양자역학은 처음이지를 읽고...

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

양자역학이라는 책을 접하면서 이 책 안에 눈에 익은 사람이 보여서 반가웠다. 그건 퀴리 부인으로 알려진 물리학자 마리 퀴리(Marie Curie, 1867~1934) 라는 여성이다. 

그녀는 여성 최초의 노벨 물리학상을 받은 여성이다. 
양자역학이라는 어쩌면 난해하고 어려운 책에서 아는 사람을 만나니 괜시리 행복하다. 

마리 퀴리는 프랑스의 물리학자·화학자이다. 남편(피에르 퀴리 Pierre Curie, 1859~1906)과 함께 방사능 연구를 하여 최초의 방사성 원소인 폴로늄과 라듐을 발견하였다. 1898년 7월과 12월 26일에 그 내용을 각각 발표했다. 이 발견은 방사성 물질에 대한 학계의 관심을 불러일으켰으며, 원자 내부 구조에 대한 연구에 한발 더 다가갈 수 있게 되었다.  그러나 본격적인 원자 세계에 대한 연구는 전자가 발견되고, 방사선에 대한 좀 더 자세한 연구가 이루어질 때까지 조금 더 기다려야 했다.

이렇게 이 책은 여러 인물들을 등장 시켜가면서 충분한 그림(사진, 도표) 자료를 활용하는 가운데 1800년대 초에 등장한 원자론에서 시작해서 원자에 대한 새로운 사실들이 밝혀지는 과정과 원자와 관련된 새로운 사실들을 설명하기 위한 과학자들의 에피소드도 담겨 있어 한결 보기에 편하며 이해하기 쉽다.

우리 주위에서 볼 수 있는 모든 물질은 더 이상 쪼개지지 않는 '원자'라는 작은 알갱이로 이루어졌음을 '돌턴'이라는 화학자는 알게 된다.(그는 기상학자였고 물리학자이기도 하다) 그 시기가 1808년도이다. 물론 그가 처음 발견한 시기는 1803년도이다. 최초의 논문에 그 내용을 실려 있다.

1808년 <화학의 새로운 세계>라는 책을 내면서 그는 원자론에 대한 더 자세한 설명으로 이렇게 정의 내린다.

1. 물질은 원자라는 작은 알갱이로 이루어져 있다.

2. 같은 종류의 원자는 크기와 무게, 그리고 성질이 동일하다.

3. 원자는 창조하거나 파괴할 수 없으며 더 쪼갤 수 없다.

4. 화학반응은 원자들이 결합되거나 분리되어 새롭게 배열되는 것이다.

 

그러나 1900년대 초에 과학자들은 원자가 양성장, 중성자, 전자 같은 더 작은 알갱이들로 이루어졌다는 것을 알게 되면서 과학자들은 원자의 내부 구조에 대해 연구하기 시작하였다. 연구하면서 원자의 내부도 일반적인 물리법칙인 뉴턴역학과 전자기학의 법칙으로 설명할 수 있을것으로 예상했는데 그러나 원자내부는 일반적인 물리 법칙이 적용되지 않는 전혀 다른 세상이라는 것을 알게 된다. 

뉴턴역학과 전자기학의 법칙으로는 설명할 수 없는 원자보다 작은 세상에서 일어나는 일들을 설명하기 위해서는 기존 물리 법칙과는 다른 새로운 물리법칙을 찾아낼 필요가 있었고, 그리하여 20세기 초에는 원자보다 작은 세상에서 일어나는 일들을 설명하기 위해 만들어낸 새로운 역학이 바로 양자역학인 것이다.

