양자역학의 양자란 무엇인가?
토니 스타크를 추모하며
사전을 찾아보면 이런저런 설명이 있습니다. 표준국어사전에서 다음과 같이 등재되어 있어요.
"더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위. 복사 에너지에서 처음 발견하여 '에너지 양자'라고 불렀으며 그것이 빛으로서 공간을 진행할 경우 '광양자'라고 한다."
어렵지요? 정의가 잘못된 것은 아니지만, 평범한 사람은 전혀 이해할 수 없으리라 생각합니다. 이걸 이해하려면 과학의 역사를 좀 더 공부해야 하고 물리학적인 지식이 있어야 하니까요. 정식으로 이해하는 방법과 편법으로 이해하는 방법이 있겠습니다. 정식으로 이해하시고 싶으신 분은 이 글 아래에 있는 두 개 링크를 클릭하세요. 그러면 양자역학의 양자의 의미를 잘 이해하게 될 뿐만 아니라 다른 사람한테 설명도 할 있습니다. 편법도 좋은 방법이지요. 편법부터 설명합니다.
'양자(Quantum)'의 '양'은 음양의 양, 음수/양수의 양이 아니라, '양 좀 많이 주세요'할 때의 그 '양'입니다. 양자의 뜻은 원래 기묘해야 합니다. 원인은 알 수 없지만 기묘한 결과를 보이는 아주 작은 존재를 일컬어 양자라고 부르는데요. 그 기묘함이란 무엇인가요? 양자란 무엇인가? 이렇게 설명해 볼 수 있을 것 같아요.
알갱이 같은데 알갱이 같지 않은 아주 작은 알갱이.
나타났다가 사라지고 한 개였다가 두 개가 되는 등, 불연속적인 등장하는 작은 공을 생각해 보십시오. 그런 것이 가능한 알갱이가 있다면, 그것이 양자입니다. 양자 자체의 의미는 열역학 분야의 흑체이론에서 시작해서 다양하게 그 의미가 확산되고 변형되어 왔습니다. 그래서 단어 자체의 뜻을 이해하기보다는 양자역학의 관점에서, 양자역학이라는 개념 덩어리에서 거꾸로 양자의 개념을 이해할 필요가 있습니다. 대들보를 이해한 다음에 집을 이해하는 게 아니라, 집을 이해한 다음에 그 집의 대들보를 이해하는 순서와 같은 이치입니다.
양자역학에서 양자는 세 가지 특징을 보입니다.
그 특징을 만족하는 입자, 그걸 양자라고 이해하면 대략 맞습니다. 다음과 같은 특징입니다.
첫째, 어떤 입자가 공간에서 하나 이상의 영역에 위치할 거라고 우리가 생각할 수 있고,
둘째, 이때 그 입자는 흘러다니고(파동wave의 특징), 그런데 그게 또 어떨 때에는 흐르지 않고 알맹이(입자particle)일도 있다는 거. 그래서 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수도 있는, 입자이면서 파동인 알갱이. 단, 동시에 입자이면서 파동일 수는 없다는 거야. 동전의 앞뒤면을 생각해 볼 필요가 있는데, 동전의 한 면에 앞면과 뒷면이 동시에 나타나지는 않지만, 동전은 앞면도 있고 뒷면도 있는 것과 같은 이치. (동전의 비유) 그런데!! 보통의 동전과 달리, 앞면과 뒷면이 서로 따로 논다.
셋째, 양자의 위치를 정확히 알 수도 있지. 그러려면 반드시 ”관찰”이 필요. 그런데 관찰로 측정하는 순간 파동성이 사라지고 입자만으로 존재한다. 관찰자가 등장하면 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 없음. 관찰을 하지 않으면 이 알맹이는 파동성을 회복하고 막 흘러다님. (니가 관찰을 하고 있는지 어떻게 아냐고!!!) 그래서 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 있다. 결과적으로 그 입자의 위치와 운동을 동시에 알 수는 없다. 양자역학의 특징을 설명하는 유명한 이론 - 불확정성의 원리.
이 세 가지 특징을 만족하는 입자가 있다면, 그걸 양자라고 부를 수 있겠습니다.
빛을 이루는 광자(포톤photon)는 양자입니다. 양자는 이 빛 알갱이에서 시작했답니다. 전자도 양자입니다. 원자도 중성자도 양자가 되겠지요. 다소 크기가 큰 분자도 양자로 밝혀지기도 했답니다. 양자역학으로 조금 더 큰 세계, 그러니까 거시세계와 우주를 해석하는 것은 불가능할까요? 그러자마자 이런 질문이 되돌아왔었지요. 고양이는 양자입니까?(쉬뢰딩거) 달은 양자입니까?(아인슈타인) 이것에 대한 답변과 다양한 해석이 현대의 양자역학 이야기가 되겠습니다. 과학자는 어째서 이런 논쟁을 하는 것일까요?
법칙에 대한 욕망때문이지요.
절대지식 같은 거요.
인류는 작은 세계와 큰 세계 모두에 적용될 수 있는 하나의 자연법칙을 찾으려는 욕망이 있고, 양자역학이 그 법칙이 아니겠냐며 확대해석하고 싶은 것이죠. 그래서 과학자들은 이런저런 논쟁을 합니다. 그러나 어차피 잘 모르는 이야기라는 점에서는 저 같은 일반인이나 명철한 물리학자나 그다지 다르지 않습니다.
양자역학의 비밀을 풀어낸 유일한 사람을 우리가 알고 있지요.
"토니 스타크", 아이언맨입니다.
어벤저스 엔드게임이 그 증거이지요.
이상은 그냥 편법으로 '양자'의 개념을 알아본 것입니다.
조금더 정확한 내용을 보고 싶다면,
다음 두 개의 기사를 클릭하세요.
아주 깊고 넓게 이해하실 수 있어요!
수식 없습니다.
https://brunch.co.kr/@jwsvddk/64: 양자역학 제1부
https://brunch.co.kr/@jwsvddk/76: 양자역학 제2부
최근 코디정이 편집한 책 (만약 양자역학에도 관심이 있지만 문학과 역사에도 관심이 있는 분이라면.. 독자들이 읽고 웃고 우는 그런 책입니다)
http://www.yes24.com/Product/Goods/110133960
