intuitive.
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논리적이면서도 직관적일 수도 있는 것입니다
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And so I consider myself one of these people,
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그래서 저도 이런 부류 중 한 명이라고 생각합니다
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along with most of the other experimental quantum physicists,
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실험 양자 물리학자 대부분이 그렇듯이요
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who need a good deal of logic
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복잡한 생각들을 잘 엮기 위해서
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to string together these complex ideas.
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논리적인 부분이 많이 필요하면서도
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But at the same time, we need a good deal of intuition
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그 동시에, 직관도 많이 필요로 하죠
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to actually make the experiments work.
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실제 실험도 잘 해내려면요
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How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
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이런 직관은 어떻게 생길까요? 음, 우선 이것저것 가지고 놀지요
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So we go out and play with it, and then we see how it acts,
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밖에 나가서 가지고 놀면서 그게 어떻게 작용하는지 보고
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and then we develop our intuition from there.
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거기에서부터 직관이 생겨나는 거죠
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And really you do the same thing.
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그리고 여러분도 사실 그렇게 합니다
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So some intuition
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한가지
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that you may have developed over the years
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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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한 물체는 어떤 시점에 오직 한 곳에만 존재한다는 것입니다
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I mean, it can sound weird to think about
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다시 말해 한 물체가 동시에 다른 두 곳에
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one thing being in two different places at the same time,
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존재할 수도 있다는 말은 굉장히 이상하게 들린다는 겁니다
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but you weren't born with this notion, you developed it.
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하지만 이런 직관은 태어날 때부터 있는 것이 아닙니다. 살면서 가지게 되는 거죠.
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And I remember watching a kid playing on a car stop.
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어떤 애가 주차지지대 위에서 노는 걸 본적이 있는데요
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He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
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두살 정도 꼬마였어요 그래서 잘 못하고 계속 넘어졌죠
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But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
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그런데 아마 거기서 놀면서 아주 중요한 것을 배웠을 겁니다
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and that's that large things don't let you get right past them,
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큰 물체를 통과해서 지나갈 수는 없고
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and that they stay in one place.
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큰 물체는 한 곳에 가만히 있다는 것을요
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And so this is a great conceptual model to have of the world,
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그래서 이런 게 세상을 이해하는 중대한 관념적 모델입니다
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unless you're a particle physicist.
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여러분이 입자물리학자가 아닌 이상 말입니다
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It'd be a terrible model for a particle physicist,
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그런 모델은 사실 입자물리학자가 이용하기엔 어렵습니다
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because they don't play with car stops,
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왜냐면 입자물리학자는 주차지지대 같은 것 말고
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they play with these little weird particles.
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이상한 성질을 가진 작은 입자들을 가지고 놀거든요
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And when they play with their particles,
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그런 입자들을 가지고 놀다 보면
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they find they do all sorts of really weird things --
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정말 희한한 일들을 많이 관찰합니다
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like they can fly right through walls,
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입자들이 벽을 뚫고 가기도 하고
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or they can be in two different places at the same time.
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다른 두 곳에서 동시에 발견되기도 하죠
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And so they wrote down all these observations,
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그래서 이런 관찰 결과들을 모두 기록하고는
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and they called it the theory of quantum mechanics.
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그것들 두고 양자역학 이론이라고 했습니다
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And so that's where physics was at a few years ago;
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그게 몇년전의 물리학의 위치였습니다
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you needed quantum mechanics
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아주 작은 입자들을 설명하려면
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to describe little, tiny particles.
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양자역학이 필요했죠
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But you didn't need it
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그런데 우리 주변의
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to describe the large, everyday objects around us.
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큰 물체들을 설명하려면 양자역학이 필요 없었어요
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This didn't really sit well with my intuition,
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이런 게 제 직관과는 너무 맞지 않았습니다
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and maybe it's just because I don't play with particles very often.
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제가 입자들에 대한 경험이 부족해서일 수도 있겠죠
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Well, I play with them sometimes,
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음, 저도 입자들을 가지고 놀긴 합니다만
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but not very often.
