양자역학은 현대 물리학의 기초 이론으로, '아무리 기이하고 터무니없는 사건이라 해도, 발생 확률이 0이 아닌 이상 반드시 일어난다.'라는 물리적 아이디어에 기초합니다. 오늘은 양자역학의 기본적인 정의와 역사, 중요 개념과 응용되고 있는 분야와 방향성에 대해서 아주 기초적이고 기본적인 정보들을 우선 파악해보고자 합니다.
양자역학(量子力學, Quantum mechanics) 정의
양자역학은 물리학의 한 분야로, 쉽게 말해 아주 작은 입자들의 동작과 상호작용을 설명하는 이론입니다. 우리의 몸을 포함해 세상에 모든 것들을 쪼개고 쪼개서 쪼갤 수 없을 정도로 쪼갰을 때 제일 작은 입자들인 원자와, 이를 이루는 아원자 입자 등 미시세계와 그러한 계에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대 물리학의 한 분야입니다. 양자역학은 주로 미시세계에 활용되고 있지만, 현실의 모든 거시적인 존재들도 결국은 원자의 결합으로 이루어져 있다는 점에서 봤을 때 거시세계와 미시세계는 서로의 성질에 영향을 받게 되므로, 거시세계와도 밀접한 관련을 갖고 있습니다. 결론적으로 우리 존재를 포함한 이 세계의 모든 것들의 작은 입자에서부터 그것으로 이루어져 있는 전체의 현상을 탐구하는 분야라고 보시면 되겠습니다.
양자역학이란 말을 이해하기 위해서 '양자'와 역학'을 각각 분리해서 살펴 보았습니다. '양자(量子)로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity의 라틴어에서 파생된 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말입니다. '역학(力學)은 한자어 그대로 '힘의 학문'이지만, 실제로는 '어떠한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론'이라고 할 수 있습니다. 간단히 말해서 양자역학은 '힘과 운동'의 이론입니다.
양자역학이란?
띄엄띄엄 떨어진 양으로 존재하는 것이, 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지를 밝히는 이론
양자역학(量子力學, Quantum mechanics) 역사
양자역학 이론은 20세기 초에 발전하였으며, 전 세계적으로 유명한 아이슈타인, 보어, 헤브라드 등의 과학자들에 의해 발전해 왔습니다. 양자역학은 매우 특이한 현상들을 설명하고 예측하는 데 사용되는데, 그중 가장 유명한 예시로는 '이중 슬릿 실험'과 '양자 얽힘 현상' 등이 있습니다.
양자역학을 초반부에 현대물리학의 한 분야라고 명명한 이유는, 양자역학이 전통적인 물리학과는 다른 많은 개념을 도입했기 때문입니다. 19세기 중반까지의 실험은 뉴턴의 고전역학으로 설명할 수 있습니다. 그러나, 19세기 후반부터 20세기 초반까지 이루어진 전자, 양성자, 중성자 등의 아원자 입자와 관련된 실험들의 결과는 고전역학으로 설명을 시도할 경우 모순이 발생해 이를 해결하기 위한 새로운 역학 체계가 필요하게 된 것입니다. 그리하여 이 양자역학은 플랑크의 양자 가설을 계기로 하여 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 디랙 등에 의해 만들어진 전적으로 20세기에 이루어진 학문으로 이해해주시면 됩니다.
양자역학의 중요 개념
이름에서부터 알 수 있듯, 양자역학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 단연 '양자'입니다. 양자는 에너지나 모멘텀 등의 물리량이 이산적인 값을 가진다는 것을 의미합니다. 이산적인 값(discrete value)란 서로 구별되는 개별 값을 말합니다. 즉, 양자는 연속적인 값이 아니라 분리된 값으로 나타난다는 것을 의미합니다.
양자역학은 또한 파동-입자 이중성(Duality)라는 개념을 도입합니다. 이 개념은 입자가 동시에 입자처럼 행동할 수도 있고, 파동처럼 행동할 수도 있다는 것을 의미합니다. 이러한 이중성은 매우 특이한 현상을 설명하는 데 사용되며, 양자역학에서 다루는 '관측자'라는 개념과 함께 설명될 수 있습니다. 관측자가 바라보고 있을 때, 즉 관찰할 때에는 입자로 행동하며, 바라보지 않을 때는 파동으로 존재한다는 것입니다. 관측자가 양자 시스템을 '관찰'할 때, 시스템은 다양한 가능한 상태 중 하나로 붕괴되고, 이 붕괴는 확률적인 현상으로 설명될 수 있으며, 가능한 상태들 사이에서 확률적으로 선택되는 것으로 이해됩니다.
양자역학 응용분야
양자역학은 많은 실용적인 응용분야를 가지고 있습니다. 양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산을 수행할 수 있고, 양자 통신은 양자 얽힘 현상을 이용하여 보안이 더 강화된 통신을 구현하는 데 사용될 수 있다고 합니다. 성공학과 마음공부, 인간의 의식과 뇌의 연산 능력과 관련된 뇌과학, 및 생물학에서도 활용되고 있습니다.
양자역학의 방향성
양자역학은 현대 물리학의 중요한 이론으로서, 우리가 우리의 의식과 주변 세계를 이해하는 데 매우 중요한 도구입니다.
그러나 이론의 복잡성과 이해의 어려움으로 인해 여전히 많은 미스터리가 남아있고, 더 많은 연구와 탐구가 지속적으로 필요한 분야입니다.
양자역학은 여전히 이해하기 어려운 개념들을 포함하고 있다. 파동함수 해석이나 양자 상태의 붕괴와 같은 개념 자체에 대해서도 여전히 논의의 대상이 되고 있으며, 양자역학은 모든 역학, 전자기학을 포함하는 고전 이론을 일반화했지만, 이 중에서 '상대성 이론'은 제외되어 양자역학와 상대성 이론을 통합하는 대도 여전히 많은 어려움이 존재하고 있습니다.
분명히 양자역학은 고전역학으로 설명되지 않는 현상에 대한 정확한 설명을 제공합니다. 양자역학의 효과는 거시적으로는 관측이 어렵지만 고체의 성질을 연구하는 과정에서 양자역학 개념이 필수적이라고 합니다.
번외로 양자역학 용어의 기원을 살펴보면 이 용어는 독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)이 처음 제시했습니다. 독일어 'Quantenmechanik(퀀텐메카닉)'이 영어 'Quantum mechanics'로 번역되어 사용되고 있고, 일본에서 이를 ‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 번역했는데 이것이 한국에 그대로 들어와 ‘양자역학'이라 부르게 되었습니다.
이 세상에서 양자역학을 완벽히 이해한 사람은 한 사람도 없다.
- 리처드 파인만