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현대 물리학을 쌍벽을 이루고 있는 대표적인 학문이 바로 상대성이론과 양자역학입니다. 둘 다 어려운 이론입니다 그중에서도 양자역학은 이해하기 상당히 어려운 이론입니다
과학자인 닐스 보어는 ‘양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그것을 제대로 이해하지 못한 것이다’ 라고 했고, 미국의 이론물리학자 리처드 파인만 역시 ‘이 세상에서 양자역학을 완벽히 이해한 사람은 단 한 명도 없다’라고 말했을 정도입니다.
그만큼 양자역학은 어렵다기보다 이해하기가 어려운 이론입니다. 현 세상에서 우리가 경험하고 눈으로 보던 모든 상식을 허물고 완전히 새로운 현상을 이해 하여야 하는 학문이기 때문입니다. 이 양자역학을 오늘은 제가 이해하기 쉽게 설명해 드리겠습니다.
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피타고라스 정리의 증명과 피타고라스 인물에 대하여 / 바로 가기
1. 양자 역학이란 무엇인가
우선 양자역학이 무엇인지부터 알아보겠습니다.양자 역학은 원자를 다루는 이론입니다. 원자의 행동을 설명하는 이론이 바로 양자 역학입니다. 원자는 화학적인 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위의 물질입니다.
즉 양자역학이란 모든 물질의 근원을 알아보는 학문이라고도 볼 수 있는 것입니다. 그럼 양자역학은 어디에 쓰일까요란 궁금증이 생길 것입니다.
간단하게 말씀드리면 양자 역학이 없었다면 반도체가 나올 수 없고 반도체가 없었다면 노트북이나 스마트폰과 같은 전자기기를 만드는 것은 불가능했을 것입니다.
다음 백과의 양자역학을 보시려면 아래의 링크를 클릭하세요
1-1. 원자란
이처럼 원자는 너무 작기 때문에 우리 눈으로 보는 것이 불가능합니다 현미경으로 조차도 볼 수 없을 정도로 작은 물질이 바로 원자입니다 원자가 얼마나 작은지 비유를 통해 설명드리자면 만약 원자를 500원짜리 동전 크기만큼 확대시킨다면 그것은 500원짜리 동전을 지구 크기만큼 확대시키는 것과 같을 정도로 엄청나게 확대한 것입니다
그만큼 정말 아주 아주 작은 물질이 바로 원자인데 세상 모든 물질은 바로 원자들의 결합으로 이루어져 있습니다. 사람, 코끼리, 컴퓨터, 핸드폰, 바나나, 책상 같은 우리 주변의 모든 것 들은 전부 원자로 구성되어 있습니다.
1-2. 원자의 구조와 전자와의 관계
앞서 말씀드렸듯이 양자역학은 원자를 연구하는 학문이며 원자에 대해 간단하게 설명하면 원자는 원자핵과 전자의 결합으로 이루어져 있습니다
원자핵이 가운데 있고 전자들이 원자핵을 중심으로 빙글빙글 돌고 있는데 여기서 중요한 사실은 원자핵과 전자의 사이가 엄청나게 멀리 떨어져 있다는 것입니다.
원자핵 바로 주변을 전자가 도는 것이 아니라 원자핵과 멀리 떨어진 곳에서 전자가 돌고 있는 것입니다. 그리고 이 둘 사이에는 텅 텅 비어 있는 상태입니다
예를 들어 원자핵이 농구공이라고 가정하고 그 농구공을 세종시청 앞 광장 한가운데 가만히 올려놓았다고 가정해 본다면 전자는 서울쯤에 떠다니는 먼지 한 톨 정도가 될 것입니다
이 정도로 원자핵과 전자는 멀리 떨어져 있는데 이런 원자핵과 전자의 결합을 우리는 원자라고 합니다. 그리고 이 원자는 모든 물질을 구성하고 있는 아주 작은 기본 물질인 것입니다.
2. 이중슬릿 실험
그렇다면 이제 이중슬릿실험을 알아보겠습니다. 이중슬릿이란 쉽게 말해 두 개 구멍이라는 뜻입니다 110 볼트 전기 콘센트 모양과 같이 두꺼운 종이에 두 개의 직사각형 모양의 구멍을 한번 뚫어 보겠습니다. 그럼 이중 슬릿이 만들어졌습니다.
2-1. 보편 적인 입자의 성질
이제 이 이중슬릿을 향해 입자와 파동을 한번 보내 보겠습니다. 먼저 입자를 보낸다면 입자는 두 개의 구멍 중 한 개의 구멍을 직선으로 통과 통과하게 될 것입니다. 슬릿의 구멍이 아니라 벽면에 부딪히면 튕겨서 나오기 때문입니다.