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자주는 아니예요
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And I've never seen them.
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그리고 실제로 본적도 없어요
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I mean, nobody's ever seen a particle.
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사실 아무도 실제로 본 사람은 없죠
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But it didn't sit well with my logical side either.
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그런데 직관 뿐 아니라 제 논리와도 맞지 않았어요
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Because if everything is made up of little particles
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왜냐면 모든게 작은 입자로 구성되어 있고
03:00
and all the little particles
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165000
2000
그리고 그 입자들이
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follow quantum mechanics,
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167000
2000
양자역학을 따른다면
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then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
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169000
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모든 물체들도 양자역학을 따라야 하지 않을까요?
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I don't see any reason why it shouldn't.
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174000
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저는 그러지 않을 이유가 없다고 봅니다
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And so I'd feel a lot better about the whole thing
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177000
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그리고 만약 일상의 물체들도 역시
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if we could somehow show
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179000
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양자역학을 따른다는 것을
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that an everyday object
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181000
2000
증명하는 방법이 있다면
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also follows quantum mechanics.
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2000
그 모든 것이 훨씬 잘 들어 맞을 것입니다
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So a few years ago, I set off to do just that.
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3000
그래서 제가 몇년전에 바로 그걸 해보려고
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So I made one.
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3000
장치 하나를 만들었습니다
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This is the first object
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2000
이건 세계 최초로
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that you can see
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193000
2000
기계적인 양자 중첩 상태에
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that has been in a mechanical quantum superposition.
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195000
3000
있는 것으로 관찰된 물체입니다
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So what we're looking at here
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198000
2000
여기 보이는 것은
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is a tiny computer chip.
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200000
2000
아주 작은 컴퓨터 칩입니다
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And you can sort of see this green dot right in the middle.
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202000
3000
가운데에 보시면 녹색 점이 보이시죠
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And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
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205000
3000
그게 바로 제가 곧 설명드릴 금속 조각입니다
03:43
This is a photograph of the object.
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208000
2000
이게 그 물체의 사진입니다
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And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
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210000
3000
조금 확대해 보면, 여기 가운데에 보입니다
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And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
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213000
3000
그리고 이건 그 금속 조각을 정말 크게 클로즈업한 사진입니다
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So what we're looking at is a little chunk of metal,
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216000
2000
그러니까 이건 작은 금속 조각인데요
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and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
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218000
3000
다이빙대처럼 생겼구요, 절벽에서 삐져나와 있지요
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And so I made this thing
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221000
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이것도 컴퓨터 칩을
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
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223000
2000
만드는 것과 거의 똑같은 방법으로 만들었습니다
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
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225000
3000
새 실리콘 웨이퍼를 들고 클린룸에 들어가서
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and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
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228000
3000
커다란 기계들을 100시간 정도 동안 돌립니다
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For the last stuff, I had to build my own machine --
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그리고 마지막으로 제가 직접 만든 기계로
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to make this swimming pool-shaped hole
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233000
3000
여기 이 수영장 같은 모양의 홈을 팠습니다
04:11
underneath the device.
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이 장치 아래에요
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This device has the ability
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238000
2000
이 장치는 양자 중첩 상태에
04:15
to be in a quantum superposition,
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240000
2000
있을 수 있는 능력이 있습니다
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but it needs a little help to do it.
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242000
2000
그런데 그러기 위해 약간의 도움이 필요합니다
04:19
Here, let me give you an analogy.
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244000
2000
자, 비유를 하나 해드릴게요
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You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
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246000
3000
꽉찬 엘리베이터 안에 있으면 얼마나 답답한지 아시죠?
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I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
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249000
3000
그러니까, 저는 엘리베이터에 혼자 있으면 온갖 이상한 짓을 다 하는데
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but then other people get on board
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252000
2000
그러다가 다른 사람이 타면
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and I stop doing those things
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254000
2000
하던 걸 멈추죠
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because I don't want to bother them,
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256000
2000
그 사람들을 방해하고 싶지 않거든요
04:33
or, frankly, scare them.
