디시인사이드 갤러리

갤러리 이슈박스, 최근방문 갤러리

갤러리 본문 영역

도대체 ‘양자역학’이라는 낯선 물리학 이론이 생활과 무슨 관계가 있을까?앱에서 작성

ㅇㅇ(39.116) 2018.09.25 20:40:29
조회 103 추천 0 댓글 4

도대체 ‘양자역학’이라는 낯선 물리학 이론이 생활과 무슨 관계가 있을까? 이 질문에 대답하기 위해 반도체 없는 컴퓨터를 상상해 보자. 반도체가 없다면 노트북, 스마트폰과 같이 작은 컴퓨터의 탄생이 불가능했을 것이다. 

현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명하는 등 현대인의 삶에 지대한 영향을 끼치고 있는 많은 기술들의 이론적 바탕이 됐다. 또한 양자역학은 과학기술의 측면뿐 아니라 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐, 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 사건으로 꼽힌다.



현대 물리학의 기초가 된 양자역학은 무엇인가?

1양자역학이란?

그렇다면 도대체 양자역학(量子力學, quantum mechanics)이란 무엇일까? 이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)으로, Quantenmechanik(크반텐메하닉)이란 이름을 붙였다. 그것이 그대로 영어로 번역된 뒤에, 일본에서 ‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 새로 번역됐는데 이것이 우리나라에 그대로 들어와 ‘양자역학’이란 용어로 번역됐다.
양자역학이란 말을 이해하려면 ‘양자’와 ‘역학’을 각각 살펴보는 것이 좋다. ‘양자(量子)’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. 

‘역학(力學)’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만, 실제로는 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있다. 간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있다.

2아인슈타인의 빛알 이론(light quantum theory)과 보어의 원자 모형

오래전부터 과학자들은 빛의 본성이 탁구공이나 쌀알 같은 입자인지, 아니면 물결이나 소리와 같은 파동인지를 놓고 진지한 논쟁을 벌여왔다. 하지만 빛을 입자로 보는 부류나 파동으로 보는 부류 모두 형광현상1)이나 냉광 현상2),광전 효과3) 등을 설명하는 데 큰 어려움을 겪고 있었다.



아인슈타인이 1905년 발표한 ‘빛알이론’은 양자론의 기초가 됐다.

이미 19세기 말에 빛은 전기장과 자기장이 공간 속에서 펴져 나가는 전자기파임이 밝혀졌다. 하지만 빛을 단순히 전자기파로 본다면 냉광이나 광전 효과를 설명할 수 없었다. 빛이 파동이라면 진동수4)와 파장5)을 가질 것이다.
알버트 아인슈타인(알베르트 아인슈타인, Albert Einstein, 1879~1955)은 빛이 파동이긴 하지만 그 에너지가 일정한 단위로 띄엄띄엄 떨어져 있다고 제안했다. 이 제안이 바로 1905년 알버트 아인슈타인이 발표한 빛알 이론으로, ‘양자’라는 것을 가장 잘 보여준다. ‘빛알’은 ‘빛양자’나 ‘광양자’(光量子), 또는 줄여서 ‘광자’(光子)라고 부른다. 

이 이론은 쉽게 말해, 빛의 에너지는 실수가 아니라 자연수로 존재한다는 것이다. 예를 들면 물건을 살 때 100원짜리 동전으로만 살 수 있어, 1,000원짜리 물건을 사는데 100원 동전 10개를 내는 것과 같다. 여기서 동전 하나를 ‘양자’로 볼 수 있으며, 빛의 경우에는 ‘빛양자’ 또는 ‘빛알’이 된다.
빛의 에너지를 ‘빛알’의 개수로 바꿔서 따지게 되면, 그동안 제대로 설명하지 못했던 빛과 관련된 많은 현상들을 설명해 낼 수 있었다. 이러한 아인슈타인의 제안은 매우 혁명적이었지만, 이미 1900년, 그의 스승이었던 독일의 막스 플랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858~1947)가 흑체복사라는 현상을 설명하기 위해 빛알 이론과 직접 통하는 아이디어를 제안한 적이 있었다. 

