양자역학이란 무엇인가

양자역학은 원자 이하의 미시세계를 다루는 학문이다. 원자나 전자 등 가장 최소단위의  눈에 보이지 않는 아주 작은 입자들의 운동 원리를 규명하는 학문이며, 아직 명확한 실체가 밝혀지지 않았다. 따라서 여전히 미지의 영역으로 남아있는 양자역학에 대하여 알아보기로 한다. 

 

양자역학

양자역학이란

 

1. 양자역학의 역사

 

1) 어떤 에너지나 물질이 일정한 계 내에서 불연속적이라는 주장이 양자물리학의 핵심이다.

2) 원자론 역시도 물질이 공간상에서 불연속적이라는 주장이다.

3) 통계역학에 미시적인 상태라는 가상의 개념을 도입했는데 물리학에서도 불연속적인 개념을 도입하였다.
4) 플랑크가 자신의 흑체복사 이론을 전개하기 위하여 에너지의 양자화라는 개념을 도입하면서 양자역학이 시작되었다.

5) 플랑크는 흑체복사현상에 한정하여 양자개념을 통계역학적으로 도입한 것이었는데 그 개념의 중요성과 파급효과가 양자역학의 수립에 대단한 기여를 한 것이다.
6) 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해 플랑크의 아이디어를 이용하여 빛 그 자체가 양자화되어 있다는 광양자설을 발표하였다. 

7) 닐스 보어는 플랑크의 아이디어를 이용하여 불연속적인 발머계열의 수소 스펙트럼을 설명할 수 있는 보어의 원자 모형을 고안하였다. 
8) 하이젠베르크, 보른, 요르단 3명이 함께 양자역학을 더욱 정교하게 가다듬은 형태로 만든 논문을 발표한다.

9) 이 논문들은 양자역학을 만든 삼부작 논문이라고 불리며, 이 삼부작 논문을 통해 행렬 역학이라고 불리는 양자역학 최초의 수학적 체계를 수립하는 데 성공한다.
10) 이 시기의 양자역학의 발명은 원자의 스펙트럼이 충분히 높은 정밀도로 측정되고 있었기에 가능한 것이었다.

11) 하이젠베르크는 스펙트럼 실험결과를 행렬로 해석하는 시도를 하여 성공했다. 
12) 하이젠베르크는 불확정성 원리를 통해 양자 수준에서 인과율이 존재하지 않음을 증명하였고, 지각의 근본적인 한계를 넘어서는 물리적 실재를 논하는 것이 무의미하다고 주장하였다.

13) 닐스 보어, 하이젠베르크 등 코펜하겐의 물리학자들을 필두로 이루어진 양자론의 물리학적 해석을 코펜하겐 해석이라고 부르게 된다. 

14) 파동함수는 측정 시 해당 지점에서 입자가 발견될 확률을 의미하며 측정의 주체가 측정을 하는 순간 파동함수가 존재로 나타난다는 의미이다.

15) 해석의 문제와 관련하여 양자역학의 불완전성을 주장하기 위해 아인슈타인의 EPR 역설, 슈뢰딩거의 고양이 역설, 숨은 변수이론 등이 제기되었다.

 

2. 양자역학 내용

 

1) 양자역학은 모든 역학, 전자기학을 포함하는 고전 이론을 일반화한다. 

2) 양자역학은 고전역학으로 설명되지 않는 현상에 대한 정확한 설명을 한다. 

3) 양자역학의 효과는 거시적으로는 관측이 어렵지만 고체의 성질을 연구하는 과정에서 양자역학 개념이 필수적이다. 

4) 양자역학이라는 용어는 독일의 물리학자 막스 보른이 처음 제시했다. 독일어 Quantenmechanik이 영어 Quantum mechanics로 번역되었고 일본에서 이를 양자역학이라고 번역했는데 이것이 한국에 그대로 들어와 양자역학이라 부르게 되었다.
5) 양자역학이란 말을 이해하려면 양자와 역학을 각각 살펴보는 것이 좋다. 양자로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. 

6) 역학은 말 그대로는 힘의 학문이지만, 실제로는 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론이라고 할 수 있다. 

7) 간단히 말해 힘과 운동의 이론으로 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 어떤 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있다.

8) 물리학자들은 양자역학과 상대성이론을 묶는 것에 성공했다.

9) 특수상대성이론까지는 양자역학에 포함하는 것이 어느 정도는 가능해졌지만, 일반상대성이론까지 포섭하는 길은 아직 미완성이다.

10) 중력이 매우 중요하게 작용하는 세계를 다루는 일반상대성이론과 양자역학을 통합한 이론, 즉 양자중력 이론은 아직 없다.
11) 양자중력이론의 후보로 초끈이론이라든지 이것저것 대두되고 있는 듯 하지만 확실히 해결 본 것은 없다.

12) 초끈이론은 양자역학과는 달리 아직 실험으로 단 한 번도 검증되지 않았다.
13) 양자역학의 측정 문제를 중력을 개입시켜 설명하는 경우도 있다. 

14) 보어는 아인슈타인의 광자 상자 사고실험을 중력의 작용으로 부정하기도 했다.

15) 전자를 관측할 때 광자와 전자의 전자기 상호작용뿐만 아니라 중력적 상호작용도 같이 일어나므로 불확정성의 최솟값은 더 큰 값이 된다.

16) 일부 학자는 파동함수의 붕괴가 중력 때문이라고 주장한다.

 

3. 양자역학의 응용

 

1) 양자역학은 과학기술 및 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다.

2) 반도체 기술에서부터 초전도체, 레이저, MRI, 인공지능 로봇공학 등 다양한 분야에서 적용된다.

3) 의학분야에까지 암 치료법 개발등 많은 영향을 미치고 있다. 

4) 태양을 대체할 핵융합로
5) 양자 역학을 이용한 완벽한 원자시계
6) 고도의 인공 지능을 위한 양자 컴퓨터
7) 행성 간의 여행 (양자 얽힘과 웜홀 통과, 은하 사이 통과)
8) 양자 암호를 이용한 네트워크 보안
9) 정밀 광학 기기 (양자 현미경, 양자 망원경)
10) 양자 역학을 이용한 나노테크놀로지와 의학 기술
11) 평행 우주, 다차원 우주에 대한 개념 설정
12) 시공 개념 붕괴 (암흑물질과 암흑에너지로 가득 찬 공간과 시간에 대한 부정)