양자역학 완벽 이해하기
양자역학을 완벽하게 이해한 사람은 아무도 없다
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1. 양자역학 완벽 이해하기
현대물리학을 이루고 있는 대표적인 이론은 '상대성이론'과 '양자역학'이다. 둘 다 어려운 이론이지만, 그중에서도 양자역학은 이해하기 굉장히 어려운 이론으로 알려져 있다. 과학자 닐스 보어는 "양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그걸 제대로 이해하지 못한 것이다"라고 했고, 로저 펜로즈는 "이론과 실험이 일치하며 동시에 심오한 수학적 아름다움을 갖추었지만, 이건 전혀 말이 안 된다"라고 했다. 리처드 파인만 역시 "이 세상에서 양자역학을 완벽히 이해한 사람은 한 사람도 없다"라고 말했다. 그만큼 양자역학은 이해하기 어려운 이론이다. 오늘은 이 양자역학을 누구나 이해하기 쉽게 설명해보고자 한다.
- 한 줄 요약 : 어렵다고 알려진 양자역학을 쉽게 설명하고자 한다.
2. 양자역학이 무엇인가?
양자역학은 원자를 다루는 학문이다. 조금 더 자세히 말하자면, 원자의 행동을 설명하는 학문이 바로 양자역학이다. 원자는 화학적인 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위의 물질이다. 이처럼 원자는 너무 작기 때문에 우리 눈으로는 볼 수 없다. 현미경으로도 볼 수 없는 정도로 작은 물질이 바로 원자이다. 얼마나 작은지 비유를 해보고자 한다. 만약 원자를 동전 크기만큼 확대시킨다면, 그건 동전을 지구 크기만큼 확대시키는 것과 같은 정도로 확대하는 것이다. 즉, 그만큼 작은 물질이 바로 원자이다.
양자역학은 아주 작은 물질인 원자의 행동을 설명하는 학문이다.
세상 모든 물질들은 바로 이 원자의 결합으로 이루어져 있다. 컴퓨터, 핸드폰, 사과, 바나나, 책상 등, 모든 것들은 원자로 구성되어있다. 즉 양자역학은 모든 물질의 근원을 알아보는 학문이라고도 볼 수 있는 것이다. 양자역학이 없었다면 반도체가 없었을 것이다. 그리고 그 반도체가 없었다면 노트북이나 스마트폰과 같은 작은 컴퓨터의 탄생은 불가능했을 것이다.
세상 모든 물질은 원자로 구성되어 있다.
양자역학이 원자를 연구하는 학문이니, 우선 원자에 대해 알아보고자 한다. 원자는 원자핵과 전자의 결합으로 이루어져 있다. 원자핵이 가운데 있고, 전자들이 원자핵을 중심으로 빙글빙글 돌고 있다. 마치 태양을 중심으로 지구가 공전하듯, 전자가 원자핵을 중심으로 돌고 있는 것이다. 여기서 중요한 사실은 원자핵과 전자 사이가 굉장히 멀리 떨어져 있다는 것이다. 원자핵 바로 주변을 전자가 도는 것이 아니라, 원자핵과 멀리 떨어진 곳에서 전자가 돌고 있는 것이다. 그리고 이 둘의 사이는 텅 비어있다.
원자는 원자핵과 전자의 결합으로 만들어지고, 이 둘의 간격은 굉장히 멀리 떨어져 있다.
예를 들어, 원자핵이 축구공이라고 가정하고 서울 시청 앞 광장 한가운데 놓았다고 해보자. 그렇다면 전자는 수원쯤에 떠다니는 먼지 한 톨이다. 그 정도로 원자핵과 전자는 멀리 떨어져 있다. 양자역학으로 영화 앤트맨을 설명할 수 있다. 원자는 원자핵과 전자로 이뤄져있고, 원자핵과 전자 사이는 멀리 떨어져 있다. 그리고 우리는 이 원자들로 구성되어 있다. 즉 원자핵과 전자의 간격을 좁히면, 우리는 작아질 것이다. 반대로 원자핵과 전자의 간격을 넓히면, 우리는 커질 것이다. 영화 앤트맨은 과학적으로 설명이 가능한 영화다.
