양자역학

양자역학은 분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 계의 현상을 다루는, 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 분야다. 또는 아원자 입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론이다. 양자역학의 양자는 물리량에 기본 단위가 있으며, 그 기본 단위에 정수배만 존재한다는 뜻으로 '아무리 기이하고 터무니없는 사건이라 하더라도, 발생 확률이 0이 아닌 이상 반드시 일어난다'는 물리학적 아이디어에 기반한다.

양자역학은 현대 물리학의 기초로 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주고, 과학기술, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 큰 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가되고 있다.

 

17세기부터 물리학자들은 거시적 현상을 설명하기 위해 고전역학을 지속 연구해왔다. 그러나 이 고전역학으로는 물체의 속도가 빛의 속도에 가까울 때의 현상에 관해 설명할 수 없었다. 또한 반대로 원자처럼 아주 작은 물체인 미시세계의 실험 결과도 고전역학으로 불가해한 영역이었다. 이에 1900년부터 1927년에 걸쳐 많은 물리학자(플랑크, 보어, 아인슈타인, 슈뢰딩거, 하이젠베르크 등)가 새로운 역학 체계를 제시하였다. 그것이 바로 양자역학이다.

 

양자역학이라는 용어는 독일의 물리학자 막스 보른이 처음 제시했다. 독일어 '퀀텐메카닉'이 영어 'Quantum mechanics'로 번역된 후 일본에서 이를 '양자역학'이라 번역해 그대로 한국에 들어와 부르게 되었다.

 

양자역학을 이해하려면 '양자'와 '역학'을 각각 살펴봐야 한다. '양자 量子'로 번역된 영어의 'quantum'은 양을 의미하는 말로, 뭔가가 띄엄띄엄 떨어진 모양으로 있는 것을 뜻한다. '역학 力學'은 말 그대로 '힘의 학문'이지만, 실제로는 '어떤 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학 이론'이라고 할 수 있다.

 

고전역학은 인과법칙을 따르고 우연성을 배제하며 현재의 상태를 정확하게 알 수 있다면 미래의 어느 순간에 어떤 사건이 일어날지를 예측할 수 있다는 결정론적 입장을 취한다. 결정론이란 인간의 행위를 포함하여 이 세상에서 일어나는 모든 일은 우연이나 선택의 자유에 의하여 일어나는 것이 아니라, 일정한 인과관계의 법칙에 따라 결정된다는 이론을 뜻한다.

이러한 물리학을 일반적으로 뉴턴 물리학이라고 하며, 상대성이론과 뉴턴 물리학을 합쳐 고전역학이라 한다.

반면 양자역학은 고전역학과 달리, 현재 상태에 대하여 정확하게 알 수 있더라도 미래에 일어나는 사실을 정확히 예측하기란 불가능하다는 확률론적 입장을 취한다. 20세기에는 양자역학이 대두하면서 확률론적 결정론이 유력해졌다. 그러나 과학자들 가운데는 아인슈타인처럼 확률론적 사고방식에 익숙하여 끝까지 양자역학을 받아들이지 않은 물리학자도 있었다.

 

학자들은 이런 띄엄띄엄 떨어져 있는 특정의 '양자'가 몇 개 있는지 세는 방식으로 새롭게 힘과 운동의 관계를 밝히고자 했다. 그러나 이러한 노력은 기초 아이디어만으로 도저히 설명 불가한 새로운 현상들이 발견됨으로써 위기를 맞는다.

 

수소 다음으로 간단한 원자인 헬륨의 원자 모형이나 네덜란드 물리학자 제이만이 발견한 현상들은 양자역학으로 전혀 설명할 수가 없었다. 이후 연구를 거듭하여 초기의 '양자' 가설을 베이스로 전혀 새로운 역학이 탄생하게 된다. 독일의 베르너 하이젠베르크, 막스 보른, 파스코 알 요르단, 파울리 등이 수학 기법 중 행렬을 이용하여 기존과 완전히 다른 새로운 역학을 창조했다. 이를 초기엔 '행렬역학'이라 불렀다.

 

그 후 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 '파동역학'이라 부르는 새로운 역학을 만들었다. 이들 행렬역학과 파동역학은 그동안 양자역학으로 해결할 수 없던 현상들을 아주 탁월하게 설명해냈다.

 

이 이론을 토대로 학자들은 많은 문제를 풀어낼 수 있었지만, 새로운 철학적 문제가 대두되었다. 바로 '안다는 것이 무엇인가' 하는 것이었다. 원자가 관련된 것을 설명하기 위해 양자역학은 '파동함수'라는 수학적인 도구를 이용하는데, 이 파동함수의 의미를 둘러싼 논쟁이 뜨거웠다. 대체 파동함수가 정확히 무엇인지를 아무도 제대로 대답하지 못했다.

 

덴마크의 수도 코펜하겐에서 보어와 하이젠베르크 간의 논쟁이 있었는데 이를 양자역학의 코펜하겐 해석이라고 부른다. 양자역학의 표준적 해석을 체계화하고자 했던 움직임이었다.

그 뒤 브뤼셀 솔베이 회의에서도 양자역학의 기초에 관한 논쟁이 활발했는데 보어는 여기서 '상보성 개념'에 기초를 둔 양자역학의 해석을 주장하는 데 어느 정도 성공한 것으로 보인다. 1927년 솔베이 회의에서 벌어졌던 보어와 아인슈타인의 논쟁으로 인해 다양한 해석들이 대두되었는데, 대표적으로 앙상블 해석, 결 풀림 해석 등이 있다. 지금까지도 통일된 해석이 있는 것이 아니어서 1964년 미국의 물리학자 리처드 파인먼이 얘기했던 '양자역학을 제대로 이해하는 사람은 없다'는 말처럼 양자역학의 해석 문제는 여전히 골치 아픈 문제로 남아있다.

 

초기의 양자역학은 원자폭탄, 반도체 등에 영향을 미쳤고, 후기의 양자역학은 물질에 대한 인식에 커다란 변화를 해주었다는 것에 큰 의미가 있다. 특히 후기 양자역학은 현대철학에도 큰 영향을 끼쳤는데 바로 인간의 의식의 한계성(인식론)을 인정했다는 점이었다. 양자역학은 이제 명실공히 물리학의 가장 중요한 중심이 되었다. 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘을 구현했을 뿐 아니라 양자 계산이나 나노기술 등 새로운 미래로의 발전이 이루어지고 있다. 

 

이제 양자역학은 문학과 예술 등 여러 분야에 이르기까지 광범위하게 스며들어 있다.