양자물리학

양자물리학

양자 물리학이란 어떤 학문일까? 반도체로 노트북, 스마트폰이 만들어지듯 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리가 된다고 합니다. 우리 생활에 많은 영향을 끼치고 있는 이러한 기술의 이론적 바탕이 되는 양자물리학에 대해서 좀 더 깊이 알아보도록 하겠습니다.

1. 양자역학이란?

양자역학이란 용어를 처음 만든 사람은 독일의 물리학자 막스 보른(1882~1970)입니다. 양자역학이란 '양자'와'역학'을 합성한 말인데 '양자'는 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이며, '역학'이란 힘의 학문이란 뜻으로 이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론을 말합니다. 한마디로 말하면 '힘의 운동'이론입니다.

2. 아인슈타인 빛알 이론

알버트 아인슈타인은 빛은 파동이지만 그 에너지가 일정한 단위로 띄엄띄엄 떨어져 있다고 제안했습니다, 하지만 이 제안은 1905년 아인슈타인이 발표한 빛알 이론으로 '양자'라는 것을 가장 잘 보여 주는 '빛알'은 '빛 양자'나 '광양자'를 줄여서'광자'라고 부릅니다. 예를 들어보면 물건을 살 때 100원짜리 동전으로만 살 수 있어, 천 원짜리 물건을 사는데 100원 동전 10개를 내는 것과 같습니다. 동전 하나를 '양자'로 볼 수 있으며, 빛의 경우에는 '빛 양자' 또는 '빛알'이 됩니다.

3. 보어의 원자 모형

1913년 덴마크의 닐스 보어가 새로운 원자 모형을 제안합니다. 영국의 어니스트 러더퍼드가 1911년에 제안한 모형을 두고 리더 퍼드의 모형은 마치 태양계처럼 한가운데 원자핵이 있고 그 주위를 전자들이 궤도를 이루면서 회전하는 모형이었습니다. 보어는 이 원자 모형이 제대로 작동하기 위해서는 모든 궤도가 허용되는 것이 아니라 띄엄띄엄 떨어진 몇 개의 궤도만 허용 가능하다고 가정해야 한다고 주장했습니다.

4. 양자역학의 탄생

물리학자들의 계속된 노력 결과, 양자역학은 초기의 '양자' 가설을 기본으로 삼아 새로운 역학을 탄생시켰습니다. 1925년 독일의 막스 보른, 베르너 하이젠베르크, 파울리, 파스쿠알 요르단 등이 행렬이라 부르는 수학 기법을 이용해 기존의 역학과 다른 새로운 역학을 만들었습니다. 이 역학을 '행렬 역학'이라고 불렀습니다. 그 이후 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 새로운 방정식과 더불어 '파동역학'이라는 새로운 역학을 제안했습니다. 영국의 폴 디랙도 새로운 이론을 덧붙여서  이 모두가 같은 역학 이론임을 밝였습니다.  막스 보른이 이 역학에 '양자역학'이라 이름을 붙였습니다.

5. 보어, 상보성 개념

덴마크 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크를 중심으로 양자역학의 표준적인 해석을 체계화하면서 이러한 인식론적인 위기상황 때문에 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라 부르게 됩니다. 

5-1 코펜하겐 해석

(1) 양자계의 상태는 파동 함수로부터 결정되며, 파동 함수의 절댓값 제곱은 축정 값에 대한 확률 밀도 함수입니다.

(2) 모든 물리량은 관측 가능량으로서만 의미를 갖으며 특히 서로 양립하지 않는 물리량들은 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 동시에 원하는 임의의 정확도로 측정값을 정할 수 있습니다.

(3) 양자계는 파동으로써의 속성과 입자로써의 속성을 상보적으로 가지며, 이러한 상보성은 모든 물리적 대상에서 발견됩니다.

(4) 측정의 순간에 '파동 함수의 오그라듦'이라는 불연속성과 양자 도약이 필연적으로 일어납니다.

(5) 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 사고 실험과 관련해 양자계는 근원적으로 비 분리성 또는 비국소성을 갖습니다.

1964년 미국의 물리학자 리처드 파인만이 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 없다고 말할 정도로 그때까지 양자역학의 해석 문제는 어려운 문제였습니다. 1927년 솔베이 회의에서 벌어졌던 보어와 아인슈타인의 논쟁을 필두로 다양한 대안적 해석들이 제안되었지만 아직까지 통일된 해석은 아니지만 점점 더 많은 동의와 의견 일치가 이루어지고 있습니다.

6. 양자역학의 혁명

양자역학은 물리학의 가장 중요한 기둥이 되었으며 이를 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘을 밝혔으며 나노기술이나 양자 계산 등과 같이 새로운 방향의 발전이 이루어지고 있습니다. 또한 인식론과 같은 철학 분야에도 큰 역할을 하였으며 이제 양자역학은 문학과 예술 분야에 이르기까지 광범위하게 퍼지고 있습니다.