플랑크의 복사 법칙이라 불리는 이 법칙을 설명하면서 그는 최초로 ‘양자’의 개념을 주장했고, 이는 양자역학의 토대가 된다.
1913년에는 덴마크의 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)가 새로운 원자 모형을 제안했다. 이것은 영국의 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)가 1911년에 제안한 모형에 바탕을 두고 있었다. 러더퍼드의 모형은 마치 태양계처럼 한가운데 원자핵이 있고 그 주위를 전자들이 궤도를 이루면서 회전하는 모형이었다. 

보어는 이 원자 모형이 제대로 작동하기 위해서는 모든 궤도가 허용되는 것이 아니라 띄엄띄엄 떨어진 몇 개의 궤도만 허용 가능하다고 가정해야 함을 주장했다.

31920년대 혁명, 진정한 양자역학 탄생

학자들은 이와 같이 띄엄띄엄 떨어져 있는 특정의 ‘양자’가 몇 개 있는지 세는 식으로 새롭게 힘과 운동의 관계를 밝히려 했다. 하지만 이러한 노력은 1920년대에 들어와 난관에 부딪혔다. 기초적인 아이디어만으로는 설명할 수 없는 새로운 현상들이 속속 발견됐기 때문이다. 

이러한 양자 이론은 네덜란드 물리학자 제이만(Pieter Zeeman, 1865~1943)이 발견한 현상이나 독일의 오토 슈테른(Otto Stern, 1888~1969)과발터 게를라흐(Walther Gerlach, 1889~1979)가 발견한 현상은 전혀 설명할 수 없었다. 수소 다음으로 간단한 원자인 헬륨의 원자 모형도 난항이었다. 이 당시에는 물리학에서 신줏단지처럼 모시고 있는 에너지 보존 법칙을 버려야 할지도 모르는 상황이었다.
이후 물리학자들의 계속된 연구 결과, 양자역학은 초기의 ‘양자’ 가설을 기본으로 삼아 전혀 새로운 역학으로 탄생했다. 1925년 무렵부터 독일의 막스 보른, 베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901~1976), 파울리(Wolfgang Ernst Pauli, 1900~1958), 파스쿠알 요르단(Pascual Jordan, 1902~1980) 등이 행렬이라 부르는 수학 기법을 이용해 기존의 역학과 완전히 다른 새로운 역학을 만들어냈다. 이로써 그동안의 어려움을 모두 극복할 수 있었다. 처음에는 이 역학을 ‘행렬역학’이라 불렀다.
그 뒤 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger, 1887~1961)가 새로운 방정식과 더불어 ‘파동역학’이라고 부르는 새로운 역학을 제안했다. 행렬역학과 파동역학 모두 그동안 난관에 부딪혔던 현상들을 아주 탁월하게 설명해냈다. 여기에 영국의 폴 디랙(Paul Adrian Maurice Dirac, 1902~1984)이 제안한 새로운 이론이 덧붙여졌다. 결국 이 세 가지 모두 같은 역학 이론임이 밝혀졌고, 막스 보른은 이 새로운 역학에 ‘양자역학’이라는 멋진 이름을 붙여주었다.

4파동함수·불확정성 원리 등장- 앎의 한계 지적

양자역학이라는 새 이론은 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론이었다. 학자들은 이 이론을 토대로 점점 더 많은 문제들을 풀어나갔다. 하지만 또 한편으로 이 새로운 이론은 ‘우리가 안다는 것은 도대체 무엇인가’라는 아주 근본적이고 철학적인 문제를 새로 꺼내기 시작했다.



‘불확정성의 원리’를 발표한 하이젠베르크.
<출처: (CC) German Federal Archive>

원자와 관련된 것을 설명하기 위해 양자역학은 ‘파동함수6)’라고도 하고 ‘상태함수’라고도 하는 수학적인 장치를 사용한다. 양자역학이 제안된 초창기부터 많은 물리학자들은 파동함수의 의미를 둘러싸고 논쟁을 벌였다. 이로 인해 파동함수가 정확히 무엇인지 도무지 알 수 없는 상황이 돼 버렸다. 

