양자역학이란 원자 이하의 미시세계에서 일어나는 현상들을 설명하는 물리학 이론입니다. 이 세상 모든 물질과 에너지는 최소 단위인 양자(quantum)로 이루어져 있고, 관측하기 전까지는 어떤 상태인지 알 수 없다는 불확정성의 원리가 적용됩니다. 이러한 원리에 의해 입자성과 파동성이라는 두 가지 성질을 동시에 지니며 예측 불가능한 움직임을 보이는 특징을 가지고 있습니다.
양자역학에서는 왜 전자 같은 작은 입자들이 파동의 성질을 가지는지 궁금해요. 전자나 양성자 등 소립자는 매우 작아서 우리 눈으로는 직접 볼 수 없습니다. 그래서 과학자들은 간접적인 방법으로 관찰하는데, 빛을 이용해서 보는 광전효과 실험처럼 말이죠. 하지만 이렇게 해서 얻은 결과는 실제 자연현상과는 다른 경우가 많습니다.
예를 들어 태양빛을 프리즘에 통과시키면 여러 색깔로 나누어지는데, 이것은 실제로 나타나는 현상이지만 이를 통해서 얻어낸 스펙트럼 분석결과는 실제와는 다릅니다. 왜냐하면 사람이 만든 장치로는 정확하게 파장을 나눌 수 없기 때문이지요. 따라서 현재로서는 아무리 정밀한 장비를 동원하더라도 완벽하게 분리되지 않는 영역이 존재한다고 보고 있습니다.
입자이면서 동시에 파동이기도 한 이상한 특성을 가진다는 게 무슨 의미인가요? 모든 입자는 질량을 가지고 있으며 운동에너지를 가집니다. 그리고 위치 에너지 또한 가지게 되는데, 이때 서로 다른 세 가지 양을 모두 가질 수는 없습니다. 즉 운동량 p=mv와 위치에너지 E=hv를 동시에 가질 수는 없으며, 반드시 둘 중 하나만을 가져야 합니다. 만약 위의 두 가지 값을 동시에 갖는다면 그것은 ‘이중성’을 갖게 됩니다.
이중성을 가지면 한쪽 방향으로만 진행해야 하는 물체가 반대 방향으로 움직이게 되고, 시간여행도 가능해집니다. 그러나 아직까지 그런 일은 일어나지 않았습니다. 그렇다면 미래에는 어떻게 될까요? 미래란 결국 지금으로부터 먼 훗날의 세계이므로 앞으로 일어날 일을 정확히 예측한다는 것은 불가능합니다. 다만 확률적으로 높은 쪽을 예상할 뿐이며, 그러한 추측조차 틀릴 때가 많지요. 그렇다면 과연 언제쯤이면 우주의 비밀을 풀 수 있을까요?
아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”라고 했지만, 현대물리학에서도 여전히 우주 전체의 모습을 알기 위해서는 많은 연구가 필요하며, 인간의 지식수준 역시 계속 발전해야만 합니다. 양자역학이란 원자 이하의 세계를 다루는 물리학의 한 분야입니다.
예를 들어 전자나 양성자와 같은 입자들이 어떤 상태에 있는지 알 수 없을 때 이를 확률로만 표현하는데 이처럼 관측하기 이전의 상황을 기술하는 학문이에요. 즉, 관찰자가 개입되기 이전의 현상을 설명하는 이론이죠. 최근엔 이러한 양자역학 덕분에 세상 모든 것들을 이해할 수 있다는 주장이 나오고 있다고 해요.
하지만 아직까지는 우리에게 어려운 개념인 건 확실하네요. 이번 주제는 양자역학에 대해 알아볼게요. 양자역학에서는 왜 슈뢰딩거의 고양이 사고실험을 할까요? 슈뢰딩거의 고양이는 1935년 독일의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 제안한 사고실험 중 하나랍니다. 상자 안에 고양이가 있고 독가스가 담긴 병이 있으며, 뚜껑을 열면 독가스가 퍼져나가지만 동시에 상자 속 고양이가 살아있을 확률과 죽어있을 확률이 동일하게 존재한다는 내용이랍니다.
언뜻 보면 말도 안 되는 소리 같지만 놀랍게도 실제로 일어난 일이라는 점! 그래서 더욱 유명해진 실험이기도 하죠. 이렇게 황당한(?) 사고실험을 하는 이유는 양자역학의 특성상 미시세계에선 파동함수라는 수학적 함수만이 존재하며 따라서 특정 조건 하에서만 정확한 값을 얻을 수 있답니다.
만약 현재상태만을 알고 있다면 미래의 결과를 예측할 수 없다는 뜻이죠. 또한 시간 역시 불확정성 원리에 의해 정확히 정의 내릴 수 없어요. 그렇기 때문에 지금 내가 보고 있는 대상이 진짜인지 가짜인지도 판단할 수 없답니다. 결국 완벽한 인과관계란 불가능하다는 의미죠. 양자역학에서도 하이젠베르크의 불확정성 원리가 적용되나요? 네 그렇습니다. 앞서 말했듯이 양자이론에서의 위치와 운동량은 모두 불확실한데요.
이것을 수식으로 나타내면 다음과 같습니다. (위치불확정성) = (운동량불확정성) + (파동함수불확정성) 위 식을 정리하면 아래와 같이 나타낼 수 있죠. 그렇다면 어떻게 해야 할까요? 네 맞아요. 둘 중 하나라도 확정 지어버리면 됩니다. 그리고 그것을 결정짓는 방법은 아주 간단해요. 먼저 운동에너지를 0으로 만들어 버리면 되죠. 그러면 위치값은 고정되고 운동량만 변하게 된답니다. 반대로 에너지를 무한대로 만들면 되겠죠? 그렇게 되면 위치와 운동량 모두 바뀌게 될 거예요. 물론 실제로는 그런 식으로 진행되지 않아요.
왜냐하면 아무리 작은 영역이라도 에너지는 항상 보존되기 때문이죠. 다만 과학자들은 최소한의 노력으로 최대한의 효과를 내기 위해 저렇게 가정한답니다. 양자역학으로는 우주의 기원을 설명할 수 있나요? 아니요. 안타깝게도 그렇진 않습니다. 우주 초기의 사건이라면 빅뱅이론 등 다른 이론으로 설명해야 합니다. 대신 현대물리학계에서는 블랙홀 내부구조 연구 및 중력파 검출 등 다양한 방면에서 양자역학을 활용하고 있으니 앞으로의 발전이 기대되는 부분이네요.
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