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258000
3000
솔직히는, 겁 먹으실 까 봐서 이기도 하구요
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So quantum mechanics says
100
261000
2000
양자 역학에 따르면
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that inanimate objects feel the same way.
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263000
3000
생명이 없는 물체도 꼭 그렇게 느낀다는 겁니다
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
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266000
2000
그런 물체에겐 엘리베이터에서의 동승객이
04:43
are not just people,
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268000
2000
사람 뿐 만은 아니구요
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but it's also the light shining on it
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270000
2000
비춰지는 불빛도 있고
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
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272000
3000
바람도 있고 그 안의 열기도 있지요
04:50
And so we knew, if we wanted to see
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275000
2000
그래서 이 금속조각의 양자역학 상태를
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
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277000
3000
보기 위해서는 다른 승객을 모두 쫓아 내야 한다는 걸
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
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280000
2000
저희는 알고 있었습니다
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And so that's what we did.
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282000
2000
그래서 그렇게 했지요
04:59
We turned off the lights,
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284000
2000
불도 껐고
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
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286000
2000
진공 상태에 넣어서 모든 공기도 없앴고
05:03
and then we cooled it down
112
288000
2000
온도도 절대온도 0도에
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
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290000
2000
영점몇도까지 가까이 낮추었습니다
05:07
Now, all alone in the elevator,
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292000
2000
이제 그 엘리베이터 안에 혼자 있으니
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the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
294000
2000
그 작은 금속조각이 하고 싶은대로 할 수 있죠
05:11
And so we measured its motion.
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296000
2000
저희는 그 움직임을 측정했는데
05:13
We found it was moving in really weird ways.
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298000
2000
정말 기이하게 움직이는 걸 관찰했습니다
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Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
300000
3000
가만히 있지 않고 진동했는데
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
303000
3000
진동은 꼭 숨쉬는 것처럼 했어요
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like expanding and contracting bellows.
120
306000
2000
이렇게 팽창했다 수축했다 하면서요
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
308000
2000
그리고 그걸 살짝 건드려줌으로써
05:25
we were able to make it both vibrate
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310000
2000
진동하는 상태와 멈추어 있는 상태가
05:27
and not vibrate
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312000
2000
동시에 존재하도록
05:29
at the same time --
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314000
2000
할 수 있었습니다
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something that's only allowed with quantum mechanics.
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316000
3000
그건 양자 역학에서만 허용되는 상태입니다
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So what I'm telling you here is something truly fantastic.
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319000
3000
그래서 저는 정말 멋진 걸 말씀드릴려고 하는데요
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What does it mean for one thing
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322000
2000
어떤 물체가 동시에
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to be both vibrating and not vibrating
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324000
2000
진동하기도 하고 멈추어 있기도 한다는 건
05:41
at the same time?
129
326000
2000
무얼 뜻할까요?
05:43
So let's think about the atoms.
130
328000
2000
자, 우선 원자들을 생각해 보죠
05:45
So in one case:
131
330000
2000
한 상태에서는
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
332000
3000
저 금속 조각을 구성하는 엄청나게 많은 원자들이
05:50
are sitting still
133
335000
2000
가만히 있습니다
05:52
and at the same time those same atoms
134
337000
2000
그리고 그 동시에 그 똑같은 원자들이
05:54
are moving up and down.
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339000
2000
위 아래로 움직이기도 합니다
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
341000
3000
시간이 딱 들어 맞을 때에만 동시에 정렬을 하고
05:59
The rest of the time they're delocalized.
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344000
2000
그 외 대부분은 모두 따로 움직입니다
06:01
That means that every atom
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346000
2000
그말은, 모든 원자가
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is in two different places at the same time,
139
348000
2000
다른 두 곳에 동시에 존재한다는 것이고
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
350000
3000
다시 말해 그 전체 금속 조각이
06:08
is in two different places.
141
353000
2000
다른 두 곳에 존재한다는 것이죠
06:10
I think this is really cool.
