핸드폰, 컴퓨터와 같이 반도체의 원리도 양자역학이다!

초등학생을 위한 양자역학 4 - 원자 폭탄의 비밀 ㅣ 초등학생을 위한 양자역학 4
홍승우 그림, 이억주 글, 최준곤 감수, 어린이과학동아 편집부 기획 / 해나무 / 2021년 2월

일본이 우리보다 앞선 것이 있다면 바로 노벨상을 수상한 사람이 압도적으로 많다는 점이다. 특히 노벨 물리학상은 동양을 너머 세계에서도 뒤지지 않을 정도의 실력을 발휘하고 있는 곳이 일본이다. 이 책에서도 일본의 물리학자 도모나가 신이치로(1906~1979)를 소개하고 있다. 그의 라이벌 유카와 히데키는 1949년 일본인 최초로 노벨상을 수상했다. 원자핵을 구성하는 핵자들 사이에서 일어나는 현상을 연구하여 원자 폭탄 투하로 폭망했던 일본인들에게 작은 희망을 던져 주었다. 도모나가 신이치로는 일본에서 두 번째로 노벨상을 수상하면서 일본에서만 무려 노벨 과학상을 받은 사람이 24명, 그 중에서 물리학상만 따지면 11명이 될 정도다. 신이치로와 히데키 모두 양자역학에 관심을 가지고 연구를 시작했으며 그 중에서 신이치로는 양자 전기역학을 연구했다.

양자역학이란 원자 세계에서 일어나는 현상을 설명하는 물리학으로 원자같이 더 이상 쪼갤 수 없는 단위 안에서 벌어지는 물리 현상을 탐구하는 학문이다. 오늘날 우리는 양자역학 덕분에 핸드폰이나 컴퓨터와 같이 반도체의 원리를 설명할 수 있게 되었다. 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 설명할 수 있게 된 것도 바로 양자역학 덕분이다. 도모나가 신이치로는 양자역학 중에서도 전기역학을 연구했는데 전기역학은 전기와 자기의 상호작용을 설명하는 물리학이다. 그는 양자역학에 상대성 이론을 적용하여 전자의 질량이 무한대가 되지 않도록 이론을 만들었다.

사실 양자역학은 미국의 맨해튼 프로젝트에서 처음으로 세상에 존재감을 드러냈다. 1945년 로스앨러모스 국립연구소의 로버트 오펜하이머 박사가 양자역학의 원리로 원자폭탄을 만들어냈다. 맨해튼 프로젝트에는 천 여명의 과학자들이 참여했으며 들어간 비용도 20억 달러가 넘었다고 한다. 우라늄 원자핵에 중성자를 충돌시켜 핵분열이 일어나게 하는 원리로 원자폭탄을 만든 것이다. 플루토늄도 핵분열하는 과정에서 생겨진다.

뉴턴, 아인슈타인의 고전역학의 대두라면 1905년 이후 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 설명한 물리학은 일명 '양자역학'으로 통칭된다. 양자역학의 발견이 없었다면 우리 손에 핸드폰이든 컴퓨터든 반도체도 발명할 수 없었을 것이다! 초등학생부터 물리학에 관심을 가질 수 있도록 사회적 분위기가 조성되어야 하는 이유도 과학의 발전 정도가 곧 국력이기 때문이다.