양자역학의 아버지 닐스 보어

닐스 보어ㅡ양자역학의 아버지(1885~1962)

과학역사의 이름을 바꾼 양자역학

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양자의 사전적의미는?
양자(量子)는 더이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위로,
물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위이다.

양자역학은?
원자, 분자등 우리 눈에 보이지 않는 아주 작은 물질의 운동을 설명할 때 사용하는 방정식이다.

중학교 1학년이 되면 배우는 아주 유명한 식이 하나 있다.
물리를 가르치던 많은 교사들이 "이것이 진리다" 라고 했던 식 바로 'F=ma'다
뉴턴 방정식으로 잘 알려진 이 식은 힘과 질량, 가속도의 관계를 나탸낸다.

뉴턴이 사과나무 아래에 앉아 있다가 대단한 생각을 한 셈인데, 이 식에서 파생된 운동 방정식으로
지구뿐 아니라 우주에 있는 모든 행성의 운동까지 설명할 수 있다.
인류는 이 식만으로 세상을 다 이해했다고 여겼다.
눈앞에 보이는 물체부터, 우주에 있는 행성의 운동까지 다 알고 있다고 믿었으니 말이다.

19세기 말, 인류의 자만은 극에 달했다. 프랑스의 물리학자 <피에르 라플라스>는
"물리학을 통해 우리는 세상의 모든 것을 알아낼 수 있다"고 이야기했고

미국 특허청장이던 <찰스 듀얼>은
"발명될 수 있는 모든 것이 발명됐다"고 말했을 정도였다.
이를 뒤집은 것이 바로 양자역학이다.

1900년 가을, 독일의 물리학자 <막스 플랑크>가
"빛 에너지는 덩어리로 되어 있다"며 처음으로 양자를 언급했다.
이후 많은 과학자의 이론과 실험 결과
눈으로 볼 수 없는 원자와 분자는 뉴턴이 찾아낸 운동 방정식을 따르지 않음을 확인했다.

속도를 알아도 위치를 알 수 없었고, 위치를 알아도 속도를 알 수 없었다.
아무리 들여다봐도 불확실성의 연속이었다. 갑자기 순간이동이 일어나기도 했다.
명확한 것은 아무것도 없었다.

내노라 하는 과학자들이 미시 세계를 들여다보기 시작했고,
결국 양자역학이라는 새로운 학문이 태동하기 이르렀다.
뉴턴의 방정식은 양자역학의 등장과 함께 '고전역학'이라는 소리를 들어야만 했다.

 

나는 슈뢰딩거의 고양이로소이다.

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양자역학 발전에 결정적인 역할을 한 인물 중 한 명이 바로 <닐스 보어>이다.
1913년 4월, 28세의 덴마크 태생 젊은 과학자가 새로운 모형을 제시했다.

이를 본 많은 과학자는 충격을 받았다. 기존 이론으로는 설명할 수 없는 이론이었다.
어떤 과학자는 이를 보고 대담하고 환상적이라고 표현했고,
또 다른 이는 고개를 가로저으며 말도 안된다고 무시했다.

닐스 원자모형

동그란 핵과 그 주변을 일정한 궤도로 돌고 있는 전자.
지금은 중고등학교 교과서에서 볼 수 있을 뿐 아니라
원자를 설명하는 가장 기본적인 모형이 된 보어의 원자모형은
이처럼 기대와 우려가 뒤섞인 평가를 받으며 태어났다.

닐스 보어는 자신의 원자모형을 담은 <원자 및 분자들의 구성에 관해서>라는 논문을
1913년 4월에발표하고, 저명한 과학 학술지였던 <필로소피컬 매거진>에 논문 3편을 게재했다.
보어의 원자모형은 과학계에 많은 논쟁을 불러일으켰지만 결국 실험에 의해 옳다는 사실이
입증되면서 1922년 노벨 물리학상을 받았다.

보어의 원자모형은 양자 가설을 처음으로 물질에 적용한 사례로 이후
그는 '양자역학의 아버지'라는별명을 얻었다.
여기에 <에르빈 슈뢰딩거> 고양이 사고 실험 이야기가 있다.