142
355000
2000
전 이게 정말 멋지다고 보는데요
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(Laughter)
143
357000
2000
(웃음)
06:14
Really.
144
359000
2000
정말이요
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(Applause)
145
361000
3000
(박수)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
364000
5000
몇년 동안 클린룸에 쳐박혀 있은 보람이 있었지요
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because, check this out,
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369000
2000
왜냐하면, 보세요
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the difference in scale
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371000
2000
원자 하나와
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between a single atom and that chunk of metal
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373000
2000
저 금속 조각의 크기 비율이
06:30
is about the same as the difference
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375000
2000
그 금속 조각 크기와 여러분 크기와의
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between that chunk of metal and you.
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377000
2000
비율과 거의 일치합니다
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So if a single atom can be in two different places at the same time,
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379000
3000
따라서, 한 원자가 다른 두 곳에 동시에 있을 수 있으면
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that chunk of metal can be in two different places,
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382000
3000
저 금속 조각도 다른 두 곳에 있을 수 있는데
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then why not you?
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385000
2000
그러면 여러분은 왜 안되겠어요?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
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387000
3000
제말은, 단순히 논리적으로만 생각해봐도 말이죠
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So imagine if you're in multiple places at the same time,
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391000
4000
여러분이 여러 곳에 동시에 있다고 생각해 보세요
06:50
what would that be like?
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395000
3000
그건 느낌이 어떨까요?
06:53
How would your consciousness
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398000
2000
여러분의 신체가 공간 상에 흩어져 있는 것을
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handle your body being delocalized in space?
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400000
4000
여러분의 의식은 어떻게 받아들일까요?
06:59
There's one more part to the story.
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404000
2000
한가지 덧붙일 것이 있습니다
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It's when we warmed it up,
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406000
2000
저희가 다시 온도를 높이고
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
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408000
3000
빛을 쪼이고 그 상자 안을 보았을 때
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
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411000
4000
그 금속 조각이 여전히 하나의 물체로 가만히 있는 것을 보았습니다
07:10
And so I had to develop this new intuition,
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415000
3000
그래서 저는 이 새로운 직관을 갖게 되었는데요
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
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418000
3000
엘리베이터 안의 모든 물체는
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are really just quantum objects
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421000
2000
하나의 작은 공간에 밀어넣어진 것 뿐,
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just crammed into a tiny space.
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423000
2000
모두 양자역학적 물체라는 것입니다
07:20
You hear a lot of talk
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2000
양자 역학에서, 모든 것이
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about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
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427000
3000
서로 연결되어 있다고 말하는 것을 많이 들으실 겁니다
07:25
Well, that's not quite right.
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430000
2000
글쎄요, 아주 옳은 말은 아닙니다
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It's more than that; it's deeper.
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432000
3000
사실 그보다 더합니다. 더 깊죠.
07:30
It's that those connections,
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2000
그 연결 고리들이
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your connections to all the things around you,
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437000
3000
여러분과 여러분 주위 모든 것들과의 연결 고리들이
07:35
literally define who you are,
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440000
3000
여러분을 말그대로 '정의'해 주는 것입니다
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and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
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443000
3000
바로 그것이 양자역학이 갖는, 심오하면서도 기묘한 특성입니다
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Thank you.
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446000
2000
감사합니다
07:43
(Applause)
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448000
2000
(박수)
ABOUT THE SPEAKER
Aaron O'Connell - PhysicistAaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds.
Why you should listen
Growing up reading philosophy, playing guitar, and generally not thinking about science, Aaron O’Connell never expected to revolutionize the world of physics. But an inspiring stuffed-monkey-shot-from-a-cannon demonstration and a series of positive research experiences as an undergraduate propelled him to graduate school at UCSB.
While there, in an experiment remarkable both for its conceptual simplicity and technical difficulty, O’Connell was the first person to measure quantum effects in an object large enough to see with the naked eye. Named Breakthrough of the year by Science Magazine, the experiment shattered the previous record for the largest quantum object, showing decisively that there is no hard line between the quantum and everyday worlds.
Aaron O'Connell | Speaker | TED.com