어렵다고 느껴질수 있는 양자역학에 대하여 누구나 이해하기 쉽도록
‘양자역학 한방 이해’이라는 주제로 이야기 나눠볼까한다.
글의 내용이 길어질 수 있으므로 주제를 나누어 순차적으로 업로드 할 예정이다.
첫번재 글의 주제는 ‘고전물리학과 양자물리학’으로 그 둘의 차이를 먼저 이해하고 양자의 세계로 들어가 보자.
1. 들어가는 글
역사적으로 자연에 존재하는 다양한 힘을 이해하고 그 원리를 이해하는 것이 물리학자의 숙제였다.
과거 뉴턴으로 대표되는 고전물리학에서 부터 아인슈타인의 상대성이론 그리고 미시세계의 원리를 이해하고자 탄생한 양자역학에 이르기 까지 역사는 수많은 이론을 만들어내며 세상을 이해하는데 한발짝 다가서고 있다.
또한 서로 모순적일 것만 같았던 원리들이 시대를 거듭할 수록 하나라는 것이 증명되면서 이 모든 것을 통합하려는 움직임이 활발히 이루어 지고 있다.
이번 글에서 다룰 분야는 수많은 물리학 이론 중 ‘양자역학’과 관련된 부분이다.
먼저 고전물리학과 양자물리학을 비교하여 이해를 돕고자 한다.
2. 고전물리학과 양자물리학
1) 고전물리학
고전물리학은 우리가 일상적으로 살아가는 현실에서 자연스럽게 느끼고 있는 원리라고 생각하면 이해하기 쉽다. 쉽게 말해 우리가 인지하는 눈에 보이는 세계에 적용되는 원리이다.
뉴턴이 떨어지는 사과에서 중력을 발견했듯이 지구에서는 모든 물체는 위에서 아래로 떨어진다.
질량이 큰 물건일수록 강한 힘을 지니며, 가속도가 빠를 수록 힘이 증가한다.
이 기본 원칙을 알면 사물의 위치의 예측도 가능하다.
예를 들어 기차를 타고 서울에서 부산까지 도착하는데 몇 시간이 걸리는지, 특정 위치에서 공을 떨어뜨리면 몇 초 후에 바닥에 닿을 수 있는지 등을 쉽게 계산할 수 있다.
뉴턴의 논리로 대표되는 고전물리학은 힘과, 속도, 가속도, 위치 등으로 사물은 충분히 측정 가능하고 예측 가능하며 연속적이라는 것이 전제로 깔려있다.
2) 양자물리학
양자물리학의 세계는 원자단위의 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계에 적용되는 원리이다.
위대한 질문은 때로는 세상을 바꾸는 계기를 마련하기도 한다.
뉴턴이 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 이끌어내고, 아인슈타인이 빛과 속도, 공간의 상관 관계에 대한 질문으로 상대성 이론을 탄생시켰다.
양자역학도 만찬가지이다.
양자역학은 처음에 ‘빛은 입자인가? 파동인가?’라는 질문을 계기로 태동하기 시작했다.
그것이 발전하여 양자세계에 대한 위대한 탐험이 시작되었는데 결과는 놀라웠다.
원자 단위의 양자역학의 세계에서는 일반적으로 생각하는 우리의 상식을 완전히 벗어났기 때문이다.
눈에 보이는 거시세계에서 위치, 속도를 알면 다음 상황을 예측하는 것이 가능하지만 양자의 세계에서는 불가능했기 때문이다.
예를 들어 빛이 관측되기 전에는 파동으로 보이다가 관측이 되면 입자로 바뀐다.
즉 관측이 되기 전까지는 A 일수도 B 일수도 있는 중첩상태로 존재한다는 말이다.
또한 전자는 연속적으로 움직이는 것이 아니라 불연속적으로 순간이동하며 움직인다.
위 그림에서 알 수 있듯이 원자는 원자핵과 전자로 구성되며 원자핵 주변으로 전자가 가 돌고 있다.
눈에 보이는 세계와는 보이지 않는 전자세계에서 전자의 공전 궤도는 이미 정해져 있고
에너지를 받아 움직인다고 하더라도 이미 정해진 다른 궤도로 점프하며 변화한다.
이러한 비현실적일 것 같은 미시세계의 원리를 설명하기 위해 양자역학이 탄생하였다.
3. 양자역학 한방 이해
1) 불연속성
아래의 계단 모형에서 보듯이 거시세계에서 연속적으로 보이는 것들이 미시세계는 그렇지 않다.
전자가 이동할 때 순간이동하듯이 점프하며 계단의 아래층을 내려간다.
중간지점이 없다는 말이다. 이것을 ‘불연속성’, 다른말로 ‘양자도약’이라고도 한다.
미시세계의 불연속성에 대한 이해는 우리가 보고 있는 모니터 화면을 생각하면 된다.
모니터 화면은 연결된 하나의 그림처럼 보이지만 사실 조금만 확대해보면 수많은 점들의 연속임을 알 수 있다.
그 점이 우리가 알 수 없을 정도로 정교해지면 연속적으로 보이게 되나 실제는 그렇지 않다.
우리의 현실도 마찬가지이다. 사물의 이미지가 선명하고 연속적으로 보이나 조금만 확대해서 보면 수많은 원자들의 집합인 것이다.
