양자역학과 양자물리학은 어떻게 만들어진건가여?

Question

양자역학과 양자물리학은 어떻게 만들어진건가여? 양자역학과 양자물리학의 개념이 무엇이고, 누가 언제 어떻게 정의했고, 그 양자역학과 양자물리학의 기본 개념은 무엇인지 답글 바랍니다만…

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

먼저 용어부터 짚으면, 양자물리학은 양자 현상을 다루는 물리학 전반을 가리키는 큰 범주이고, 양자역학은 그 안에서 입자의 운동과 상호작용을 수학적으로 기술하는 핵심 이론이에요. 양자역학이 양자물리학의 뼈대라고 보시면 됩니다.

시작은 1900년 독일의 막스 플랑크예요. 당시 물리학자들은 뜨거운 물체가 내뿜는 빛의 색깔과 세기를 설명하지 못해 골머리를 앓고 있었어요. 고전 물리학으로 계산하면 자외선 영역에서 에너지가 무한대로 발산하는 이상한 결과가 나왔거든요. 플랑크는 이 문제를 풀려고 '에너지가 연속적으로 흐르는 게 아니라 아주 작은 알갱이 단위로 끊어져 나온다'는 가정을 도입했어요. 이 알갱이 하나를 양자(quantum)라고 부른 게 양자라는 개념의 출발점이랍니다.

1905년에는 아인슈타인이 빛 자체도 양자 알갱이로 이루어져 있다는 광양자 가설을 내놓았어요. 빛이 금속에 부딪힐 때 전자가 튀어나오는 광전효과를 설명하기 위해서였는데, 빛을 파동이라고만 보던 당시 상식을 뒤집은 주장이었죠. 1913년에는 닐스 보어가 원자 속 전자가 정해진 궤도에서만 움직인다는 모형을 제시해 수소 원자의 스펙트럼을 깔끔하게 설명해냈고요.

본격적인 양자역학은 1925년 무렵에 두 갈래로 동시에 태어났어요. 독일의 베르너 하이젠베르크가 행렬을 이용한 행렬역학을 만들었고, 오스트리아의 에르빈 슈뢰딩거가 파동방정식을 이용한 파동역학을 거의 같은 시기에 완성했어요. 처음에는 두 이론이 전혀 달라 보였는데, 곧 수학적으로 동등하다는 것이 밝혀지며 하나의 양자역학으로 통합됐답니다. 여기에 1927년 하이젠베르크의 불확정성 원리, 1928년 디랙의 상대론적 양자역학이 더해지며 큰 틀이 완성됐어요.

양자역학의 기본 개념은 몇 가지 낯선 발상에서 출발해요. 첫째는 양자화로 에너지나 각운동량 같은 물리량이 연속이 아니라 띄엄띄엄한 값만 가질 수 있다는 거예요. 둘째는 파동-입자 이중성으로 전자나 빛이 상황에 따라 입자처럼도, 파동처럼도 행동한다는 점이에요. 셋째는 확률적 해석으로 입자의 위치나 속도를 콕 집어 말할 수 없고 어디에 있을 확률이 얼마라는 식으로만 기술할 수 있다는 거예요. 슈뢰딩거 방정식이 풀어주는 것이 바로 이 확률 분포랍니다.

넷째는 불확정성 원리로 위치와 운동량처럼 짝을 이루는 두 양은 동시에 정확히 알 수 없다는 한계예요. 측정 기술의 문제가 아니라 자연 자체가 그런 식으로 작동한다는 점이 충격적이었죠. 다섯째는 중첩과 얽힘으로 입자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있고, 멀리 떨어진 두 입자가 보이지 않는 끈으로 묶인 듯 함께 행동할 수 있다는 거예요. 슈뢰딩거의 고양이가 이 중첩을 설명하려고 만든 사고 실험이고, 얽힘은 오늘날 양자컴퓨터와 양자통신의 핵심 자원이 되고 있답니다.

처음 등장했을 때는 아인슈타인조차 '신은 주사위를 던지지 않는다'며 확률적 해석을 끝까지 받아들이지 않았어요. 그만큼 인간의 직관과 어긋나는 이론이지만, 100년 가까이 어떤 실험에서도 어긋난 적이 없는 가장 정밀한 물리 이론으로 자리 잡고 있답니다 :)