양자역학은 현미경으로도 보이지 않는 원자보다 훨씬 작은 미립자의 세계를 다루는 역학이다. 현미경을 사용해도 직접 볼 수 없는 작은 세계에서 일어나는 일을 이해하기란 무척 어렵다. 그러나 저자는 양자역학을 잘 이해할 수 있는 가장 확실한 방법을 양자역학이 성립되는 과정을 따라가는 것임을 말해주고 있다. 즉 원자의 구조를 밝혀내려는 수많은 시행착오의 과정을 따라가다보면 양자역학 법칙이 도입된 이유를 이해할 수 있고, 그것의 의미도 정확히 이해할 수 있다고 말한다. 그래서 본 책은 처음에 원자론이 등장할 때부터 양자역학이 나오게 된 배경, 양자역학의 과학적 문제제기와 이후 전개되는 과학 개념과 실험적 증명으로 양자역학을 만들어가는 과정을 자세하게 설명을 하면서 끝부분에 가서는 양자역학이 생활 속에서 어떻게 우리 삶을 더 윤택하고 현대문명을 발전하는데 크게 기여하였는지를 보여주고 있다.

즉 양자역학은 원자에 대한 내부 구조를 이해할 수 있도록 하여 그 지식을 바탕으로 전자를 통제할 수 있도록 하는 전자공학 시대의 기초가 되었다. 컴퓨터 앞에 앉아 자판을 누르면 컴퓨터가 기계를 작동시키기도 하고, 멀리 있는 정보를 날라다 주기도 하며, 음악이나 영화를 감상하도록 하여 우리의 삶을 편리하게 만들어 주고 있다.

컴퓨터 안에서 이런 일들을 하는 것은 전자들인데 자판을 눌러 전자들에게 어떤 일을 명령하면 전자들은 불평 한 마디 없이 그 명령을 수행한다. 이처럼 전다가 이렇게 인간의 지시를 잘 따르도록 할 수 있는 비결은 양자역학을 통해 전자가 어떻게 행동하는지를 이해할 수 있도록 하였기 때문이다.

오늘날 우리가 너무나 많이 사용하는 스마트폰은 물론이고, 건축이나 토목 공사에 사용되는 거대한 기계, 도로를 달리는 각종 자동차. 하늘을 나는 비행기. 로봇을 움직이게 하는 모든 복잡한 기능, 가정에서 사용하는 전자기기에도 IC 칩이 들어 있는데 이 모든 것이 양자역학을 바탕으로 작동하는 반도체 소자와 반도체 소자를 이용해 제작된 IC칩이 세상을 움직이고 있다고 하니 양자역학은 대단한 요물인 것이다.

또 한 가지 새롭게 발견된 양자역학을 통해 본 "터널링 효과"

양자역학을 통해 새롭게 발견된 현상 중에 가장 널리 사용되는 현상이 '터널링 현상'이라고 한다.

터널링에 대해서 책을 보고 이해해도 되겠지만 "생각하는 공대생"이라는 홈피를 보면 아주 쉽게 자세하게 나와있어 내가 이해하기 쉬운 내용을 실어 본다.

터널링 효과(Tunneling effect)를 알아보려고 합니다!! go go~

터널링 효과란 미시세계의 입자가 갖는 파동의 성질인데요!!

우리가 사는 거시세계에서는 물질의 운동량이 매우 크므로 파동의 성질이 잘 나타나지 않습니다.

예를 들어 자동차는 벽을 통과해서 반대편으로 가는것이 불가능하죠

즉, 고전역학의 세계에서는 자신이 갖는 에너지보다 높은 에너지 장벽을 넘는게 불가능합니다.

그러나 역시 눈치 채셨겠지만~

전자와 같이 양자역학의 지배를 받는 미시세계에서는 이것이 가능합니다!!

입자가 벽을 넘어 마치 공간이동을 하는것처럼 말입니다.

매우 작은 입자는 파동의 성질을 갖기 때문에 위의 그림처럼 에너지 벽을 통과 할 수 있습니다.

슈뢰딩거 방정식에서 배웠듯이 그림에 나타나 있는 파란선은 입자의 파동함수입니다.

저 값이 0이 아니기만하면 입자가 존재할 수 있다는 것이죠!!

자 어떤가요?? 