사실 원자는 원자핵이 있고 전자가 핵 주변을 회전하여 돌고 있는 상태로 중간은 텅 비어 있다. 원자 주변을 돌고 있는 전자의 전자기력에 의해 꽉 차 있다고 느낄 뿐이다.
2) 양자중첩
우리가 일상 속에 기차나 버스의 도착 시간을 예측할 수 있는 것처럼 고전 물리학에서는 모든 사물을 예측 가능 영역으로 바라본다.
하지만 미시세계에서는 이러한 법칙이 통하지 않는다. 전자가 너무 작기 때문에 우리가 전자의 위치와 운동량을 관찰하려고 하면, 관찰하려는 행위가 대상에 영향을 주어 측정이 부정확해 진다.
따라서 미시세계에서는 관찰하려는 순간 그 위치가 결정될 뿐 그 전까지는 어디에 떨어질지 확률만 알 수 있을 뿐이다.
쉽게 말해 관찰자의 관찰 행동 및 수단이 미세하지만 원자의 단위에서는 엄청난 불확실성을 주므로 관찰하고 나서야 그 위치가 확정되는 것이다.
이 때문에 물체의 속도를 알면 위치를 알 수 없고 위치를 알면 속도를 알 수 없다.
이는 관측 장비의 한계가 아니라 입자 자체가 가지는 본질적 성질로 밝혀졌다.
이렇게 양자의 세계는 불확실성과 여러가지 가능성을 동시에 가지는 이중성을 가지고 있는데 이를 ‘양자중첩’이라고 한다.
위 사진은 1927년 양자물리학 관련 제 5차 솔베이 회의 때 참석한 물리학자 사진이다.
참석한 물리학자 29명 중 무려 18명이 노벨상 수상자로 알려져있다.
이 회의에서 불확정성에 대한 아인슈타인과 닐슨 보어의 담화가 탄생하였다.
아인슈타인 : “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”
닐슨 보어 : “신이 주사위 놀이를 하든 말든 당신이 상관할 바 아니다”
결과는 보어의 승리.
원자 세계는 관측 전에는 빛이 파동인지 입자인지,
그 위치가 어디인지 정확히 맞추는 것은 불가능하며 중첩상태로 존재한다.
3) 양자얽힘
양자얽힘이란 양자들이 서로 얽혀 있던 상태에서 한쪽의 상태가 결정되면 다른 한쪽의 상태를 바로 알 수 있다는 개념이다.
이는 아인슈타인이 양자역학의 개념을 부정하고자 만든 원리에서 출발한다.
예를 들어 사과와 바나나가 들어있는 두 상자가 있다고 가정하자.
불확정성 원리에 따르면 양자는 관측 전에는 그 상태가 사과인지 바나나인지 알 수 없고 바나나일 수도 사과일 수도 있는 중첩 상태에 있다.
이런 중첩 상태에서 상자를 수만광년 무한히 거리를 떨어트려 놓더라도 양자중첩에 의해 한쪽 상자의 과일을 관찰하면 자연히 반대편 상자의 과일이 무엇인지 알 수 있다.
이 둘은 엄청나게 먼 거리에 놓여 있음에도 반대쪽 과일이 무엇인지 알 수 있는 정보 전달이 광속보다 빠르게 일어나게 된다.
이는 아인슈타인이 말한 빛보다 빠른 존재는 없다라는 원리에 위배된다.
하지만 이 불가능해 보이는 원격 작용은 실제 빛보다 빠르다는 것이 밝혀졌다.
양자얽힘 현상은 이미 위대한 물리학자인 ‘알랭 아스페’, ‘존 클라우저’, 안톤 차일링거’에 의해 증명되었다.
세 명의 물리학자는 처음으로 물리적인 시스템에서 얽힘이라는 상태가 존재한다는 사실을 실험적으로 밝혀내며 2022년 노벨물리학상을 공동 수상 하였다.
이처럼 미시세계에서는 거시세계에서 일어날 수 없는 믿기 힘든 일들이 일어나고 있는 것이다.
4. 마무리
양자 역학은 현재 많은 발전을 이루어 실생활에 사용하고 있다.
우리가 사용하고 있는 전자기기 즉 컴퓨터나 스마트폰 등은 양자역학이 아니면 만들어 질 수 없는 것들이다.
반도체, 레이저 기술, 디스플레이 기술 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
또한 양자 얽힘에 대한 증명은 양자컴퓨터, 양자암호, 양자통신 등의 초석이 되게 하였다.
하지만 양자역학은 아직 현실화 시키기에 많은 시간이 필요하며 여전히 이론과 가정에 바탕을 두고 있다는 것을 알아야 한다.
양자의 세계에 대해 이해하면서 놀라운 사실 하나를 발견하였다.
고전 물리학의 세계보다 양자의 세계가 우리의 삶과 매우 닮아 있다는 것이다.
우리의 인생은 사실 한치 앞도 예측할 수 없으며 불확실성으로 가득하다.
그리고 중첩 상태에 있는 무한한 가능성을 가진 인간이 집단의 인식에 의해 특정 고정관념이나 이데올로기에 사로잡혀 정해진 대로 살기도 한다.
양자 역학의 발전과 함께 개인의 삶과 인류의 미래가 어떻게 될지 다시금 생각해보게 된다.