양자역학

양자역학은 아원자 입자를 탐구하는 현대 물리학의 한 분야

양자역학은 주로 미시세계에 활용되고 있지만 거시 세계와도 매우 밀접한 관련을 갖고 있다. 미시 세계의 핵심 특성은 물리량들이 언덕처럼 연속적이지 않고 계단처럼 불연속적이라는 것이다. 이를 물리량이 양자화되어 있다고 부른다. 양자화되어 있다는 것은 특정한 양의 양자를 통해서 기술된다는 의미이다.

 

양자의 기본개념

양자라는 것은 쉽게 이야기하면 기본단위와 비슷한 것이다. 어떠한 물리량이 수학적으로 표현 가능한 방식으로 어떤 기본 단위의 정수배가 될 때, 그 기본 단위를 양자라고 부른다. 예컨대, 광자의 에너지는 E=hfE=hf로 나타낼 수 있고, 광자 여러 개는 E=nhfE=nhf로 나타낸다. 이렇게 수학적으로 나타낼 수 있는 물리량인 hfhf가 바로 양자(광자)인 것이다.

더 고전적으로 들어가면 밀리컨의 기름방울 실험도 있다. 밀리컨의 실험에서 기름방울의 크기는 제각각이지만 전하량은 어떤 특정 최솟값의 자연수 배이고 그 최솟값을 전자 1개의 전하량(양자)으로 특정지을 수 있다. 전하량은 양자화 되어있기 때문에 전자가 1.5개에 해당하는 1.5e와 같은 전하량은 볼 수 없는 것이다.

 

다른 이론들과의 관계

세간의 인식과는 달리 양자역학이 일상 세계에 적용되지 않는 것이 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에서도 적용할 수 있고. 일상 세계에 양자역학을 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 나온다. 그러니까 고전역학보다 양자역학이 적용 범위가 더 넓고, 고전역학의 여러 복잡한 난제들을 쉽게 설명할 수 있다. 다만, 일상 세계를 기술할 때는 굳이 더 복잡한 양자역학을 사용하지 않고, 충분히 정확한 고전역학을 이용할 뿐이다.

양자역학은 미시 세계에만 적용되므로 우리 일상과는 아무 관련이 없다고 오해받는 경우가 많은데, 과학기술의 발달로 인해 이미 우리 일상생활은 미시 세계와 밀접한 연관이 있기 때문에 이는 잘못된 생각이다. 당장 컴퓨터만 해도 그 원리에 양자역학 이론이 중요한 역할을 하고 있으며, 예를 들어 하드 디스크에도 양자역학의 원리를 이용해 작동하는 것들이 포함되어 있다. 빛처럼 빠른 세계, 그리고 중력이 매우 중요하게 작용하는 세계에서는 고전역학을 적용하는 데 문제가 생긴다.

예를 들어 원자 속의 전자를 다룰 때는 미시 세계이므로 고전역학 적용에 애로사항이 꽃피며, 이미 현실에서도 고전역학을 기반으로 만든 기계인 CPU 속에서 양자적 이슈들이 터지고 있다. 더 골치 아픈 것은 블랙홀의 특이점이나 빅뱅의 시작이 일어난 순간들은 크기가 아주 작은 미시세계이므로 양자역학을 써야 하지만, 동시에 그곳은 중력이 아주 큰 곳이므로 양자역학 적용에 문제가 생기기도 한다는 것이다.

빠른 세계를 다루는 특수상대성이론과 양자역학은 디랙에 의해 통합되어 상대론적 양자역학이 탄생되었다. 명확하게 말하면 전자(electron)에 한하여 양자 전기역학(QED)을(QED) 통해 디랙이 양자역학과 상대성이론을 묶는 것에 성공했다. 그러나 중력이 매우 중요하게 작용하는 세계를 다루는 일반상대성이론과 양자역학을 통합한 이론, 즉 양자중력 이론은 아직 없다.

초끈이론이 제시되고 있지만, 실험적 검증은 기술적으로 어려워서 아직 이루어지지 않고 있다. 상대성이론과 함께 우주에 기본적으로 작용하는 법칙을 설명하는 이론이다. 현대 물리학은 양자역학과 상대성이론이라는 두 개의 기둥에 의해 지탱되고 있다고 보면 된다.

 

대응 원리

양자역학과 고전역학의 관계를 설명하는 원리가 보어의 대응 원리이다.. 대응 원리에 따르면 양자역학과 고전역학은 거시적인 계에 대하여 동일한 결과를 낸다. 대응 원리를 설명하는 두 가지의 관점이 있다. 하나는 고전역학은 양자역학을 저해상도로 보아서 나타나는 것이라는 관점이다. 점묘화는 가까이서 볼 때는 점으로 보이며 멀리서 볼 때는 눈의 분해능의 한계로 인해 이어져 있는 모습을 보인다. 양자역학도 이와 비슷하게 거시적인 관점에선 고전역학과 같은 모습을 보인다는 것이다.

다른 하나는 고전역학은 양자역학의 결이 어긋나는 상태에 해당한다는 관점이다. 거시계에선 양자역학이 결이 어긋나면서 고전역학이 나타나게 된다는 것이다.