양자역학 이야기

양자역학 이야기 - 빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서
팀 제임스 지음, 김주희 옮김 / 한빛비즈 / 2022년 11월

2022-94 《양자역학 이야기(팀 제임스 지음/한빛비즈)》

빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서

일 년 동안 백 권 정도의 책을 읽지만, 과학 도서는 몇 권 되지 않는다. 문과 출신의 사회 선생에게 과학이란 마치 네일아트와 같이 나와는 관련이 없는 영역처럼 느끼기 때문이다.

그러나 세상을 살다 보면 원하지 않아도 해야 할 일이 생긴다. 서평단 활동을 하며 미션 도서로 만난 책이 바로 현대 과학의 핵심이라 할 수 있는 《양자역학 이야기》이다.

양자역학이라니….

과학이라면, 물리학이라면 오직 F=ma밖에 모르는 내가 이해하기엔 불가능하다고 생각했다.

머리를 싸매며 아둔한 내 머리를 자책하며 책을 읽는 중에 반가운 이야기 하나를 발견했다. 천재 물리학자인 리처드 파인만도 “양자역학을 완벽히 이해하는 사람은 아무도 없다.”라고 했다. 반가운 마음에 용기를 내어 양자역학을 공부해보기로 하고, 동시에 목표 설정을 다시 했다. 워낙 기초가 부족해서 책 전체를 이해한다는 것이 불가능해 보였고, 양자역학 일부라도 이해하기를 바라며 책을 읽었다.

현대물리학의 기초인 양자역학은 미시 세계의 물체 운동을 연구하는 학문이다.

초기 조건을 알면 미래를 정확하게 예측할 수 있다는 고전역학의 결정론과는 달리 양자역학은 확률론적 입장을 취하는 것이 가장 큰 특징이다.

현재 상태를 정확하게 알아도, 미래를 정확하게 예측하는 것은 불가능하다는 것이 양자역학의 비결정론이다.

막스 플랑크의 양자설로부터 시작된 양자역학은 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등 수많은 과학자의 논쟁과 해석이 이어졌다.

보는 행위가 대상에 영향을 준다. 어떤 물리량이라도 측정할 때 반드시 영향을 준다는 것이다.

세상 만물은 모두 원자로 이루어져 있다. 양자역학은 이 원자의 운동을 기술하는 학문이다.

원자핵은 양전하를 띠고 있다. 그 주위에는 전자가 돌고 있으며 음전하를 띤다. 원자핵 주위를 도는 전자는 빛이라는 전자기파를 외부로 방출한다. 전자기파를 방출한 전자는 원자핵으로 떨어진다. 이러한 고전역학에 따르면 원자는 빠르게 소멸되어야 한다. 그렇다면 물체는 존재할 수 없다는 모순이 발생한다.

이 모순을 해결해야 한다. 원자핵과 전자는 왜 충돌하지 않는가?

닐스 보어는 원자핵 주위를 도는 전자는 전자기파를 내지 않는다는 전대미문의 이론을 제시한다. 이에 더해 전자기파를 내지 않는 전자가 궤도 위에 있는 상태를 정상상태라 한다.

이유는 모르지만, 정상상태에 있는 전자는 빛을 방출하지 않는다.

정상상태의 궤도가 띄엄띄엄 반지름을 갖는다는 것을 전자 궤도의 양자화라 한다. 띄엄띄엄한 값을 갖는 물리량을 양자라고 부른다.

전자가 한 정상상태에서 다른 정상상태로 이동할 때 즉, 안쪽 궤도로 이동할 때는 빛을 방출하고 바깥 궤도로 이동할 때는 빛을 흡수한다는 것이다. 이때 전자의 궤도 이동은 한 궤도에서 사라져 다른 궤도에서 나타난다. 미끄러지듯 이동하는 것이 아니라 사라졌다가 나타난다. 이러한 현상을 양자 도약이라 한다.

보어의 이론에 대한 체계적 정립이 필요했던 20세기 초 하이젠베르크가 등장한다. 절대 엄친아였던 하이젠베르크는 양자역학의 수학식을 만들어낸다.

우리는 왜 전자가 한 정상상태에서 다른 정상상태로 양자 도약하는 것을 받아들이지 못하는가? 우리는 왜 직접 보지 못한 전자의 운동이 거시 세계의 운동과 같은 것이라고 생각하는가? 우리가 직접 측정으로 알아낼 수 있는 것만으로 이론을 구성해보자.

하이젠베르크는 전자의 궤도를 포기하고 관측 가능한 물리량으로만 기술하기 시작했다. 전자의 진동수와 세기만으로 운동을 설명할 공식을 만들어냈다. 숫자의 집합을 원자로 가정해 행렬 역학을 만들었다. 그는 행렬 역학을 통해 보어 원자모형의 수학적 기반을 제공했다.

하이젠베르크는 ‘왜 우리는 궤도를 알 수 없는지’를 설명할 수 있는 이론인 불확정성의 원리를 1927년 발표한다. 이 이론으로 입자의 위치와 운동량을 모두 정확하게 알 수 없음을 밝혀낸다.

보는 행위가 대상에게 영향을 준다! 어떤 물리량을 측정할 때 반드시 영향을 주게 된다!

측정 중에 일어난 교란은 원자들의 변화에 대한 문제이다.

거시 세계에서는 받지 않을 교란이지만, 양자역학의 세계에서는 빛만으로도 교란이 생긴다.

교란의 변화를 읽을 수 없는 데서 생겨난 것이 하이젠베르크의 불확정성의 원리이다.

고전역학은 어떤 것에 대해 초기 조건을 모르면 결과를 알 수 없지만 이미 답이 하나로 정해져 있다고 본다.

그러나 양자역학은 모든 정보가 오차를 수반하고 있고 어떤 순간에서도 초기 조건의 값은 알 수 없다고 본다. 그래서 양자역학에서는 일어나는 일의 결과는 확률적인 것으로 해석한다.

보어와 하이젠베르크에 의한 양자역학의 해석이 코펜하겐 해석이다. 코펜하겐 해석에 따르면 측정이 대상에 영향을 주기 때문에 위치나 운동량 같은 기본 물리량은 아는 것이 원리적으로 불가능하며 불확실성을 갖는다. 그 불확실성은 아주 본질적이기 때문에 피할 수 없으며 그 상황에서 내리는 미래에 대한 예측은 모두 우연성을 갖게 되고 확률로만 해석하게 된다.

이로써 고전역학의 결정론을 폐기하고 양자역학은 비결정론을 택하게 된다.

영국의 유명한 과학 선생님의 도움으로 어슴푸레하게나마 (그 거대하고 어렵기만 한) 양자역학을 이해했다는 것이 놀랍다.

“출판사에서 도서를 지원받아 작성하였습니다.”

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