양자역학의 정의와 역사

 양자역학이란 대체 무엇일까? 이는 현대 물리학의 근간이라고 말할 수 있는 학문으로, 양자역학은 작은 것을 넘어, 초미세 입자 세계를 연구하는 학문이다. 이 세상은 매우 작은 입자들로 이루어진 세상이며, 사람의 눈으로는 절대 볼 수 없을 만큼 작은 것들로 이루어진 세상을 연구한다고 볼 수 있다. 이것은 때로는 확률, 때로는 통계의 이론이며, 때로는 파동, 때로는 신앙적인 부분, 또 어떨 때는 물리적으로 있을 수 없는 초자연적 현상까지도 연관되어 있다고 볼 수 있으며, 현대 전기/ 전자 산업의 핵심이라고까지 일컫는 학문으로, 기술/ 산업/ 학문/ 과학/ 예술/ 문학 등 수많은 학문 분야에 지대한 영향을 미치며, 과학 역사뿐만 아니라 무수히 많은 영역에도 연관되어 있는 20세기 가장 중요한 학문이라고 물리학의 한 분야/ 학문/ 이론으로 일컫는다. 

 현대 과학 문명의 역사는 19세기 이전과 20세기 이후로 나누어 설명될 수 있다. 그 이유는 이 매우 작고 미세한 입자를 발견하기 전/후로 나누어지는데, 그 이전을 고전물리학/ 고전역학으로, 그 이후를 현대 물리학/ 양자역학으로 구분 지어 설명될 수 있다. 이 세상에서는 고전 물리학만으로 설명할 수 없는 여러 자연현상이 있는데, 과거 과학자들은 이에 대한 탐구 의지를 포기하지 않았고, 그 결과 인류는 현대의 풍요를 누릴 수 있다고 해도 과언이 아닐 만큼, 이 매우 미세하게 작은 입자에 대한 연구는 인류의 역사에 너무나도 커다란 획을 그었다고 할 수 있다. 물리학 비전공자 중, 양자역학에 대한 학문 서적을 읽어봤다거나, 이 학문이 무엇인지 궁금해해 본 적 있는 사람은 아마 없을 것이다. 왜냐하면, 이 양자역학을 설명하는 이론들은 일반사람의 눈으로는 당최 이해할 수 없는 것들뿐이기 때문이다. 분명히 0에 가까워진다고 했는데, 0이 아니라고 한다거나, 요즘 흔히 유행하는 ‘있었는데, 없었어요...’ 같은 말을 학문적으로, 물리적으로, 수학적으로 풀어내니, 이걸 말장난이라고 해야 할지, 아니면 확률 통계라고 해야 할지, 놀리는 건지 갈피를 잡지 못하니 말이다. 예를 들자면, 양자역학의 이론에 따르자면, 순간이동, 벽 통과, 시간 여행 등 공상 과학 만화/ 소설/ 공포 영화에서 나올 만한 현상들도 설명할 수 있으니, 이 얼마나 황당한 학문이 아닐 수 없겠는가. 물론 사람의 실생활에서는 이런 현상이 발생하는 것은 불가능하다. 다만 양자역학 이론대로라면, 0%에 한없이 수렴하는 것이지, 절대 0이 될 수 없기 때문에, 가능할 수도 있다는 추론이 가능하다. 특히, 현대의 대부분 사람이 중고등학교를 졸업했다는 가정하에, 우리가 중고등학교에서 배웠던 수의 수렴을 배웠다는 사실을 기억하는 사람이라면, 이 이론에 대해 단번에 이해할 수 있을 것이다. 0에 한없이 수렴한다는 것은 절대 0이 아니라는 것을 말이다. 말장난 같이 들리기도 하지만, 이는 명백한 사실이 아닐 수 없으니, 참 재미있는 학문이다. 물론, 실제 양자역학을 배워야 하는 전공자의 입장에서는 죽을 맛이 아닐 수 없겠지만 말이다. 하지만, 양자역학이 막 생겨난 초창기 때에는 매우 큰 비난을 받았다. 달이 보이지 않는다고 존재하지 않는다는 말이냐며 사이비 취급을 받기도 했으니 말이다. 또한, 신앙사회로부터도 많은 비난과 공격을 받았는데, 그 이유는 이 세상은 신이 창조한 세계/ 세상이라는 인류 존재 기원에 위반되는 이론을 제시했기 때문이다.

 그렇다면, 이 양자라는 건 또 무엇을 일컫는 말일까? 양자의 정의는 ‘더 이상 나누는 것이 불가능해질 정도로 한없이 작은 에너지를 일컫는 단위’라고 말할 수 있으며, 연속적이지 않는 단위 요소를 일컫는다. 유명한 이중 슬릿 실험의 결과를 통해, 우리는 양자역학에 대해서 이해할 수 있는 실마리를 얻을 수 있다. 하나의 어떤 ‘것’이 입자가 될 수도 있고, 파동이 될 수도 있는지를 보여주기 때문이다. 또한, 어디선가 한 번쯤 들어봤을 슈뢰딩거의 고양이 같은 이론 또한 양자역학을 설명하기에 아주 훌륭한 예시라고 할 수 있다. 이중 슬릿의 실험 조건을 한없이 진공에 다가가게 만든다면 무늬가 간섭 모양을 나타내는 것을 관찰할 수 있다. 공기는 고체나 액체가 아닌 기체이기 때문에 ‘입자’의 수는 작을 수밖에 없으나, 전자는 분자에 비해 매우 미세하기 때문에, 이 이중 슬릿 실험에서 전자를 이용한다면 우리는 보다 쉽게 간섭현상을 관찰할 수가 있다. 이후, 많은 과학자가 이보다 더욱 큰 크기의 입자에서도 파동성을 실험적으로 관찰하거나 증명해 냈다. 이는, 어떤 하나의 존재가 그 존재 이외의 다른 어떤 것에 영향을 미치는데, 이 다른 어떤 것들이 많으면 많을수록 그것은 물체에 수렴하게 되고, 이와 반대로 주위에 영향을 미치는 것이 없어질수록 파동에 수렴한다는 의미이다. 그 때문에 슈뢰딩거의 고양이 같은 존재는 사물이 아닐 수 없다는 것을 증명할 수 있게 되는 것이다. 양자역학을 설명하는 데에 또 한 가지 빼놓을 수 없는 것이 바로 그 유명한 아인슈타인 박사의 상대성 이론이다. 양자역학과 더불어 상대성 이론 또한 이 우주의 근원에 다가갈 수 있는 실마리를 줄 수 있으며, 그 근원을 설명할 수 있는 이론이라고 볼 수 있으며, 현대 물리학은 이 두 학문으로 이루어져 있다고 해도 과언이 아니라고 할 만큼 매우 중요한 학문이라고 할 수 있는 것이다. 양자역학을 설명하는 데에 상대성 이론은 거론하지 않을 수 없는 이유는 매우 빠른 속도로 이동하는 매우 작은 입자와 관련된 현상을 설명하기 위해서는 양자역학에 상대성이론을 함께 연관을 지어 얘기하지 않을 수 없기 때문이다. 다음 블로그에서는 이 상대성이론과 이 상대성이론이 양자역학과 어떻게 합쳐졌고, 어떤 학문으로 거듭나게 되었는지도 설명해 보도록 하겠다.