양자역학의 흐름
-천재물리학자들의 쿵푸와 공
2021년 여름
제주인문학당 흥소에서 천재물리학자들의 쿵푸와 공을 공부하며
양자역학의 흐름을 연도별로 정리한 내용입니다.
저작권 문제로 사진은 생략하였습니다.
[고전역학] 물체의 속도와 위치를 알면 과거와 미래 를 계산할 수 있다. (뉴턴의 운동법칙)
[양자역학]
1672 : 뉴턴, 빛은 입자다.
1803 : 토머스 영, 이중슬릿 실험 : 빛은 파동이다.
1861 : 맥스웰, 빛의 본질은 파동(전자기파)이다.
1897 : 톰슨, 전자를 발견/러더퍼드, 원자핵을 발견
1900 : 막스플랑크가 에너지 양자(quantum) 발표
원자의 세상에서는 에너지 흐름이 불연속적이다.
1905 : 아인슈타인의 광양자설 : 빛은 입자다.
1913 : 닐스 보어, 원자 모형 발표
전자는 각 에너지에 맞는 궤도를 갖는다. 전 자가 원자핵과 가까운 궤도로 이동할 때는 에너지를 잃으면서 빛을 내고 원자핵과 먼 궤도로 이동할 때는 에너지를 얻는다. 전자는 정해진 궤도에서만 존재할 수 있는데 현재 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때는 연속적으로 이동하는 것이 아니라 사라졌다가 갑자기 나타난다. 이를 양자도약(퀀텀점프)라고 한다.
1915 : 아인슈타인의 일반상대성이론
미인과 함께 있으면 1시간이 1분처럼 느껴지 지만 뜨거운 난로 위에서 있으면 1분이 1시 간보다 길게 느껴지는 것과 같은 이치다.
1923 : 드브로이의 물질파
전자의 움직임이 파동의 특성을 보일 수 있다.
λ(파장)=h(플랑크상수)/p(운동량)
1925~1926 :
(1) 하이젠베르크의 행렬역학 (전자는 입자) 전자는 너무 작고 빨라서 운동을 관측한다는 것은 어렵다. 그러므로 전자의 위치와 속력 같은 것을 이야기해서는 안 된다. 전자에 대해 알 수 있는 진동수와 세기만으로 전자의 운동을 기술해야만 한다.
(2) 슈뢰딩거의 파동방정식 (전자는 파동)
시간에 따른 파동함수로 미적분 방정식을 이 용하여 전자가 가지는 에너지를 계산할 수 있다.
(3) 보른의 확률해석
슈뢰딩거의 미분 방정식을 확률밀도함수로 바꾸어서 해석한다.
1927 : 전자의 이중슬릿 실험, 양자중첩현상: 전자는 입자임과 동시에 파동이다.
1927 : 보어의 상보성 원리 발표
양자역학에서는 서로 공존할 수 없는 2개의 배타적인 특성이 상보적으로 공존할 수 있 다. 예를 들어 전자의 입자성과 파동성은 상보적이다. 전자는 입자이며 파동이다. 입자에 대한 실험을 하게 되면 입자를 보게 되고 파동에 대한 질문을 하면 파동을 보게 된다. 결국 중요한 것은 질문, 즉 무엇을 물어보느냐이고, 더 나아가서 문제는 우리가 가진 언 어에 있다고 지적했다. 전자가 이중성을 가진다는 사실이 문제가 아니라 우리에게 입자성과 파동성을 동시에 상보적으로 가지는 상태에 대한 언어가 없다는 것이 문제라는 것이다.
1927 : 5차 솔베이 회의 ‘광자와 전자’
(1) 확률해석
(2) 관측: 우주는 거시 세계와 미시세계로 나누어져 있다. 우리의 일상생활이 포함되는 거시 세계는 뉴턴으로 대표되는 고전 역학이 지배 하는 세계이고, 미시 세계는 양자 역학이 지배하는 세계다. 미시 세계의 규칙은 거시 세계와는 확연히 다르다. 거시 세계에서 물질의 상태는 우리 눈으로 보지 않아도 이미 결정되어 있는 상태고, 우리가 눈으로 본다고 해서 그때 갑자기 결정되는 것이 아니다. 하지만 미시세계에서는 그렇지 않다. 예를 들면, 빛이 입자냐 파동이냐에 대한 결정은 대상을 관측했을 때 정해진다. 다시 말해서 전자는 파동함수로 상태를 서술할 수 있는데, 측정되기 전에는 여러 가지 상태가 확률적으로 겹쳐있는 것으로 표현되고, 관측을 진행하면 그와 동시에 파동함수가 붕괴해 버리고, 더 이상 겹침 상태가 아니라 단 하나의 상태로 결정된다.