파동함수가 회색의 에너지 장벽을 통과하면서 뭔가 줄어들긴 하지만 0이 되지 않고 벽을 통과하고 나서도 파동함수가 약하게 존재하는 것을 볼 수 있습니다!! 즉, 입자의 '존재 확률'은 줄어들었지만 0이 아니기 때문에 벽 밖에 존재한다고 볼 수 있는것이죠!!! (당연히 실제로도 관측이 됩니다)

다만 에너지 장벽이 너무 두껍지 않아야 하고 입자 또한 어느정도 질량이 작아야 한다는 조건이 있습니다.

이런 현상을 바로 터널링 효과(Tunneling effect)라고 합니다.

출처: http://allgo77.tistory.com/45 [생각하는 공대생]

한 마디러 터널링 효과란 "양자약학의 입자나 파동이, 고전적으로 통과할 수 없는 물체를 통과하는 현상"을 말한다. 이 현상을 통해 톡톡히 우리는 일상생활에서 그 효과를 잘 누리고 있는데 그것은 바로 정보를 저장하는 장치이다. 컴퓨터가 아무리 복잡한 계산을 빠르게 수행하고 성능 좋은 컴퓨터를 가지고 있어도 정보를 효과적으로 저장하지 못하면 무용지물이다. 예전에는 정보를 저장하는데 강자성체 물질로 만든 저장장치가 널리 사용되었다. 카세트 테이프, 비디오테이프, 하드디스크와 같은 것들이 그것이다.

그러나 최근에는 usb 메모리라는 저장장치가 널리 사용된다. usb 메모리는 양자역학의 터널링 현상을 이용하여 저장하거나 제거한다. 현재 스마트폰이나 카메라에서 사용하는 저장장치나 컴퓨터에서 사용하는 SSD는 모두 이런 원리로 작동하고 있다고 할 때 터널링 효과는 매우 행복한 양자역학이다. 

또한 터널링 현상은 현미경에도 사용되고 있는데 기존 광학현미경 말고(최고 배율 100배/분자와 같이 작은 구조 볼 수 없음) 주사투과현미경인 STM을 사용하면 원자의 내부 구조는 아니더라도 원자의 배열 정도는 볼 수 있다고 한다.  STM은 바로 전자의 터널링 효과를 이용하는 현미경이다.

이렇게 양자역학은 우리의 삶에 밀접하게 연관된다. 

스마트폰을 하면서 컴퓨터를 하면서 제일 애로점은 '느림' 때문에 늘 불평을 가진다. 좋지 않는 감정이다.

얼마나 빨라야 과연 흡족하게 이용할까 생각하기도 하는데 아무튼 기존의 컴퓨터는 한계가 있어 더 이상 빠른 속도를 경험할 수 없다고 한다. 그런데... 그런데 말이다. 양자컴퓨터를 사용하게 된다면 현재 컴퓨터 보다 100만 배에서 1억 배 빠르게 정보를 처리할 수 있다고 하니 과히 양자역학의 발견은 인간에게 희망과 삶의 질을 선물해 주고 있는 것이다.

그러나 빠른 것이 좋은 것인지, 과학의 발전이 인류문명에 과연 정답인지는 지금 입장에서는 불투명하다 하겠다. 그 이유는 현재 N번방 박사 사건을 보면서 양자역학의 폐해를 보기 때문이다. 인류는 신 기술을 통해 선물을 받았지만 그 선물을 매우 악하게 사용하는 이상한 버릇이 있는거 같다.

책을 읽으면서 사실 쉽게 써졌지만 어려운 내용과 복잡하고 전문적인 내용에서는 막힌다.

그러나 저자의 세심한 배려와 중간 중간의 읽을 거리를 통해서 양자역학이 발전해 나온 과정을 보면서 어렴풋 양자역학이라는 대단한 지식에 동참한 기분이 들어 매우 즐거웠다. 

마지막으로 보어의 "상보성 이론"에 대해 이 책에서 나오는데 꼭! 읽어보면 재미있는 시간이 되리라 본다.

더불어 상보성 이론에 대한 한 글이 있어 소개하는 것도 좋겠다 생각하며 링크를 남겨본다.  

https://blog.naver.com/hermoonbg/221669464620