그전까지 물리학에서는 대체로 수학을 이용해 방정식이나 공식을 만들면, 그 의미를 모두 알고 있다고 생각해 왔다. 물론 세부적으로는 어려운 점도 많았지만, 결코 알 수 없는 것을 방정식이나 공식에 담지는 않았던 것이다. 그런데 양자역학에서는 가장 핵심이 되는 파동함수가 정확히 무엇인지 아무도 제대로 대답할 수 없는 듯 보였다.
게다가 하이젠베르크는 이 양자역학이라는 이론 안에 소위 ‘불확정성 원리7)’가 있음을 밝혔는데, 이 또한 우리가 무엇인가를 안다는 것에 근본적인 한계가 있음을 말해 주었다.
실용적으로 물리현상을 아주 잘 설명해 주는 이론이 있는데, 정작 그 이론은 우리가 안다는 것에 대해 회의적인 관점을 제시하고 있었던 셈이었다. 그보다 불과 100여 년 전에 프랑스의 피에르 라플라스(Pierre Simon de Laplace, 1749~1827)는 물리학을 통해 세상의 모든 것을 다 알 수 있다고 자신했지만, 파동함수와 불확정성 원리의 등장으로 인해 우리가 원자에 대해 무엇을 알고 있는지, 그 개념마저 흔들리기 시작했다.

5보어, 상보성 개념 주장

덴마크의 수도 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크를 중심으로 양자역학의 표준적인 해석을 체계화하려 애쓴 것은 이러한 인식론적인 위기상황 때문이었다. 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라 부른다.
1927년 9월, 연속 전류를 공급해 줄 수 있는 전지를 처음으로 개발한 알레산드로 볼타(Alessandro Giuseppe Antonio Anatasio Volta, 1745~1827)의 서거 100주년을 기념해 이탈리아 코모에서 학술회의가 열렸다. 보어는 “양자 가설과 원자이론의 최근 전개”라는 강연에서 상보성 개념에 기초를 둔 양자역학의 해석을 제안했다. 

그 뒤 열린 브뤼셀 솔베이 회의에서 양자역학의 기초에 관한 논쟁은 매우 뜨거웠다. 보어는 이 논쟁에서 자신이 코모 강연에서 주장했던 상보성 개념8)에 기초를 둔 양자역학의 해석을 당시의 물리학자들이 받아들이게끔 설득하는 데 성공한 것으로 평가된다.



1927년 솔베이 회의에 참석한 물리학자들.

코펜하겐 해석은 대략 다음과 같은 주장으로 이루어져 있다.

첫째, 양자계의 상태는 파동함수로부터 결정되며, 파동함수의 절댓값 제곱은 측정값에 대한 확률밀도함수이다. 

둘째, 모든 물리량은 관측 가능량으로서만 의미를 갖는다. 특히 서로 양립하지 않는 물리량들(예를 들어 위치와 운동량)은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 동시에 원하는 임의의 정확도로 측정값을 정할 수 없다. 

셋째, 양자계는 파동으로써의 속성과 입자로써의 속성을 상보적으로 가지며, 이러한 상보성은 모든 물리적 대상에서 발견된다. 

넷째, 측정의 순간에 ‘파동함수의 오그라듦’이라는 불연속성과 양자도약이 필연적으로 일어난다. 

다섯째, 아인슈타인-포돌스키-로젠의 사고실험과 관련해 양자계는 근원적으로 비분리성 또는 비국소성을 갖는다.



양자역학이 탄생하기까지의 역사와 양자역학이 응용된 사례들.

1964년 미국의 물리학자 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman, 1918~1988)이 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 없다고 말할 정도로, 그 때까지 양자역학의 해석 문제는 악명 높은 문제였다. 

1927년 솔베이 회의에서 벌어졌던 보어와 아인슈타인의 논쟁을 필두로 다양한 대안적 해석들이 제안됐는데, 대표적으로 앙상블 해석, 다세계 해석, 결풀림 해석, 양상 해석, 인과적 해석, 서울 해석 등이 있다. 아직까지도 통일된 해석이 있는 것은 아니지만, 여러 해석들 사이에 점점 더 많은 동의와 의견일치가 이루어져가고 있다.