(3) 하이젠베르크 불확정성의 원리 : 측정하는 행 위가 결과에 영향을 줄 수 있다. 전자는 너무 작기 때문에 우리가 빛을 이용해 전자의 위치 와 운동량을 관찰하려고 하면, 빛(광자)에 영 향을 받아 측정이 부정확해진다. 예를 들어 물의 온도를 측정하려고 할 때, 온도계 자체 의 열이 있기에 물의 온도를 약간 변한다는 것이다. 즉, 관찰 수단 자체가 지닌 물리적 특성으로 인해, 관찰 대상의 실제 값이 왜곡 되어 정확한 정보를 추출할 수 없다는 것이다. 관찰자의 관찰 행동 자체가 전자에 영향을 주기 때문에 어떠한 관찰수단을 썼느냐에 따라 그 값은 불확실 정도가 달라진다는 것이 다. 이를 하이젠베르크의 불확정성의 원리라고 한다.
(4) 상보성 : 모든 물질은 입자의 성질과 파동의 성질을 갖고 있고, 서로는 상호보완적이다.
(5) 비국소성: 얼마나 떨어져 있든지 동시에 정보를 보낼 수 있다.
1935 : 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험
원자들이 여러 개 모여서 이루어진 고양이 역시 존재가 확률로 나타나지 않겠는가? 라며 코펜하겐 해석을 반박하기 위해 사고 실험을 제안했다.
1935 : 아인슈타인의 EPR 사고 실험
물리적 실재성의 양자역학적 해석이 완벽한가? 일단 물리적 실재성이란 측정을 하지 않고도 존재하는 값을 말한다. 코펜하겐 해석이 관측하는 행위가 물리적 대상을 만들어낸다고 하였으나 물리적 실재성은 관측 없이도 존재한다.
1957 : 에버렛의 다세계 해석
양자 다중 우주 다세계 해석에서 파동함수의 붕괴는 없다. 그렇다면 측정할 때 무슨 일이 일어나는가? 한마디로 우주가 여러 개로 나뉜다.
1964 : 벨 부등식 아스펙트 실험
세상에는 숨은 변수가 없으며, 우주는 국소적 실재성을 갖지 않는다. 양자 세계에서는 두 입자가 전 우주적으로 얽혀 있거나 실재 가 존재하지 않을 수 있다.
1970 : 독일 물리학자 디터제의 결어긋남
고양이는 주변 환경 공기와 끊임없이 상호작 용을 하므로 파동함수에 변형을 일으키고 단 하나의 분자가 고양이와 부딪혀도 산 고양이 와 죽은 고양이의 파동함수가 분리되기 때문 에 두 고양이가 공존하려면 파동함수가 거의 동일한 모드로 진동하여야 한다. 즉 두 개의 파동함수가 결맞음 상태로 있어야 중첩상태의 공존이 가능하다. 즉, 현실 세계에서는 고양이와 주변 환경(관측)을 분리할 수 없다고 지적하며 이러한 상태를 결어긋남이라고 명명하였다.
1999 : 오스트리아 빈 대학 안톤 차일링거 교수팀의 거대분자 이중슬릿 실험
본 내용은 <김상욱, 『김상욱의 양자 공부』, 사이언스북스, 2017> 을 정리한 것입니다.
참고한 책
『양자혁명: 양자물리학 100년사』, 까치, 2014 김성구, 『아인슈타인의 우주, 종교와 불교』, 불광출판사, 2018 김상욱, 『김상욱의 양자 공부』, 사이언스북스, 2017 육근철, 『플랑크가 들려주는 양자 이야기』, 자음과 모음, 2021 곽영직, 『보어가 들려주는 원자 모형 이야기』, 자음과 모음, 2021 정완상, 『아인슈타인이 들려주는 상대성이론』, 자음과 모음, 2021 곽영직, 『슈뢰딩거가 들려주는 양자 물리학 이야기』, 자음과 모음, 2021 이옥수, 『하이젠베르크의 양자역학, 불확정성의 과학을 열다』, 2016 짐 오타비아니, 김소정 옮김, 『닐스 보어』, 푸른 지식, 2015
