양자역학이란 무엇인가?

 

양자역학(量子力學, quantum mechanics)은 무엇일까?

 

이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)으로, Quantenmechanik(크반텐메하닉)이란 이름을 붙였다. 양자역학은 고전역학과 달리 원자의 세계를 주제로 삼는다.

 

원자는 눈에 보이지 않지만 수학적으로 10의 마이너스 10승 크기다. 크기에 감이 오지 않을 것이다. 여기 하나의 동전을 원자라고 보면 동전의 전체크기는 지구의 크기라고 볼 수 있다. 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하며 확률적으로 존재한다.

이것을 '불확정성의 원리'라고 하며 이 결과를 어떻게 이해하는지가 바로 양자역학의 처음과 끝이라고 할 수 있다.

 

원자는 가운데에 원자핵이 있고 주위에 전자가 돌아다닌다.

전자는 음전하를 띠고 있는데 진동하면서전자파 또는 빛이라 부르는 것을 외부에 방출한다.

이 때 원자는 소멸하지 않는 이유는? 원자핵과 전자가 왜 충돌하지 않을까? 고전역학으로는 설명할 수가 없는 질문을 해결하기 위해 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 원자구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 공로로 1922년 노벨물리학상을 수상했다.

 

하지만 리처드 파인만은 “양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람은 나를 포함해 아무도 없다”고 말했다.

 

양자전기역학으로 노벨상 수상자가 이런 말을 할 정도라면 양자역학이 얼마나 난해한지 짐작할 것이다.

슈뢰딩거는 이러한 양자역학을 빗대어 유명한 고양이 실험을 예로 들었다.

“조금 끔찍하지만 이런 가정을 해본다. 방사성 핵과 함께 연결된 망치 아래 독가스가 들어 있는 그릇이 놓여있다, 실험 초기 조건으로 한 시간에 핵이 붕괴할 확률을 50%가 되도록 맞춰놓는다. 그리고 그 안에 고양이를 넣는다. 이 상태에서 우리가 예상할 수 있는 고양이의 미래는 둘 중 하나다 설거나 죽거나” 반은 죽고 반은 산다는 확률만이 있고 증간은 존재할 수 없다. 확률로만 존재하는 세계가 가당키나 한 것인가?

 

‘양자(量子)’란 영어의 quantum으로 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학(力學)’은 ‘힘의 학문’으로 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론이다.‘힘과 운동’의 이론이다.

 

덴마크의 수도 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크를 중심으로 양자역학의 표준적인 해석을 체계화하려 애썼다. 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라 부른다.

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.

 

모든 물리학자가 코펜하겐 해석을 동의하지 않는다. 물리학은 한사람씩 과학의 예측가능성을 거수로 표결해야 하는 시대가 되었다,

 

양자역학이 주는 가장 큰 교훈은 늘 의심해야 한다.

세상은 내가 관찰하는 '주관적 사실'이 나 자신에게는 '객관적 현실'로 변화한다는 것이다.

알파고와 이세돌의 바둑 경기 중 알파고가 둔 수를 바둑 기사들은 전혀 이해하지 못 하겠다고 한다. 세월호 참사 때도 합리적 의심을 제기했지만 비합리적 비과학적 상황을 설명할 수 없었다.

 

솔직히 양자역학은 어렵고 이해가 되지 않는다.

아인슈타인은 말했다. “우리가 달을 못 보았다고 해서 달이 없었던 것인가? ”

우리가 미시세계를 보지 못하였다고 해서 그 전까지 양자역학이 없었던 것은 아니다.

우주는 탄생되기 전에는 하나의 점이었고 이것이 폭발하면서 빅뱅이 일어난 것으로 유추하기도 한다.

 

아무도 가 본적 없는 양자속에 발을 딛는 것 자체가 미스터리이다.

인간의 직관으로 이해할 수 있는 시대는 지나갔고 모든 과학이 양자역학 없이 존재할 수 없다는 사실 한 가지만 알아도 양자역학의 아주 작은 겉 부분을 알게 되었다는 안도의 숨을 쉴 뿐이다.

