양자역학 정의
양자역학이란 분자와 원자, 전자와 소립자 등과 같이 미시적인 계의 현상을 다루는 학문이다. 다시 말하자면 아주 작은 크기를 갖는 계의 현상에 대해 연구하는 물리학의 한 분야이다. 아원자 입과나 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초적인 학문이다. 아무리 기이하고 터무니 없는 사건이라 할지라도 발생 확률이 0이 아닌 이상 반드시 사건은 발생된다는 물리학적 아이디어를 기반으로 하고 있다. 양자역학에서의 양자는 물리량에 기본단위가 있고 그 기본 단위는 정수배만 존재한다는 뜻을 가지고 있다. 양자역학은 현대에 주요 부품인 반도체의 원리에 대해 잘 설명할 수 있고, 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가되고 있다.
19세기 중반까지의 실험들의 경우엔 뉴턴의 고전역학을 통해 설명이 가능했으나 19세기 후반부터 20세기 초반까지 진행된 전자, 양성자와 중성자 등의 아원자 입자와 관련된 실험들의 경우 고전역학의 설명으론 모순이 발생되어 이를 해결하기 위해선 새로운 역학 체계가 필요하게 되었다. 양자역학은 이 새로운 역학체계를 위해 등장 했으며 플랑크의 양자 가설을 계기로 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 디랙 등과 같은 인물들에 의해 만들어진 전적으로 20세기에 만들어진 학문이다. 양자역학에서 플랑크 상수를 0으로 극한을 취하면 고전역학으로 수렴을 하게되는데 우리는 이 원리를 대응 원리라고 부른다.
미시세계를 탐구하는 양자역학의 경우 물리량은 기본적으로 불연속적이다. 이와 반대로 거시세계를 연구하는 고전역학의 경우엔 물리량은 연속적으로 볼 수 있다. 좀 더 쉽게 이해하기 위해 예시를 들자면 우리가 멀리서 모래사장을 바라본다고 하면 이는 우리가 물리현상을 거시세계에서 보는것이라 할 수 있고, 이 관찰의 경우 모래사장의 표면은 연속적으로 보인다. 이처럼 거시세계에서 우리가 관찰하는 물리현상들은 물리량이 연속적이라고 할 수 있다. 하지만 우리가 모래사장에 점점 가까이 다가가서 관찰을하게되면 거시세계에서 미시세계로 관찰의 단위는 줄어들고 모래사장 가까이서 관찰을 하게되면 모래사장의 표면들은 불연속적으로 관찰이 된다. 이를 미시세계에서 물리현상이 불연속적으로 관찰된다고 볼 수 있다. 다시 말하자면 거시세계에서 특정 물리량을 관찰하게되면 그 물리량의 불연속성이 미시세계의 관찰 기준에 대비해 너무 미세하여 우리는 마치 그것이 연속된것처럼 보이지만 관찰의 단위를 거시세계에서 미시세계로 바꿀 경우 불연속성으로 보일 수 있다는 것이다.
양자역학은 모든 역학과 전자기학을 포함한 고전이론을 일반화할 수 있다. 양자역학의 경우 고전역학으로 설명되지 않는 현상에 대해 정확히 설명이 가능하다. 양자역학의 효과는 거시적으로는 관측이 어렵지만 물체의 성질을 분석하는 과정에선 양자역학의 개념이 필수적이다.
양자역학 영향
프랑크와 보어의 초기 양자역학의 경우 전자의 궤도가 점프되는 현상을 강조했지만 후기의 슈뢰딩거, 하이젠베르크의 이론은 전자의 위치가 확률적 분포로 밖에 알 수 없다는 점을 강조했다. 초기 양자역학은 원자폭탄과 반도체 등과 같은 이론적 배경을 제공했지만 후기의 양자역학은 물질에 대한 인식에 변화를 가져다주었다. 특히 후기 양자역학은 인산의 인식 한계성을 인정하게되어 현대철학에도 영향을 줄 수 있었다.
한편 19세기 말부터 20세기 초반까지의 실험이 가능한 물리학이 실험이 불가능한 영역에 이르렀다는 한계점을 내포하기도 한다. 물리학은 실제 20세기 후반부터 21세기까지 끈이론, 통일장 이론등 다양한 이론들을 내놓았으나 실험이 불가능하여 가설에 그치는 경우가 많았다.
양자역학 역사
양자역학의 형성기는 제1차 세계대전의 종료 시기로 종료가 되면서 평화 회복과 더불어 물리학이 발전되기 시작했다. 1918년 노벨상은 패전국인 독일의 물리학자인 막스 플랑크가 받게 되었으며 독일을 중심으로 양자역학은 진전이 되었다. 특히 그 중심지는 1921년 이론물리학 연구소가 개설된 코펜하겐과 함께 뮌헨, 괴팅겐이나 레이던이었으며 그 외에 취리히의 에르빈 슈뢰딩거, 베를린의 알베르트 아인슈타인도 함께 연구하게되었다. 이 형성기엔 젊은 세대들의 활약이 뛰어났다. 양자역학의 형성은 두갈래 길로 되어있다. 한쪽은 보어의 원자 모형에서 출발하여 대응원리에서 행렬 역학으로 통하는 길이며 다른 한쪽은 아인슈타인의 광자를 비롯해 루이 드브로이의 물질파를 거쳐 도달하는 파동역학의 길이다. 이 둘의 경우 형성과정이나 수립된 이론은 완벽하게 달랐지만 얼마 가지 않아 사실상 같은 내용이라는 것으로 확인 되었고 통일체로서 양자학으로 간추려졌다. 양자역학의 형석이 마무리될 무렵 물리학은 새로운 단계로 들어가게 되었다.
양자역학의 성립기는 행렬역학과 파동역학의 경우 다른 관점에서 출발했고 전혀 다른 형태로 형성이 되었지만 그 결과는 정확히 일치했다. 이것은 우연이 아니라고 판단한 에르빈 슈뢰딩거는 파동역학에서 행렬역학의 유도를 하여 양자의 동등성을 증명했다. 폴 디랙과 파스쿠알 요르단은 변환이론을 수립했고 이것을 통해 두 이론은 하나로 통합이 되었다. 1926년 양자역학이 성립되었다. 양자역학의 형식이 성립되었지만 물리적 해석의 경우 아직 많은 문제점들이 남아있었다. 예를 들어 파동의 개념에 대해 파동역학의 창시자인 슈뢰딩거는 이것을 실재하는 것으로 보았지만 아인슈타인의 반론을 받게되었고 보른의 확률해석을 통해 대체되었지만 확률해석 또한 불충분하여 많은 모순으로 유도된다고 판명되었다. 결국 낡은 물리학의 사고방식으론 양자론의 개념을 설명할 수 없게되자 1927년 베르너 하이젠베르크의 불확정성원리가 나타나게되었다. 파와 입자의 두개의 상을 결부시키면서 발생하는 이 관계에 대해 미시적 세계에선 일상 경험을 통해 만들어진 관념은 통하지 않는다는 것을 강조했다. 보어는 이 생각을 다시 자연인식 일반으로 확대하여 양자역학의 일관된 해석을 수립해 상호보완성의 원리를 성립했다.
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