양자역학의 진척 단계를 간단하게 알려주세요.
현재 과학계는 양자역학의 어디까지 밝혀낸 건지 궁금합니다.
양자역학의 진척 단계를 알기 쉽게 설명해주시면 감사하겠습니다!!
안녕하세요. 형성민 과학전문가입니다.
양자역학은 20세기 초에 개념적으로 처음 도입되었습니다. 많은 과학자들이 물리 현상을 설명하기 위해 새로운 개념과 수학적 도구를 개발했습니다. 행렬 연산과 확률 개념을 도입하여 입자의 위치, 운동 상태, 에너지 등을 설명할 수 있게 되었습니다. 이러한 수학적 정립은 양자역학의 기반이 되었으며, 양자역학의 기본 원리와 방정식들이 수학적으로 표현될 수 있게 되었습니다.
안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.
현재는 쿼크보다 작은입자인 힉스입자에대한 간접적인 발견까지 진행되었고, 앞으로는 암흑물질이나 암흑에너지같은 미지의 입자까지도 확인을 하고자합니다.
안녕하세요. 손호현 과학전문가입니다.
앙자역학에는 도무지 이해가 안 가는 설명이나 표현이 가득하다. 양자역학을 통해 얻은 결과 자체는 명확하지만 이들을 어떻게 하면 체계적으로 설명할 수 있는지는 불분명하다. 애초에 인간의 언어는 상식적인 것을 표현하는 데 맞추어져 있어서, 양자역학의 내용을 표현하려고 하면 잘 안 된다. 간단한 예를 들면 모든 물질은 파동의 성격을 가지고 있다는 물질파 가설에 따라 지금 방에 누워 있는 당신이 갑자기 옆 방으로 순간이동하여 벽을 뚫고 그곳에 나타날 확률이 완전한 0%가 아니다.
물론 사람의 물질파 파장은 매우 짧기 때문에 거시적인 세계에서는 이런 일이 일어날 가능성이 0%에 수렴한다. 생각해보라. 일평생을 살면서 자신이 (고전적인) 물리 법칙을 벗어나거나 또는 그런 경우를 목격한 적이 있는가? 눈을 떠보니 자신이 달로 순간이동해 있다거나 불꽃이 차가워졌던 적이 있는가? 유사 이래로 그런 경우는 단 한 건도 기록되지 않았다. 이러한 사건들이 쌓이며 우리의 세계관을 형성하고 전 인류의 보편적이고 암묵적인 '상식'을 만들어왔다. 그러나 양자역학은 여전히 0%의 확률이 아니라고 말한다.
양자역학을 이해하는 도구로서 언어와 상식이 불완전하다는 점을 보여주는 또다른 예시는 양자역학과 실재성, 국소성의 불분명한 관계이다. 일례로 양자역학은 실재성을 위반하는 것처럼 보인다. 양자역학에는 위치와 속도(운동량) 등 서로 다른 상태를 동시에 정확히 결정할 수 없다는 불확정성 원리가 있다. 불확정성의 원리를 코펜하겐 해석에서는 존재 가능한 상태들이 중첩되어 있다가 관측되는 순간 하나의 상태로 확정된다는, 즉 관측이 대상(전자)에 영향을 끼친다는 누가 들어도 말이 안 되는 설명을 늘어놓는다. 관측되기 전에는 어떤 상태로 존재할지의 확률만이 있을 뿐이며 관측하면 그것으로 인해 상태가 정해진다는 얘기다.
대체 관측이란 행위에 무슨 물리적 의미가 담겨 있기에 중첩 상태에 있던 양자가 하나의 상으로 고정된단 것일까? 본다, 맛본다, 피부로 느끼다, 듣다, 맡다라는 행위들은 단지 신체 말미의 세포들이 화학작용으로 생겨난 전기신호를 신경계를 통해 뇌에서 처리하는 과정일 뿐이다. 이는 우주에서 흔하디 흔한 성질의 물리작용 중 하나에 불과하다. 그런데 양자역학에서 말하는 '관찰로서 정해지다'는 우리 인간의 관찰이 마치 어떤 철학적 의미를 담고 있는 중대한 행위인 것처럼 받아들여지게 한다. 이는 일반인은 물론 과학자들에게도 매우 거북스럽고 당혹스러운 개념이었다.