 

양자역학이란 무엇인가?

 

양자역학(量子力學, quantum mechanics)은 무엇일까?

 

이 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)으로, Quantenmechanik(크반텐메하닉)이란 이름을 붙였다. 양자역학은 고전역학과 달리 원자의 세계를 주제로 삼는다.

 

원자는 눈에 보이지 않지만 수학적으로 10의 마이너스 10승 크기다. 크기에 감이 오지 않을 것이다. 여기 하나의 동전을 원자라고 보면 동전의 전체크기는 지구의 크기라고 볼 수 있다. 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하며 확률적으로 존재한다.

이것을 '불확정성의 원리'라고 하며 이 결과를 어떻게 이해하는지가 바로 양자역학의 처음과 끝이라고 할 수 있다.

 

원자는 가운데에 원자핵이 있고 주위에 전자가 돌아다닌다.

전자는 음전하를 띠고 있는데 진동하면서전자파 또는 빛이라 부르는 것을 외부에 방출한다.

이 때 원자는 소멸하지 않는 이유는? 원자핵과 전자가 왜 충돌하지 않을까? 고전역학으로는 설명할 수가 없는 질문을 해결하기 위해 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 원자구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 공로로 1922년 노벨물리학상을 수상했다.

 

하지만 리처드 파인만은 “양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람은 나를 포함해 아무도 없다”고 말했다.

 

양자전기역학으로 노벨상 수상자가 이런 말을 할 정도라면 양자역학이 얼마나 난해한지 짐작할 것이다.

슈뢰딩거는 이러한 양자역학을 빗대어 유명한 고양이 실험을 예로 들었다.

“조금 끔찍하지만 이런 가정을 해본다. 방사성 핵과 함께 연결된 망치 아래 독가스가 들어 있는 그릇이 놓여있다, 실험 초기 조건으로 한 시간에 핵이 붕괴할 확률을 50%가 되도록 맞춰놓는다. 그리고 그 안에 고양이를 넣는다. 이 상태에서 우리가 예상할 수 있는 고양이의 미래는 둘 중 하나다 설거나 죽거나” 반은 죽고 반은 산다는 확률만이 있고 증간은 존재할 수 없다. 확률로만 존재하는 세계가 가당키나 한 것인가?

 

‘양자(量子)’란 영어의 quantum으로 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학(力學)’은 ‘힘의 학문’으로 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론이다.‘힘과 운동’의 이론이다.

 

덴마크의 수도 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크를 중심으로 양자역학의 표준적인 해석을 체계화하려 애썼다. 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라 부른다.

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.

 

모든 물리학자가 코펜하겐 해석을 동의하지 않는다. 물리학은 한사람씩 과학의 예측가능성을 거수로 표결해야 하는 시대가 되었다,

 

양자역학이 주는 가장 큰 교훈은 늘 의심해야 한다.

세상은 내가 관찰하는 '주관적 사실'이 나 자신에게는 '객관적 현실'로 변화한다는 것이다.

알파고와 이세돌의 바둑 경기 중 알파고가 둔 수를 바둑 기사들은 전혀 이해하지 못 하겠다고 한다. 세월호 참사 때도 합리적 의심을 제기했지만 비합리적 비과학적 상황을 설명할 수 없었다.

 

솔직히 양자역학은 어렵고 이해가 되지 않는다.

아인슈타인은 말했다. “우리가 달을 못 보았다고 해서 달이 없었던 것인가? ”

우리가 미시세계를 보지 못하였다고 해서 그 전까지 양자역학이 없었던 것은 아니다.

우주는 탄생되기 전에는 하나의 점이었고 이것이 폭발하면서 빅뱅이 일어난 것으로 유추하기도 한다.

 

아무도 가 본적 없는 양자속에 발을 딛는 것 자체가 미스터리이다.

인간의 직관으로 이해할 수 있는 시대는 지나갔고 모든 과학이 양자역학 없이 존재할 수 없다는 사실 한 가지만 알아도 양자역학의 아주 작은 겉 부분을 알게 되었다는 안도의 숨을 쉴 뿐이다.