양자역학의 핵심 내용은 이 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다. 양자역학에 의하면, 이 원자는 입자이기도 하고 파동이기도 하다. 이는 1927년, 솔베이 회의에서 나온 코펜하겐 해석을 계기로 만들어졌다. 양자역학의 찬성파와 반대파가 격돌한 회의었는데, 결국 찬성파가 반대파를 이기고 본격적으로 양자역학이 탄생하게 되었다. 이를 자세히 알아보고자 한다.
양자역학은 핵심 내용은 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다.
- 한 줄 요약 : 양자역학은 원자를 연구하는 학문이고, 이 원자가 파동인지 입자인지에 관한 질문이다.
3. 이중슬릿 실험
양자역학을 이해하기 위해서는 이중슬릿실험을 알아봐야 한다. 그리고 이중슬릿실험을 이해하기 위해서는 입자와 파동을 먼저 알아야 한다. 입자란 기본적으로 우리가 보고 만질 수 있는 것들은 입자라고 보면 된다. 즉 야구공과 같이 누군가에게 던져서 전달할 수 있다면 입자인 것이다. 반대로 파동은 기본적으로 우리가 보고 만질 수 없는 것들이다. 하지만 한 번에 다수에 대상에게 전달이 가능하다는 특성을 가지고 있다. 소리가 파동의 대표적인 예시이다.
쉽게 설명하자면 입자는 보고 만질 수 있는 것(야구공), 파동은 보고 만질 수 없는 것(소리)이다.
이중슬릿이란 쉽게 말해 두 개의 구멍이라는 뜻이다. 110V 전기 콘센트 모양과 같이, 두꺼운 종이에 두 개의 직사각형 구멍을 뚫어보자. 그리고 그 두 개의 구멍을 통해 입자와 파동을 한 번 보내보자. 먼저 입자를 보낸다면, 입자는 두 개의 구멍 중 하나를 통과할 것이다. 구멍이 아닌 벽에 부딪히면 튕겨져 나올 것이기 때문이다. 그럼 결국 입자들이 구멍과 같은 모양으로 두 줄을 그리며 도착해있을 것이다. 그 구멍으로만 입자가 통과할 수 있기 때문이다.
이중슬릿으로 입자를 보내면 두 줄이 생긴다.
다음으로 파동을 두 개의 구멍으로 보내보자. 파동은 기본적으로 퍼져나간다. 예를 들어, 파도가 친다고 한 번 생각해보자. 파도의 물결은 하나의 알갱이들이 아니라 크게 퍼져나가는 것이기 때문에, 동시에 두개의 슬릿을 함께 통과할 수 있다. 두 개의 슬릿을 동시에 지난 파동들은 다시 만나게 되며 여러 물결을 만들어 낸다. 따라서 파동을 이중슬릿으로 보냈을 때, 이 파동은 두 줄이 아닌, 여러 개의 줄무늬를 그리며 도착하게 된다. 이 줄무늬 모양을 '간섭무늬'라고 한다.
이중슬릿으로 파동을 보내면 간섭무늬가 생긴다.
이처럼 입자와 파동은 단순히 두 개의 구멍을 통과하는 것만으로도 완전히 다른 결과를 보여준다. 이때 과학자들은 빛이 입자인지 파동인지 궁금해하기 시작했다. 그리고 이 이중슬릿실험을 통해, 빛이 입자인지 파동인지를 관찰하고자 했다. 토마스 영이라는 과학자는 이중슬릿에 빛을 쏴봤다. 결과는 간섭무늬가 나타났고, 이는 빛이 파동이라는 것을 보여주었다.
빛이 입자인지 파동인지 확인하기 위해, 이중슬릿에 빛을 쏴보게 되었다.