양자역학 이전의 고전역학은 사건이 측정 방법과 무관하다고 가정해 왔다. 하지만 사건과 측정이 분리되었다면 측정을 할 수 없다. 사건과 측정이 인과적으로 연결되어 있을 때에만 측정이 가능한 것이다. 이러한 관점에서 측정에 의한 상태의 교란은 필연적으로 보인다. 만약 측정에 의한 교란을 제거하려 할 때 양자역학의 체계가 무너져내리고 만다면, 이론적 건전성을 위해서라도 결과가 측정으로 인해 결정된다는 해석을 어느정도 받아들일 수밖에 없을 것이다. 이는 뉴턴 이후 물리학의 보편적인 성질인 실재론을 통째로 부인하는 내용인지라 양자역학의 등장 초기에는 이 때문에 많은 과학자들이 양자역학을 사이비 유사과학으로 취급했다. 그 아인슈타인마저도 "그럼 달이 눈에 보이지 않을 때에는 달이 존재하지 않기라도 하단 말이냐?"라고 까댔을 정도니까.
국소성이란 물리 현상이 바로 근처의 조건에만 의존해야 한다는 원칙을 말한다. 국소성은 실험적으로 중요하다. 만약 물리 법칙이 국소성을 따르지 않아서 실험 환경을 통제할 수 없게 된다면 실험을 통해 일관된 결과를 얻는다는 것이 불가능할 것이다. 또한 국소성은 실험뿐만 아니라 이론적으로도 유용하다는 사실이 제임스 맥스웰의 전자기 이론 등을 통해 밝혀졌다. 하지만 양자 순간이동 등의 현상은 이러한 국소성의 원리를 위반하는 것처럼 보인다.
이처럼 언어만으로는 양자역학을 설명하는 데에 모호성이 나타나게 된다. 물리학자들은 언어가 가지는 모호성을 극복하기 위해서 핵심 개념의 의미, 기본 원리부터 세부 사항까지 전부 수학으로 표현해 놓았다. 양자역학은 전자와 같은 매우 작은 것들끼리의 역학이기 때문에 현생 인류가 상세 과정을 알 수 있는 방법은 아직까지 존재하지 않는다. 다시 말해서 양자역학은 고전역학이나 전자기학과 같은 과정을 관찰하면서 법칙을 구체화하는 방법을 사용할 수 없다. 반면 수학은 논리학의 도구로서는 공리가 틀리지 않는 한 완벽하기 때문에, 수학과 같이 양자역학의 공리를 전제로 두고 결과까지 연역적으로 도달하는 방법을 사용할 수밖에 없다. 양자역학의 공리에 따르면 양자 상태란 힐베르트 공간의 원소이며 이들의 시간에 따른 변화는 슈뢰딩거 방정식으로 나타난다. 양자 상태에 에르미트 연산자를 사영하여 나오는 고유값이 관측 가능한 물리량이며 관측 값을 얻을 확률은 관측 후 양자 상태의 절댓값의 제곱에 비례한다.
다행히도, 여태까지 양자역학의 공리를 잘못 설정했다는 흔적이나 증거는 발견된 적이 없다. 다만 이러한 양자역학의 공리는 실험적 진리가 아니며 모든 물리학자들이 동의하는 내용도 아니다. 물리학자 루시앙 하디(Lucien Hardy)는 더 나은 양자역학의 이해를 위해 새로운 공리를 제시하기도 했다. 양자역학의 공리는 물리에서 수학을 언어로 사용한다는 “예” 중의 하나이다.
코펜하겐 해석은 양자역학이 수학적 공리의 결과일 뿐이며 직관적인 이해가 불가능한 건 어쩔 수 없다고 본다. 이러한 측면에서 바라볼때 양자역학의 이해가 어렵다는 말은 곧, 양자역학의 공리를 받아들이기 힘들다는 말로 재해석할 수 있다.[11] 반면 아인슈타인을 비롯한 학자들은 최종적으로는 양자역학이 직관적이며 이해 가능한 언어로 표현되어야 한다고 주장했다.
