양자역학에서는 입자들이 서로 영향을 주고받는다고 해요.
이때 전자나 광자가 다른 입자에게 영향을 미치는 과정을 ‘파동함수’라고 하는데요. 파동함수란 어떤 물리량(입자)과 그것의 위치 또는 운동량 등 여러 가지 정보를 나타내는 함수입니다. 예를 들어 한 입자의 에너지 준위값 E0인 상태로부터 다음 단계로의 전이 확률 p=E0/h라는 식으로 표현되는데요. 이때 h는 플랑크 상수로서 빛의 속도 c의 정수배 값 중 하나로 결정됩니다. 즉, 파동의 성질을 갖는 입자는 특정 주파수의 신호를 내보내고, 이를 받은 입자는 자신의 고유 진동수 f와의 차이만큼 위상차를 갖게 됩니다. 이러한 현상을 이용하면 우리 주변에서도 다양한 실험을 진행할 수 있다고 합니다.
양자역학이라는 학문은 우리에게 매우 생소한 학문이지만, 이 세상 모든 만물과 우주의 근본 원리를 설명하기 위해 등장한 과학계의 새로운 패러다임입니다. 물리학에서는 뉴턴 역학 이후 아인슈타인의 상대성이론 그리고 현재까지도 연구되고 있는 양자역학 이렇게 세 가지 이론이 대표적이죠. 하지만 아직까지도 완벽하게 이해되지 않는 부분이 많은 어려운 학문이기도 합니다. 그래서 이번 포스팅에서는 고양이 실험을 통해서 양자역학이란 무엇인지 알아보고 왜 그렇게 되는지 간단한 예를 들어서 알아보겠습니다.
고양이가 상자 속에 들어가 있으면 파동과 입자 중 어떤 상태인지 알 수 없다고 합니다. 이처럼 우리 주변에서도 관찰하기 전까지는 정확하게 알기 어려운 현상들이 많이 존재하는데요. 이번 주제는 이러한 비결정성(불확정성) 개념을 이용해서 여러분께 재미있는 과학이야기를 들려드리려고 해요. 그렇다면 왜 그런 건가요? 앞서 말씀드린 바와 같이 화학반응 속도 및 에너지 전달과정에서의 차이 때문이에요. 반응속도가 빠른 경우엔 결합에너지가 작아서 자유롭게 움직일 수 있지만, 느린 경우엔 결합에너지가 커서 움직이지 못하고 갇혀있게 되죠. 그래서 큰 힘을 들이지 않고도 변형시킬 수 있는 거죠. 그리고 이때 발생하는 에너지는 진동형태로 방출되는데, 다른 곳으로 이동하면서 다시 새로운 종류의 전기장을 형성한답니다. 결국 계속 반복되면서 점점 더 많은 수의 전자가 움직이게 되고, 결과적으로 전체 전하량이 증가하게 되면서 점차 단단해지는 거랍니다. 우리 주변 곳곳에 숨어있는 비결정성 원리를 찾아보는 건 어떨까요?
양자역학하면 떠오르는 이미지는 어떤 것인가요?
아마 대부분의 사람들이 영화 <앤트맨>에서의 앤트맨처럼 몸이 작아졌다가 커졌다가 하는 모습을 떠올릴 텐데요, 실제로 양자역학에서도 원자 단위 이하의 미시세계에서는 입자성과 파동성이 동시에 존재한다고 말합니다. 즉, 물질파라는 개념을 도입해서 전자나 양성자 등의 입자가 파동의 성질을 갖는다고 말하죠. 이러한 이중성 덕분에 기존의 고전물리학으로는 설명할 수 없었던 현상들을 설명할 수 있게 되었습니다.
비결정성이란 무엇인가요?
비결정성이라는 말은 결정되지 않았다는 뜻입니다. 즉, 물체 내부나 외부 환경 등 여러 가지 요인에 의해 변화될 수 있다는 의미죠. 예를 들어보면 쉽게 이해할 수 있으실 텐데요. 얼음물 안에 담긴 물컵 표면 위에 물방울이 맺혀있을 때, 컵 안에 든 물의 양과는 상관없이 일정한 모양으로 방울져있죠. 하지만 같은 온도의 물이라도 시간이 지나면 조금씩 형태가 변하기도 하고, 심지어 뜨거운 물이라면 더욱 빠르게 변하게 됩니다. 이렇게 변하는 모습을 보고 사람들은 액체상태인 물이 고체상태로 변하기 위해 응고되고 있다고 판단하지만, 실제로는 분자운동이 활발해지면서 부피가 팽창되는 과정이랍니다. 이렇듯 물질 자체만으로는 정확히 파악할 수 없는 성질을 비결정성이라고 하는데요. 그렇다면 과연 세상 모든 물질은 다 비결정성을 가지고 있을까요?
세상 모든 물질은 다 비결정성을 가지고 있나요?
아닙니다! 대부분의 물질은 원자구조상 규칙성이 있어서 특정한 구조를 이루고 있고, 이를 ‘결정’이라고 부릅니다. 반면에 다이아몬드 같이 불규칙한 구조를 가진 물질들을 ‘비결정’이라고 부르는데요. 다이아몬드는 탄소원자로만 이루어져 있지만, 매우 높은 열과 압력을 가하면 육각형 벌집모양의 단단한 결정체가 된답니다. 또한 자연계에 존재하는 거의 모든 금속물질 역시 모두 다양한 크기의 격자무늬 패턴을 가지고 있으며, 이것을 ‘금속격자’라고 부른답니다. 따라서 아무리 작은 금속도 전부 다 똑같은 배열을 가지는 것은 아니라는 거죠.
고양이실험은 어떻게 진행되었나요?
1927년 미국의 물리학자 슈뢰딩거는 ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 사고실험을 제안했습니다. 밀폐된 상자 안에 독가스가 들어있는 유리병과 방사성 원소가 들어있는 우라늄 덩어리를 넣어두고, 만약 방사능 붕괴 과정에서 알파입자가 방출된다면 내부의 병이 깨지면서 독가스가 나와 죽게 될 것이고, 그렇지 않다면 죽지 않을 것이다라는 가설을 세운 거죠.
그렇다면 과연 죽은 걸까요 산 걸까요?
정답은 “죽지도 살지도 않았다”입니다. 왜냐하면 외부 세계와는 완전히 차단되어 있었기 때문에 관측 행위 자체가 불가능했기 때문이죠. 따라서 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태였던 겁니다. 그렇다면 반대로 죽었다고 가정한다면 어떨까요? 만약 방사선 붕괴과정에서 알파입자가 방출되었다면(관측) 다시 말해 죽음으로써 삶이 끝난다면 그것은 곧 생명체로써의 의미가 없어지기 때문에 결론적으로 사망했다고 말할 수 있겠죠.
이것이 바로 코펜하겐 해석이며, 현대 양자역학의 근간이 됩니다.
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