6나노기술·양자계산...양자역학의 계속되는 혁명

양자역학은 1920년대의 혁명으로 시작됐지만, 그 혁명은 여전히 계속되고 있다. 양자역학을 특수상대성이론과 접목시킨 양자장이론이 기본입자에 대한 이론으로 확립됐고, 21세기의 첨단기술로 불리는 나노기술도 그 근간에는 양자역학의 새로운 혁신들이 깔려 있다. 특히 양자계산의 개념과 이론적인 논의를 토대로 양자컴퓨터를 실험적으로 구현하려는 노력이 활발하게 진행되고 있다.
양자역학은 이제 명실 공히 물리학의 가장 중요한 기둥이 돼 있다. 이를 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘을 밝혔을 뿐만 아니라 나노기술이나 양자계산 등과 같이 새로운 방향의 발전이 이루어지고 있다. 또한 인식론과 같은 철학 분야에서도 큰 역할을 했다. 이제 양자역학은 문학과 예술 분야에 이르기까지 광범위하게 퍼져나가고 있다.
통합검색 검색결과 더보기 

연관정보



양자 다중세계

 



양자암호

 



불확정성의 원리

 



양자 세계의 해석

 



코펜하겐 해석

 



슈뢰딩거 방정식

 



물질파

 



보어의 원자모형

 



빛의 이중성

 



물리량의 양자화

발행일2011. 06. 14.

출처

제공처 정보

물리산책

과학창의재단 외 1인

출처 정보 더보기

본 컨텐츠의 저작권은 저자 또는 제공처에 있으며, 이를 무단 이용하는 경우 저작권법 등에 따라 법적책임을 질 수 있습니다. 외부 저작권자가 제공한 콘텐츠는 네이버의 입장과 다를 수 있습니다.오타 및 잘못된 내용은 제보해 주세요. 수정문의하기

