삶의 답답한 마음을 풀어 헤쳐 드리는
소울맘코치 박상림입니다.
양자역학을 분광학, 화학, 생물학, 천문학으로
다양하게 연결하여 우리에게 보여주고 있습니다.
식물이 광합성을 할 때 어떻게 가장 효율적인 경로를 찾아내는지,
죽어가는 별인 백색왜성이 왜 붕괴하지 않고 빛나는지,
철새가 지도 없이 수만 킬로미터를 이동하는 비결은 무엇인지를
양자역학이라는 렌즈로 투명하게 보여줍니다.
"원자를 축구장만큼 키우면 원자핵은 중앙에 앉은 파리만큼 작다. 그런데 파리의 무게는 축구장 전체 무게와 맞먹는다." -리더퍼드
"원자핵이 모래알 크기라면 첫 번째 전자는 수 미터 밖에 있다." -칼 세이건
"우리가 만지고 느끼는 모든 물질은 사실 거의 완전히 빈 공간이다." - 리처드 파인먼
p31
키르히호프와 분젠은 원소를 불꽃에 태울 때마다 다른 색이 나타난다는 사실을 발견했습니다. 분광기로 들여다보니 각 원소가 고유한 방출 스펙트럼을 갖고 있었습니다. 나트륨이 내뿜는 노란색 D선은 프라운호퍼가 태양빛에서 차아낸 D선과 정확히 일치했습니다. 태양 대기에 나트륨이 존재하고, 이 나트륨이 노란빛을 흡수한다는 증거였습니다.
파란색 LED의 개발은 빛의 3원색을 완성함으로써 디지털 조명 기술과 디스플레이 기술이 급속도로 발전할 수 있게 만들었습니다. 백색 LED 조명이 가능해졌고, 풀컬러 디스플레이가 현실에 자리 잡았습니다. 2014년 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지 세 사람은 파란색 LED 덕분에 노벨물리학 상을 받았습니다. 우리는 매일 LED로 양자역학의 숨결을 체험하고 있습니다.
스마트폰에는 수천 장의 사진이 저장되어 있습니다. 양자역학이 이 사진을 지켜 주고 있다는 사실은 아마 몰랐을 거예요. '양자 터널링' 덕분입니다. 전자는 작은 공처럼 딱딱한 입자가 아니라, 물결처럼 퍼져 있는 존재죠. 이 파동의 성질 덕분에, 전자는 고전 물리학에서는 절대 불가능한 일을 해냅니다.
P95
문을 열지 않고도 문 반대편에 갑자기 나타날 수 있습니다. 이게 바로 터널링입니다. 순간 이동 같은 것이 아니라 통과할 확률이 있다고 이해하면 됩니다. 전자처럼 작은 입자는 가능합니다.
플래시 메모리가 전자의 터널링 현상을 이용해 데이터를 기록하는 부품입니다. USB 메모리, SD 카드, 스마트폰 저장 공간 모두 플래시 메모리를 사용합니다. 전원을 꺼도 데이터는 지워지지 않습니다.
1925년 물리학자 볼프강 파울리는 같은 양자 상태에 동일한 두 개의 전자가 있을 수 없다는 사실을 밝혀냅니다. '배타 원리'라고 합니다. 전자는 같은 양자 상태에 있을 수 없으므로 나머지 전자들은 강제로 더 큰 에너지를 가진 다른 양자 상태로 옮겨 갑니다. 가뜩이나 공간도 비좁은데 위층으로 내쫓긴 전자들은 더 빠르게 움직이며 서로 밀어내는 압력을 만들어 냅니다.
P176
시리우스는 하늘에 보이는 별 가운데 태양을 제외하고 가장 밝은 별입니다. 베셀은 시리우스가 쌍성이라고 생각했습니다. 관측된 별을 시리우스 A라고 하고 아직 발견되지 않은 별을 시리우스 B라고 했습니다.
1926년 랠프 파울러는 이를 전자 축퇴압이라고 이름 붙였습니다. 이 압력이 안으로 쪼그라드는 중력과 평형을 이루어 백색왜성이 붕괴하지 않고 유지된다고 생각했습니다. 1931년 수브라마니안 찬드라 세카르가 전자 축퇴압에 상대론적 효과까지 고려하여 백색왜성이 버틸 수 있는 최대 질량을 계산하였습니다. 이 한계는 태양 질량의 1.4배 정도로, 이보다 무거워지면 백색왜성은 원자핵과 전자가 붕괴하여 중성자로만 이루어진 중성자별이 됩니다. 중성자별도 버티지 못할 정도로 중력이 커져 버리면 블랙홀이 됩니다.
불확정성 원리는 정확도의 한계를 정하거나 그 한계에 최대한 가깝게 다가가도록 설계하는 데 도움을 줍니다. 과학의 기초를 정하거나 기본을 다루는 데 기여하죠. 대표적으로 시간을 정밀하게 측정하는 기술에 불확정 원리가 쓰입니다.
P191
오늘날 원자시계는 매우 정확하여 300만 년에 1초 정도 오차를 보인다고 합니다. 전파를 낼 수 있는 발진기를 만들어 1초에 91억 번 진동하는 전파를 원자에 보냅니다. 원자가 이 전파를 받았을 때 조금이라도 어긋나면 공명하지 않아서 전류 세기가 줄어듭니다. 그러면 발진기는 진동수를 약간 조정해서 전류가 세지는 공명 진동수를 찾아냅니다. 이 진동수가 정확한 시간을 의미합니다.
유명 가수의 콘서트 예매, 주식 거래, GPS를 활용하는 위치 정보 서비스 등이 정확한 시간이 제대로 필요한 곳입니다. 우리 생활 속 곳곳에 양자역학이 숨어 있어네요. 일상의 평화로움을 유지할 때 양자역학의 불확정성 원리가 중요한 역할을 하고 있다는 걸 알게 됩니다.
양자역학을 안다는 것은 세상을 바라보는 근본적인 관점을 바꾸는 일입니다.
양자역학은 "자연 그 자체를 읽어내는 새로운 언어"입니다.
가랑비에 옷 젖듯 자연스럽게 양자역학의 세계로
젖어 드는 경험을 하게 될 것입니다.
우주가 숨겨놓은 비밀의 문을 열어보시기 바랍니다.
