[서평/양자역학은 처음이지? ]

양자역학은 처음이지? ㅣ 과학이 꼭 어려운 건 아니야 2
곽영직 지음 / 북멘토(도서출판) / 2020년 3월

과학의 근간은 이루는 것은 물질인가?  에서부터 고대로부터 출발된 물질 과 정신 , 정신은 그대로 신의 이야기가 되어 종교적인 출발점이 되었고 , 물질은 현상 세계를 규명하는 우리가 존재하는 이유에서부터 , 탄생 하기 전의 시간과 공간에 대해서도 인류는 알고 싶어 했고 부단한 노력과 발견과 학습적인 측정 기구의 발명으로부터  미세 세계까지도 탐구할 수 있는 경지에 이르렀다..  우주에서 가장 큰 것과 가장 작은 것은 무엇일까라는 물음을 화두로 던 지면서 그중 가장 작은 것 원자와 물질 구성이 더욱 작게 쪼게 지는 양지론에 관한 것으로 이글 주제는 시작된다. 

일단 인간의 육안으로 관측 가능한 미립자의 세계는 한정되어 있고 나노 수준 ( 10m^-9)까지 가지 않더라도 마이크론 ( 일백만 분의 일 미터 크기) 조차도 눈에 보이질 않는다, 현대 과학의 발명으로 배률이 좋아진 현미경으로 1000배 10만까지 이상을 본다고 하여도 아직 미립자의 세계를 관측하기에는 이르다. 

우선 미립자의 사이즈와 물질을 구성하는 분자나 원자의 형태는 어떠할까 , 일상적인 상식으로 자연계에서 일어나는 일들은 아날로그 혹은 선형적인 방식으로 항상 연속성이 있어 왔다. 산에서 내려오는 물줄기가 그렇고 , 태양에서 내리쬐는 햇볕이 그러하고 , 대기 속의 연기의 흩어짐도 연속적인 운동으로 보인다. 

그러나 미세 운동 구조로 들어가면 한 개의 알갱이인 원자나 미립자는 위치에너지에 따른 궤도를 돌고 있는 전자와 원자핵으로 구성되며, 더 나아가 쉬뢰딩거 불확정성 원리에 의한 양자론에 의하면 그 부분도 또한 그렇게 발견될 확률에 기인한다라는 양자 파동론이 있다.  원자의 볼츠만 상수와 분리를 발견하고 입증해낸 아인슈타인조차도 신은 주사위 놀이를 하지 않는 다라라는 명제로 자신이 주장한 원자의 입자와 파동론을 동시에 받아들이면서도 , 슈레딩거의 불확정성의 원리에는 어느 정도는 거리를 두게 되었다. 

다시 뉴턴 시대의 만유인력의 발견으로 돌아가면 ,  미립자의 세계에도 , 우주에서 작용하는 그러한 중력의 힘이 작용할까라는 과학자들의 궁금증은 끊이질 않았고  19세기 이후 20세기 들어서야 어느 정도 미립자의 운동성에는 일반 대기와는 다른 작용을 한다라는 것이 밝여 지게 되었다. 

이론 물리학을 공부하는 과학자나 실험을 위주로 하는 과하자 이던 간에 두 축이 만나는 점이 분명 헤야 논거로서의 가치가 있다.  

다시 원자로 돌아가면 아래와 같은 구성이 된다.

물질을 구성하는 입자 : 출처 ; 학습백과 zum                              

1. 원자는 원자핵과 그 주변을 도는 전자로 구성 → 원자핵은 전자에 비해 매우 무거워서 원자 질량의 거의 대부분을 차지한다.

2. 원자핵은 양전하, 전자는 음전하를 띠며 양쪽 전하량이 같아서 원자는 전기적으로 중성이다.

3. 원소의 종류마다 원자핵의 질량과 전자의 개수가 다르다.

그리고 현제까지의 과학으로 밝혀낸 우주의 4가지 기본 힘과 역학은 은 아래와 같다. 

1. 강한 핵력(강력)

양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 이루고, 쿼크를 묶어 핵자를 이루게 하는 힘. 짧은 거리에서 작용하고 매우 강하다.

2. 전자기력

전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘. 원자, 분자, 화학 결합을 이루게 하는 힘이다.

3. 약한 핵력(약력)

쿼크와 렙톤 사이의 붕괴와 포획에 관계된 힘. 짧은 거리에서 작용한다.

4. 중력

질량이 있는 물체들 사이에 작용하는 힘. 4가지 힘 중 가장 약하지만 가장 멀리까지 영향을 미치며 인력으로만 작용한다. 행성, 태양계, 은하계를 이루는 힘이다.

원자 모형은 위와 같이 변천되어 왔음. 러더퍼드는 a입자 산란 실험을 통해 원자핵을 발견하고 전자가 행성처럼 원자핵 주위를 돈다고 생각하였다. 그러나 아래와 같은 러더퍼드 원자 모형의 한계점 때문에 보어는 원자 내에 에너지를 방출하지 않고 안정하게 회전할 수 있는 궤도가 존재한다는 가설(양자설)을 세웠음

지금의 현대에 들어서서는 보른의 원자 모형을 토대로 하여 양자 역학을 발전시켰고 , 컴퓨터의 기본 작동 원리인 2 진수 ( 0과 1을 사용하는 )에서 확장 가능한 것이 양자수의 스핀을 활용하여 지금 속도의 수만 배 이상의 계산력을 갖게 되는 슈퍼 컴이 탄생할 날도 멀지 않다는 것이다.  4차 산업 AI 등의 인공 지능의 발달에는 고도의 계산력과 엄청난 양의 데이터를 처리하여야 하는 고로 이러한 현대 원자 가설과 실험만으로도 한층 더 도약할 수 있는 기반을 마련할 수 있지 않을까 미래를 진단하여 본다. 그다음 인류가 발견하게 될 우주의 법칙은 무엇일까 궁금해집니다.. Written by E HAN. 

에필로그;  거시 우주에 대한 고전역학이 존재하는 것에 대비하여 미시 역학 세계에서는 양자역학이 존재하는데 인간의 직관에 반하는 것이 이해하기 어렵다. 실험치로는 입자론이 맞지만 동시에 파동의 성질을 나타내어 소리처럼 여러 군데에서 흔적을 남기는 것이다. 전위 위치 궤도가 있는데 이동 시에는 선형을 나타내지 않고 갑자기 나타났다가 사라진다. 전자는 마치 1층에서 3층으로 계단과 엘리베이터 없이 순간 이동하듯이 궤도 이동 행동을 하며 에너지를 흡수하기도 하고 발산하기도 한다. 미세 원자의 세계는 아직도 진화 중이다.