이후 빛 대신에 전자를 이중슬릿에 쏴봤다. 전자는 질량도 있고, 하나씩 집어 들 수도 있다. 누가 봐도 명백한 입자였다. 따라서 당연히 이중슬릿과 같은 두 줄이 생길 것이라 예측했다. 하지만 전자를 이중슬릿에 쏴본 결과, 간섭무늬가 생겼다. 이는 전자가 사실 파동이었거나, 아니면 구멍을 통과한 뒤 여러 개의 입자로 바뀌었다는 말이다. 하지만 전자는 누가 봐도 질량이 있는 명백한 입자였고, 갑자기 여러 개로 바뀌었다는 건 더 말이 안 되었다. 따라서 과학자들은 이 결과를 받아들이지 못했다.
명백한 입자였던 전자를 이중슬릿에 쐈는데 간섭무늬가 생겼다.
과학자들은 어떻게 이런 결과가 나온 건지 알아보기 위해, 전자가 날아가는 과정을 관찰해보기로 했다. 전자가 이중슬릿을 통과하기 직전의 순간에 사진을 찍어 그 결과를 보려 했다. 그러자 전자는 거짓말처럼 완벽한 입자로 바뀌었다. 즉 간섭무늬가 나타나지 않고 정확히 두 줄을 그렸다는 것이다. 이는 전자가 관측되기 전까지는 파동이었다가, 괸측되기 시작하니까 입자로 바뀌었다는 것이다.
전자는 관측되기 전에는 파동이었지만, 관측된 후에는 입자로 나타났다.
과연 어떻게 이러한 일이 가능한 것인가? 이는 본다라는 개념으로 설명된다. 본다는 것은 빛이 관측 대상에 부딪혀, 그 정보를 가지고 우리 눈에 들어오는 것을 말한다. 예를 들어, 우리는 컴컴한 방에서는 아무것도 볼 수 없다. 너무 어둡기 때문이다. 이처럼 우리가 무엇인가를 보기 위해서는 빛이 필요하다. 그리고 본다는 것은 그 빛이 관측대상을 때리고, 반사되어 우리 눈에 들어오는 것이다.
본다는 것은 빛이 관측대상을 때리고 반사되어 우리 눈에 들어오는 것이다.
이처럼 우리가 어떤 물체를 보는 것은, 빛이 그 물체를 때리는 것이나 마찬가지다. 전자와 같이 작은 입자들은 빛이 자신을 때리는 행위 자체가 엄청나게 큰 충격이다. 전자 입장에서 교통사고를 당한 것이나 마찬가지다. 따라서 본다는 것, 관측한다는 것 자체가 실험 결과에 큰 영향을 미친 것이다. 파동이었던 전자는 관측되는 순간 입자로 붕괴된다.
이 말은 즉, 빛이라는 광자와 전자가 부딪혀서 상호작용을 하는 순간, 전자는 우리가 이해할 수 있는 형태로 변하게 되는 것이다. 서로 상호작용을 하기 전까지는 우리가 볼 수 없지만, 상호작용이 일어나는 순간 우리가 볼 수 있는 형태로 변하는 것이다.
우리가 관측함으로 인해 전자는 빛이라는 광자와 부딪혀 상호작용을 하게 된다. 그렇게 전자는 입자가 된다.
- 한 줄 요약 : 양자역학에 의하면, 작은 원자는 관측되기 이전에는 파동이고 관측된 후에는 입자가 된다.
4. 슈뢰딩거의 고양이
슈뢰딩거라는 과학자는 양자역학을 극도로 싫어했다. 따라서 그는 양자역학에 태글을 걸기 위해서 사고실험을 하나 하게 된다. 하지만 이 실험은 양자역학이 가지고 있는 특성을 너무 쉽게 설명했고, 따라서 지금은 양자역학을 대표하는 실험이 되어버렸다.
슈뢰딩거의 고양이는 양자역학을 비판하기 위해 만든 사고실험이지만, 이후 이게 양자역학을 설명하게 되었다.