그럼 결국 입자들은 이중슬릿과 같은 모양으로 두줄을 그리며 도착해 있을 것입니다 그 두 개의 구멍으로만 입자가 통과할 수 있기 때문입니다
2-2. 보편적인 파동의 성질
다음으로 파동을 이중슬릿으로 보내 보겠습니다. 파동은 기본적으로 퍼져나갑니다 따라서 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 있습니다. 예를 들어 잔잔한 바다의 물결을 한번 생각해 보겠습니다
바다의 물결은 하나의 알갱이들이 아니라 크게 퍼져나가기 때문에 동시에 두 개의 슬릿을 함께 통과할 수 있는 것입니다 두 개의 슬릿을 동시에 지나온 파동들은 다시 만나게 되며 여러 물결을 만들어내게 됩니다.
따라서 파동을 이중슬릿을 보냈을 때는 입자를 보냈을 때 와 같이 두줄이 나오는 게 아니라 여러 개의 줄무늬를 그리며 도착하게 됩니다 이 줄무늬 모양을 우리는 간섭무늬이라고 합니다
입자파동은 단순히 두 개 구멍을 통과하는 것만으로도 완전히 다른 결과를 보여줍니다. 이때 과학자들은 빛이 입자인지 파동인지가 궁금해지기 시작했습니다
3. 토마스 영의 실험
이중슬릿 실험을 통해 빛이 입자인지 파동인지를 관찰해 봤습니다. 토마스 영이라는 과학자는 이중슬릿에 빛을 쏴 받습니다 그 결과 간섭무늬가 나타났습니다
이는 빛이 파동이란 것을 보여준 결과물이었습니다. 이후 빛 대신에 전자를 이중슬릿에 쏴 봤습니다. 전자는 질량도 있고 하나씩 집어 들 수도 있는 명백한 입자입니다.
따라서 과학자들은 이중슬릿과 같은 두 줄이 생길 것이다 예측했습니다 하지만 전자를 이중슬릿에 쏴본 결과 간섭 무늬가 나타났습니다. 이는 전자가 사실 파동이었거나 아니면 구멍을 통과한 뒤 여러 개의 입자로 바뀌었다는 것입니다.
하지만 전자는 누가 봐도 질량이 있는 명백한 입자였고 갑자기 여러 개로 바뀐다는 것은 더 말이 안 됐습니다 따라서 과학자들은 이 결과를 받아들이지 못했습니다
과학자들은 어떻게 이렇게 말도 안 되는 결과가 나온 것인지 알아보기 위해 전자가 날아가는 과정을 관찰해 보기로 했습니다 전자가 이중슬릿을 통과하기 직전에 딱 그 순간에 사진을 찍어 보기로 했습니다.
그러자 전자는 거짓말처럼 완벽한 입자로 바뀌었습니다 즉 간섭무늬가 나타나지 않고 이중슬릿과 같은 두 줄을 그린 결과가 나왔다는 것입니다.
이 말은 전자가 관측되기 전까지는 파동이었다가 관측되기 시작하니까 입자로 바뀌었다는 것입니다 과학자들은 이 같은 현상에 놀라움을 금하지 못 습니다
4. 관측이라는 자체가 실험 결과에 영향을 끼침
과연 어떻게 이런 일이 가능한 걸까요 이런 것을 이해하기 위해서는 우리는 '본다'라는 개념을 알아야 합니다 본다는 것은 빛이 관측 대상과 부딪혀 그 정보를 가지고 우리 눈에 들어오는 것을 말합니다
예를 들어 우리는 컴컴한 방에서 아무것도 볼 수 없습니다. 우리가 무언가를 보기 위해서는 빛이 필요합니다 그리고 본다는 것은 그 빛이 관측 대상에게 때리고(영향을 끼치고) 반사되어 우리 눈에 들어오는 것입니다
이처럼 우리가 어떤 물질을 보는 것은 빛이 그 물체를 때리는 것이나 마찬가지입니다. 전자와 같이 작은 입자들은 빛이 자신을 때리는 행위 자체가 엄청나게 큰 충격입니다
전자 입장에서는 바위 덩어리에 얻어맞은 것이나 마찬가지입니다. 따라서 본다는 것 관측한다는 것 자체가 실험 결과에 영향을 미치는 것입니다. 파동이었던 전자도 관측되는 순간 입자로 붕괴되어 버리는 것입니다
이 말은 빛이라는 광자가 전자와 부딪혀 상호작용을 하는 순간 우리가 이해할 수 있는 형태로 전자가 변하게 되는 것입니다. 서로 상호작용을 하기 전까지는 우리가 볼 수 없지만 상호작용이 일어나는 순간 우리가 볼 수 있는 형태로 변한 것입니다.
