쉬운 양자역학

양자역학이라는 말만 들어도 참 어려웠다.

고등학생 시절 공부할 때에는 이를 깊게 다루지 않았고,

대학교 때도 관련 전공이 아니었기에 마찬가지였다.

 

양자역학이라는 말은 1900년에 사용되기 시작한 말인데,

여전히 사람이 온전히 이해하지 못한 분야이다.

양자역학을 통해 트랜지스터도, 더 나아가 컴퓨터도 만들 수 있었음에도.

막스 플랑크 / 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/막스_플랑크

독일의 막스 플랑크 (Max Planck)는 뜨거운 열상자 속에서 균형 상태에 있는 전기장을 계산했다.

이 때, 막스 플랑크는 전기장의 에너지가 양자 (quantum)와 같은 덩어리 형태로 분포되어 있다고 가정하였다.

이 가정을 기반으로 측정하고 계산한 결과 결과가 맞아떨어졌다.

 

여기서 양자 quantum이란, 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량 단위이다.3

예로써 광자 또한 빛의 단일 양자이다.

 

이러한 가정이 무언가 다른 시도였던 것은,

그 시기에는 에너지가 연속적으로 변화하는 것이라고 생각했기 때문이다.

그렇기에 막스 플랑크 조차 이 '에너지 덩어리'가 실재함을 깨닫지 못했는데,

아인슈타인에 의해 증명되었다. 

이때 광자 (photon)이라는 것이 증명되었다.

닐스 보어 / 출처: https://namu.wiki/w/닐스%20보어

 

이제 1910년~1920년대에 이르러, 덴마크의 닐스 보어에 의해 본격적인 발전이 이루어졌다.

원자 속 전자 에너지도 빛 에너지처럼 '양자화'된 일정한 값만 취할 수 있고,
무엇보다 전자들이 특정한 에너지 값만을 허용하는 원자궤도에 있는 한,
원자궤도에서 다른 원자궤도로 점프만 할 수 있다.
점프를 하는 동안 광자를 방출하거나 흡수한다.

양자도약 (quantum leap)

 

위와 같은 사실을 발견한 사람이 닐스 보어이다.

그리고 1925년, 양자역학의 기본 이론 방정식이 나타났다.

바로 슈뢰딩거 방정식이다.

 

새로운 이론의 방정식을 처음 쓰기 시직한 것은 독일의 베르너 하이젠베르크였다.

베르너는 전자가 어느 곳에나 존재하는 것은 아니라고 생각했고,

무엇인가 상호작용을 일으킬 때만 전자가 존재한다고 생각했다.

전자는 어느 한 장소에서 무엇인가에 부딪히면 물질화 되는데,

물질화된 수치를 계산할 수도 있다.

원자의 상태 / 출처: https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=hangstar1&logNo=222492848965&parentCategoryNo=&categoryNo=66&viewDate=&isShowPopularPosts=true&from=search

 

실제로 전자들은 양자도약으로 존재한다.

한 전자가 다른 무엇인가와 상호작용으로 도약하는 것이다.

하지만 방해하는 요소가 없으면 정확히 어느 장소에 존재한다고 말할 수 없다.

 

양자역학에서는,

다른 무엇인가에 부딪히지 않는 한 그 무엇도 확실한 자기 자리를 갖지 못한다.

어떤 상호작용이 있은 후, 비행을 하다가 다음 상호작용을 일으키기 위해 무엇인가에 부딪힌다는 것이다.

이를 설명하기 위해서는 실재 공간이 아닌 추상적 수학 공간에 존재하는 함수가 사용된다.

 

또한 모든 개체가 어떤 상호작용에서 다른 상호작용으로 넘어가는 양자도약이 대부분 우발적이고,

예측할 수 없는 방식으로 이루어진다. 

또다시 나타날 전자가 여기에서 나타날 가능성만 계산해볼 수 있다.

 

지금까지 정리해본 양자역학과 관련된 내용은 현재로서 내가 이해할 수 있었던

양자역학을 이해하기 위한 아주 초기 단계의 내용들이었다.

사실 더 깊게 들어가면, 양자 얽힘, 불확정성의 원리 등등 내가 아직 이해하지 못한 내용들이 많다.

더 깊은 내용들은 추후 공부할 기회를 갖게 되면 정리할 예정이다.

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참고문헌

Rovelli, C. (2016). The Physics of Every Moment (H. Kim, Trans.). Sam & Parkers. (Original work published 2014)