양자역학에 대한 모든 것

양자역학과 고전 물리학의 차이

양자역학은 매우 작은 것에 관련된 물리학의 한 분야로 원자와 전자, 광자, 분자 및 하위 분자 영역에 해당하는 거의 모든 입자의 동작을 설명합니다. 20세기 전반기에 걸쳐 개발된 양자역학에서는 종종 극도로 이상하고 직관에 반하는 결과가 나타났습니다.

 

고전 역학의 많은 방정식은 원자와 전자 규모에서 일상적인 크기와 속도 아래 사물의 움직임과 상호 작용을 설명했지만, 더 이상 유용하지 않게 됐습니다. 고전 역학에서 물체는 특정한 시간과 특정한 장소에 존재합니다. 이와 달리 양자역학에서는 물체가 확률의 안갯속에 존재합니다. 이 물체들은 A 지점에 있을 특정 기회가 있으며 이와 동시에 B 지점 등에 있을 또 다른 기회들이 있습니다.

 

양자역학의 개발 시점

양자역학은 고전 역학의 수학으로는 설명할 수 없는 실험과 논란의 여지가 있는 일련의 수학적 설명으로 시작했습니다. 수십 년에 걸쳐 발전한 양자역학은 지난 20세기 초 시작됐으며, 비슷한 시기 알베르트 아인슈타인은 상대성 이론을 발표했습니다. 물리학의 별도 혁명이라 불리는 상대성 이론은 사물의 빠른 속도 운동을 설명합니다.

 

그러나 양자역학의 기원은 상대성 이론과는 달리 한 명의 과학자에게 귀속될 수 없습니다. 1800년대 후반에서 1930년 사이, 여러 과학자들은 수용과 실험적 검증을 얻으면서 점진적으로 기반을 다졌습니다. 1900년 독일의 물리학자 막스 플랑크는 화씨 1,470도(섭씨 800도)의 전구 필라멘트와 같은 특정 온도의 물체가 특정 색상으로 빛나는 이유를 설명하고자 했습니다.

 

플랑크는 물리학자 루트비히 볼츠만이 가스의 거동을 설명하기 위해 사용한 방정식이 온도와 색상 사이의 관계에 대한 설명으로 해석될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 문제는 볼츠만의 연구가 "주어진 모든 가스는 작은 입자로 만들어졌다"라는 사실에 의존했다는 것, 이는 빛 역시 개별 비트로 만들어졌다는 의미입니다.

 

당시 이 아이디어는 빛이 작은 덩어리가 아니라 연속적인 파동이라고 믿었던 대부분 물리학자들과의 정면충돌을 불렀습니다. 실제로 플랑크 자신은 원자나 개별적인 빛의 조각을 믿지 않았지만, 1905년 아인슈타인이 '빛의 방출과 변형에 대한 발견적 관점에 관하여'라는 논문을 발표하면서 그의 개념은 더욱 힘을 얻었습니다.

 

아인슈타인은 빛이 파동이 아니라 일종의 에너지 양자로 이동하는 것을 상상했습니다. 아인슈타인은 논문을 통해 "이 에너지 묶음은 특히 원자가 양자화된 진동 속도 사이를 점프할 때 전체적으로만 흡수되거나 생성될 수 있다"라고 주장했습니다. 이것이 바로 양자역학에서 양자 부분이 나오는 곳입니다. 아인슈타인은 빛을 이해하는 이 새로운 방법으로 플랑크에게 전구 필라멘트에서 방출되는 특정 색상 및 9가지 현상의 동작에 대한 통찰력을 제공했습니다. 이 방법은 광전 효과라고 알려진 현상, 즉 특정 색상의 빛이 어떻게 금속 표면에서 전자를 방출할 수 있는지에 대해서도 설명했습니다.

 

파동-입자 이중성이란

양자역학에서 입자는 파동으로 존재할 수도 있고 입자로 존재할 수도 있는데 이것은 이중 슬릿 실험에서 볼 수 있습니다. 실험에서 전자와 같은 입자는 두 개의 슬릿이 절단된 보드에 발사되고, 그 뒤에는 전자가 부딪힐 때 빛이 나는 스크린이 있습니다. 과학자들은 "전자가 입자라면 슬릿 중 하나를 통과한 후 화면에 충돌한 곳에 두 개의 밝은 선이 생성될 것"이라고 부연했습니다.

 

관련 연구원은 "대신 실험을 하면 화면에 간섭무늬가 생긴다. 어둡고 밝은 띠의 패턴은 전자가 서로 간섭할 수 있는 최고점과 최저점이 있는 파동인 경우에만 의미가 있다"라고 설명에 나섰습니다. 이어 그는 "한 번에 하나의 전자가 슬릿을 통해 발사되더라도 간섭 패턴이 나타나는데 이는 단일 전자가 자신을 간섭하는 것과 유사한 효과"라고 덧붙였습니다.

 

지난 1924년 프랑스 물리학자 루이 드 브로이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론 방정식을 사용해 입자가 파동과 같은 특성을 나타낼 수 있고 파동이 입자와 같은 특성을 나타낼 수 있음을 증명했습니다. 이 발견으로 브로이는 몇 년 후 노벨상을 수상했습니다.