5. 슈뢰딩거의 고양이 실험
마지막으로 하나만 더 알아보겠습니다 양자역학 하면 빠질 수 없는 게 바로 슈뢰딩거의 고양이입니다 슈뢰딩거라는 과학자는 양자역학이란 영영의 학문을 아주 싫어했습니다.
그래서 그는 양자역학에 태클을 걸기 위해 사고 실험 하나를 진행하게 됩니다 하지만 이 실험은 오히려 양자역학이 가지고 있는 특성을 너무나 쉽게 설명하는 계기가 되었고 지금은 양자역학을 대표하는 시험이 되어버렸습니다.
가정을 하여 상자 안에 고양이와 독극물 그리고 망치가가 들어있습니다. 이 망치는 이중슬릿 장치와 연결되어 있습니다. 이중슬릿 두 개 중에 왼쪽 구멍을 통과하면 망치는 작동하지 않습니다
하지만 오른쪽 구멍을 통과하면 망치가 작동하고 독극물 병이 깨져 고양이가 죽게 될 것입니다. 양자역학에 의하면 전자는 관측되기 이전까지 두 개 구멍을 동시에 통과할 것입니다.
입자가 아닌 파동이기 때문인데 하지만 관측되는 순간 입자가 되어 둘 중 하나의 구멍밖에 통과하지 못할 것입니다 근데 여기서 중요한 건 전자를 관측되기 이전까지 왼쪽 구멍과 오른쪽 구멍을 동시에 통과한다는 것입니다
즉 망치는 작동 하거나 작동하지 않게 되며 독극물 병은 깨지거나 깨지지 않게 되고 고양이는 살아있는 상태와 죽어있는 상태를 동시에 가지게 될 것입니다
이것을 살아있다와 죽어있다가 '중첩되어 있다'라고 합니다. 현실 세계에서는 전혀 말이 안 됩니다 고양이는 살아있거나 죽어 있는 것 중 둘 중 하나입니다 두 개가 동시에 일어나는 일은 없는 것입니다.
하지만 양자역학에 의하면 슈뢰딩거의 고양이는 살아 있는 상태와 죽어있는 상태를 동시에 지니게 됩니다. 슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 미시세계에서 발생하는 특이한 현상을 현실세계까지 확장해서 연결한 실험입이다.
6. 닐스 보어의 주장
양자역학 찬성파의 대표적인 인물이었던 보어는 고양이도 사실 파동이라고 반박했습니다. 보어의 말에 따르면 고양도 두 개 구멍을 향해 계속 던지다 보면 파동처럼 간섭무늬가 나타날 수도 있다는 것입니다.
여기서 조건이 하나 있다고 하는데 고양이가 벽을 통과하기 위해서는 날아가는 도중 공기를 포함해 모든 충돌이 없어야 하고 빛도 절대 닿아서는 안 됩니다 고양이의 몸을 구성하는 원자들끼리도 서로 관측 일어나서는 안 됩니다.
그렇지 않으면 고양이는 파동이 될 수 없는 것입니다. 즉 내가 아니라 우주의 그 어떤 것이라도 고양이와 상호 작용을 하게 된다면 그 즉시 고양이는 파동성을 잃어버리게 됩니다
우리가 파동 형태의 고양이를 볼 수 없는 이유도 바로 이것 때문입니다 세상에 존재하는 대부분의 원자들은 이미 쌍을 이뤄 분자 상태로 존재하고 있습니다
적어도 두 개 이상의 원자들이 만나 하나의 물체를 구성한다는 것입니다 예를 들어 물은 수소원자와 산소원자의 결합으로 만들어집니다 이처럼 분자가 만들어지기 위해서는 적어도 원자와 원자가 서로 관측하고 있어야 하는 것입니다
이와 같이 모든 원자의 안정성은 양자역학의 중첩상태를 기반으로 하고 있습니다 과학자 닐스 보어는 양자역학을 두고 이렇게 말했습니다
'오로지 문제는 인간에게 있다 인간이 이해하지 못한다는 것 만이 문제고 동시에 두 개 구멍을 지난다는 이 상황을 설명할만한 언어가 없다는 것이 문제고 이런 개념과 경험이 없다는 것 만이 문제일 뿐 우주에는 아무런 문제가 없다'
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