- dc official App

추천 비추천

0

고정닉 0

0

댓글 영역

전체 댓글 0
등록순정렬 기준선택
본문 보기

하단 갤러리 리스트 영역

왼쪽 컨텐츠 영역

갤러리 리스트 영역

갤러리 리스트
번호 제목 글쓴이 작성일 조회 추천
설문 지금 결혼하면 스타 하객 많이 올 것 같은 '인맥왕' 스타는? 운영자 24/10/28 - -
1372353 오우거돈 근황.jpg [6] ㅇㅇ(119.198) 18.12.17 450 7
1372352 롯데 오현택과 구승민, 2019년에는 러닝메이트 될까 [1] 바람돌이갤로그로 이동합니다. 18.12.17 60 0
1372351 장백지 애 낳았노 ㄷㄷㄷ ㅇㅇ(117.111) 18.12.17 86 0
1372349 아 ㅅㅂ 제목낚시 존나 잘하네...매번 낚이노 ㅋㅋ 낫키p갤로그로 이동합니다. 18.12.17 108 0
1372348 오식빵도 얼빠 존나 많을텐데 ㅇㅇ(61.78) 18.12.17 51 0
1372347 이 영화 결말은 뭐냐?.jpg [6] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 301 0
1372346 사직구장 치마 입고가면 위험한 자리 [3] ㅇㅇ(211.106) 18.12.17 345 1
1372345 야구게임 좆구말고 할거없음???????? [3] 에덴의꽃갤로그로 이동합니다. 18.12.17 90 0
1372344 쥐)윾방남의 사생아 척결 ㅇㅇ(110.70) 18.12.17 111 0
1372343 으이그갑 누군데? [2] ㅇㅇ(182.224) 18.12.17 132 0
1372342 국제우주정거장 근황.jpg [4] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 349 0
1372339 유튭에 은퇴코치영상보니까 톰슨 최고구속 156이라는데 [4] ㅇㅇ(117.111) 18.12.17 207 0
1372338 으이그좀 그만해라 ㅇㅇ(125.130) 18.12.17 171 3
1372337 자매덮밥이 현실로..jpg [8] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 597 5
1372336 집에 빛없으면 못사는건 아니지? [3] ㅇㅇ(39.7) 18.12.17 78 0
1372335 이브날 여친이랑 해보려고 처음 샀는데 [4] ㅇㅇ(112.218) 18.12.17 407 1
1372334 탈조선 몸매.jpg [3] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 491 0
1372331 아리혐 인스타 [4] ㅇㅇ(210.113) 18.12.17 408 0
1372330 여우에게 잡아 먹힘.gif ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 287 0
1372329 173 84면 씹파오후이? [3] ㅇㅇ(175.223) 18.12.17 111 0
1372328 아들에 살해된 모친의 마지막 말 "옷 갈아입고 가라" [7] ㅇㅇ(58.234) 18.12.17 230 0
1372327 꼴갤러들아 패션관련 커뮤 어디어디 있냐? ㅇㅇ(110.46) 18.12.17 55 0
1372326 위닝 19 어떰??? [4] ㅇㅇ(222.119) 18.12.17 88 0
1372325 크리스마스 선물이 왔어요! [2] ㅇㅇ(175.223) 18.12.17 260 0
1372322 최근에 오픈한 북한음식점.jpg [1] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 259 0
1372321 더이상 볼수 없는 황다건 레전드.gif ㅇㅇ(112.218) 18.12.17 454 2
1372319 연다연인가 걔신인상주자 졸커던데 [2] ㅇㅇ(110.70) 18.12.17 49 0
1372317 1차지명은 스카우터 뇌가 있으면 이주형이지 [2] ㅇㅇ(223.62) 18.12.17 82 1
1372316 꼴데 꼰머문화 갑.lotte ㅇㅇ(211.201) 18.12.17 217 0
1372315 KBS 연예대상은 이분.... [3] ㅇㅇ(1.243) 18.12.17 288 1
1372314 개꼴데팀분위기가 지나치게 유한이유.gif ㅇㅇ(110.70) 18.12.17 204 0
1372313 올해 드라마 인기있던건 뭐뭐 있었냐?? [1] ㅇㅇ(58.227) 18.12.17 85 0
1372312 농구 조성민은 왜저렇게 망가진거냐 ????? [2] dd(180.228) 18.12.17 113 0
1372311 난 솔직히 강민호가 남아있었더라도 7위했을거 같다 [4] ㅇㅇ(14.55) 18.12.17 155 1
1372310 우리 팀 분위기는 떡잎마을 방범대 같음 ㅇㅇ(223.62) 18.12.17 52 0
1372309 이재곤 코칭하는 구대성 김병현 ㅋㅋㅋ [2] ㅇㅇ(121.183) 18.12.17 310 0
1372308 연예대상 급 ㅈㄴ떨어졌네 무도1박시절이그립다 [1] ㅇㅇ(110.70) 18.12.17 53 0
1372307 꼴데 덕아웃 분위기.jpg ㅇㅇ(223.38) 18.12.17 260 0
1372306 상남자 편의점 사장님.jpg [2] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 274 0
1372305 Mbc는 그래도 박나래 아니냐 [1] 아츄러스갤로그로 이동합니다. 18.12.17 117 0
1372304 작년에 크브스 연기대상도 2월에 한 김과장이 대상 아니냔 ㅇㅇ(58.234) 18.12.17 45 0
1372303 우리동네에서 니퍼트봄ㅋㅋㅋㅋㅋ ㅇㅇ(223.33) 18.12.17 58 0
1372302 이대호가 박세웅에게.gif [1] ㅇㅇ(211.201) 18.12.17 358 2
1372300 양상문와서 제일 좋은게 이명우 방출시킨거 ㅋㅋㅋ dd(180.228) 18.12.17 48 0
1372299 김치년의 원조 만화 여주인공.jpg [5] ㅇㅇ(207.189) 18.12.17 309 3
1372298 내년 씨발이네랑 맞대결 어떨거같나 ㅇㅇ(175.223) 18.12.17 35 0
1372297 연말 가요대전도 mbc말고는 다 별로던데 [3] ㅇㅇ(223.62) 18.12.17 90 0
1372296 이나경 데려오자 [5] ㅇㅇ(119.69) 18.12.17 278 0
1372295 소혜충 이용자메모 등록햇는데 아이피가 한두명이 아니네 ㅇㅇ(210.113) 18.12.17 33 0
1372294 JTBC 연예대상 있었으면 ㅇㅇ(223.62) 18.12.17 56 1
갤러리 내부 검색
제목+내용게시물 정렬 옵션

오른쪽 컨텐츠 영역

실시간 베스트

1/8

뉴스

디시미디어

디시이슈

1/2