 

양자역학과 원자의 설명 1910년대 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 양자역학을 이용해 원자의 내부 구조를 설명하고자 했습니다. 이 시점에서 원자는 작고 가벼우면서 음전하를 띤 전자 떼로 둘러싸인, 무겁고 밀도가 높으며 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있다는 것이 알려졌습니다. 미리 정의된 특정 궤도 거리만 가질 수 있다는 점을 배제한 보어는 아원자 태양계의 행성처럼 핵 주위의 궤도에 전자를 넣었습니다. 원자는 한 궤도에서 다른 궤도로 점프함으로써 양자 특성을 반영하는 특정 에너지의 방사선을 수신하거나 방출할 수 있습니다. 얼마 지나지 않아 독립적으로 연구하고 별도의 수학적 사고방식을 사용한 두 명의 과학자는 원자에 대한 보다 완전해진 양자 그림을 만들었습니다.

 

독일에서는 물리학자 베르너 카를 하이젠베르크가 행렬 역학을 개발해 이를 달성했으며, 오스트리아-아일랜드 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 파동 역학이라는 유사한 이론을 개발했습니다. 슈뢰딩거는 1926년에 이 두 가지 접근법이 동일하다는 것을 보여주었습니다. 하이젠베르크-슈뢰딩거 모델에서 원자는 각 전자가 원자핵 주위에서 파동으로 작용했고, 이것은 이전의 보어 모델을 대체했습니다. 하이젠베르크-슈뢰딩거의 원자 모델에서 전자는 파동 함수를 따르며 '궤도가 아닌 궤도'를 차지합니다. 화학자 짐 클라크는 "보어 모델의 원형 궤도와 달리 원자 궤도는 구에서 아령, 데이지에 이르기까지 다양한 모양을 가지고 있다"라고 설명을 추가했습니다.

 

슈뢰딩거 고양이의 역설

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 초기 개발자 중 일부가 그 결과에 대해 가졌던 불안감을 설명하는 사고 실험으로 종종 오해에 휩싸이기도 합니다. 입자가 관찰되기 전까지 보어와 그의 많은 학생들은 "입자가 잘 정의된 특성을 갖지 않는다"라는 양자역학의 제안을 믿었지만, 슈뢰딩거와 아인슈타인은 이러한 가능성을 믿을 수 없었습니다. 그렇게 하면 현실의 본질에 대해 터무니없는 결론을 내릴 것이기 때문, 결국 1935년 슈뢰딩거는 고양이가 없는 고양이 실험을 제안했습니다. 이 실험은 "고양이의 삶과 죽음이 상자가 열릴 때까지 그 상태가 보이지 않는 양자 입자의 무작위 뒤집기에 달려 있다"라는 내용이었습니다.

 

슈뢰딩거는 양자 입자의 확률적 특성에 의존하지만 무의미한 결과를 낳는 실제 사례를 통해 보어 아이디어의 부조리함을 보여주고자 했습니다. 보어의 양자역학 해석에 따르면, 상자가 열리기 전까지 고양이는 살아 있으면서도 죽어 있는 불가능한 이중적 위치에 존재했습니다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 이것이 양자역학이 불완전한 이론이며, 결국 일반적인 경험에 따른 이론으로 대체될 것임을 보여주는 데 도움이 된다고 믿었습니다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 완전하게 헤아릴 수 없는 양자역학의 또 다른 이상한 결과를 강조하는 데 도움을 줬습니다.

 

같은 해 아인슈타인은 물리학자 보리스 포돌스키, 네이선 로젠과 함께 두 개의 양자 입자가 설정되어 양자 상태가 항상 서로 연관될 수 있음을 증명했습니다. 본질적으로 입자들은 항상 서로의 속성에 대해 알고 있었으며 이는 결국 한 입자의 상태를 측정하면 얼마나 멀리 떨어져 있는지와는 관계없이 쌍둥이 입자의 상태를 즉시 알 수 있다 의미입니다. 아인슈타인은 이 결과를 "원거리에서의 으스스한 작용"이라 불렀으나 슈뢰딩거는 얽힘이라고 칭했습니다. 얽힘은 양자역학의 가장 필수적인 측면 중 하나로 현실 세계에서 항상 발생합니다. 연구자들은 양자 얽힘을 이용한 실험을 자주 수행하며, 이 현상은 신흥 분야인 양자 컴퓨팅의 기반이 됩니다.

 

양자역학과 일반 상대성 이론의 양립

현재 물리학자들은 흔히 만물 이론이라고 불리는, 우주에서 관찰되는 모든 입자와 힘에 대한 완전한 설명이 부족합니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 크고 거대한 것을 설명하는 반면, 양자역학은 작고 실체가 없는 것을 설명합니다. 두 이론이 정확히 양립할 수 없는 것은 아니지만, 둘을 어떻게 합칠 수 있는지 아는 사람은 여전히 없습니다. 많은 연구자는 양자역학에 중력을 도입하고 아원자 영역에서 초은하 영역까지 모든 것을 설명할 양자 중력 이론을 추구해 왔습니다.

 

중력자라고 불리는 중력에 대한 가상 양자 입자를 발명하는 등 이를 수행하는 방법에 대한 많은 제안이 있지만, 지금까지 우리 우주의 물체에 대한 모든 관찰을 충족시킬 수 있는 단일 이론은 없습니다. 끈 이론은 또 다른 대중적인 제안으로 가장 근본적인 실체가 여러 차원에서 진동하는 작은 끈이라고 가정합니다. 하지만 이에 유리한 증거는 거의 발견되지 않았기 때문에 물리학자들 사이에서 덜 받아들여졌고, 또 다른 연구자들 역시 시간과 공간이 별개의 작은 덩어리로 나타나는 고리 양자 중력과 관련된 이론을 연구했지만 지금까지 물리학계에 어떠한 주요 영향력도 주지 못했습니다.