상자 안에 고양이와 독극물, 그리고 망치가 들어있다. 이 망치는 이중슬릿 장치와 연결되어있다. 여기서 왼쪽 구멍을 통과하면 망치는 작동하지 않는다. 그럼 고양이는 살아있게 된다. 반대로 오른쪽 구멍을 통과하면 망치가 작동하고, 독극물병이 깨져 고양이가 죽게 될 것이다.
양자역학에 의하면 전자는 관측되기 이전까지 두 개의 구멍을 동시에 통과할 것이다. 입자가 아닌 파동이기 때문이다. 하지만 관측되는 순간, 입자가 되어 둘 중 한 구멍밖에 통과하지 못할 것이다. 여기서 중요한 건, 전자는 관측되기 이전까지 왼쪽 구멍과 오른쪽 구멍을 동시에 통과한다는 것이다. 즉 망치는 작동하거나 작동하지 않게 되며, 독극물병은 깨지거나 깨지지 않게 되며, 고양이는 살아있거나 죽어있는 상태를 동시에 가질 것이다.
전자는 관측되기 이전까지 파동이다. 따라서 두개의 슬릿을 동시에 통과하고, 중첩된 결과를 만든다.
이건 현실 세계에서는 말이 안 되는 말이다. 현실세계에서 고양이는 살아있거나 죽어있는 것, 둘 중 하나의 상태만을 가진다. 하지만 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 동시에 존재한다니, 말이 안 된다. 따라서 슈뢰딩거는 해당 논리를 가지고 양자역학을 반박했다. 즉, 슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 미세세계에서 발생하는 특이한 현상을 현실세계까지 확장해서 연결한 실험이다.
슈뢰딩거의 고양이 사고실험은 미시세계에서 발생하는 특이한 현상을 현실세계로 가져온 실험이다.
하지만 양자역학 찬성파의 대표적인 인물이었던 보어는 고양이도 사실 파동이라고 주장했다. 즉 고양이도 두 개의 구멍을 향해 계속 던지다 보면, 파동처럼 간섭무늬가 나타날 수 있다는 것이다.
하지만 날아가는 도중 공기를 포함해서 모든 충돌이 없어야 한다. 빛도 절대 닿아서는 안된다. 고양이의 몸을 구성하는 원자들끼리도, 서로 관측이 일어나서는 안된다. 그렇지 않으면 고양이는 파동이 될 수 없다. 즉 내가 아니라 우주의 어떤 것이라도 고양이와 상호작용을 한다면, 고양이는 파동성을 잃어버리게 된다. 우리가 파동 형태의 고양이를 볼 수 없는 이유도 이와 같다.
고양이도 이론상으로는 파동이 될 수 있다. 다만 이 세상 어떤 것과도 상호작용을 하면 안 된다.
세상에 존재하는 대부분의 원자들은 이미 쌍을 이뤄 분자 상태로 존재한다. 즉, 적어도 두 개 이상의 원자들이 만나 하나의 물체를 구성한다는 것이다. 예를 들어, 물도 수소 원자와 산소 원자의 결합으로 만들어진다. 이처럼 분자(물체)가 만들어지기 위해서는, 적어도 원자와 원자가 서로 관측하고 있어야 한다는 것이다. 이처럼 모든 분자의 안정성은 양자역학의 중첩 상태를 기반으로 한다.
이 세상 모든 물체는 두 개 이상의 원자들의 결합으로 이루어진다. 따라서 파동이 되지 않는 것이다.
보어는 양자역학을 두고 이렇게 말했다. "오로지 문제는 인간에게 있다. 인간이 이해하지 못한다는 것만이 문제고, 동시에 두 개의 구멍을 지난다는 이 상황을 설명할만한 언어가 없다는 것이 문제고, 이런 개념과 경험이 없다는 것만이 문제일 뿐, 우주에는 아무런 문제가 없다."
- 한 줄 요약 : 하나의 원자가 조금이라도 상호작용이 일어난다면, 해당 원자는 파동성을 잃게 된다.
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