슈뢰딩거의 고양이

 

방사성 물질이 들어 있는 밀폐된 상자가 있다. 이 물질은 1시간에 50%의 확률로 핵분열을 일으키는데, 그러면 알파입자가 방출된다. 상자 안에는 가이거 계수기가 들어 있어서 만약 알파입자가 검출되면 연결된 망치가 작동, 청산가리가 든 병을 깨뜨리고 그 가스를 맡은 고양이가 죽는다. 따라서 원리상 고양이의 생사 확률은 반반이 되고, 1시간 후의 상자를 열기 전까지 우리는 이 불쌍한 동물의 운명을 알 수 없다.

붕괴되지 않으면 병은 그대로 있고 고양이도 산다.
방사선 붕괴는 확률만 알 수 있을 뿐,언제 붕괴되는지 알 수 없다.
1시간뒤 고양이는 살았을까, 죽었을까.
고전역학에 따르면 고양이는 살았거나 죽었거나 하나의 상황으로 결정되어 있다.

양자역학의 관점은 다르다.
상자를 열기 전 고양이는 50% 확률로 죽어 있으며, 50% 확률로 살아 있다.
즉 죽지 않은 것도 아니고, 살지 않은 것도 아닌 죽음과 삶이 공존하는 형태다.
관찰자가 상자를 여는 순간 이 공존 상태가 깨지고 하나로 결정 된다.

 

위의 그림에서처럼 감광판(전자를 감지할 수 있는 판) 앞에 이중 슬릿을 설치하고, 전자 발사기를 통해 한 번에 하나의 전자를 쏘아줍니다. 이때 감광판에는 여러 줄의 선으로 된 다중 간섭 무늬가 나타나게 됩니다. 이 실험 결과에서 이상한 점은 하나의 전자만으로 간섭 무늬가 일어났다는 점입니다. 간섭이 일어나기 위해서는 두 슬릿을 통과한 파동이 각각 존재해야 하므로 최소한 두 개 이상의 전자가 필요합니다. 그러나 전자는 단일 입자로 더 이상 쪼개질 수 없습니다. 결국 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 각각 따로 통과하였고, 동일한 시간에 동일한 전자가 서로 다른 위치에 존재했다는 결론에 도달할 수 있습니다. 이를 바탕으로 과학자들은 전자가 확률적으로 존재가능한 모든 위치에 동시에 존재한다는 생각을 하게 되었고, 이는 양자역학의 시작이자 근거가 되었습니다.

 

파동은 구멍이 뚫린 장소에 무늬를 남기고 그 무늬에 또 다른 무늬가 생겨서
간섭무늬가 나타나게 되고 그것이 스크린에 나타나게 된다.
하지만 파동이 아닌 입자라면 앞서 설명한 것과는 다르게 무늬 남김없이
그냥 통과해버리고 뒤쪽 스크린에 그대로 박혀버릴 것이라고 예상 가능하다.

 

그러나 이 예상에 논란을 일으킨 실험 결과 발생했고 과학자들 사이에서 이슈가 되었다.
전자를 입자라 생각했지만 실험 후의 스크린을 확인해보니 파동이라는 것이 밝혀졌고,
과학자들은 계수기를 설치해 다시 관찰했지만,
이번엔 전자가 입자의 형태로 나타난 것임을 알아낸 것이다.

양자역학에서는
미시적인 세계에서 일어나는 사건은 관측되기 전까지는 서로 다른 상태가 공존하고 있다고
말한다. '중첩'의 개념이 여기서 등장한다.

슈뢰딩거가 이 실험을 제안한 것은 사실 "세상은 확률로 존재한다"고 봤던
양자역학의 해석(코펜하겐 해석)을 반박하기 위해서였다
닐스 보어를 중심으로 정립된 코펜하겐 해석은 '확률론적 세계'와 '불확정성의 원리'를 기본으로 한다.

우리가 지금까지 익숙하게 경험해온 거시세계의 물리법칙과는 전혀 다른 양상을 보입니다.
이 이론에 많은 유명 과학자가 의문을 품었다. 아인 슈타인도 그중 한 명이었다.
"신은 주사위를 던지지 않는다" 라는 아인슈타인의 말은 확률론적 세계관의 양자역학을 비판하는 말이었다
양자화의 정의는 어떤 물리적인 양이 연속적으로 변하지 않고, 불연속적인 값들만 가지는 것을 의미한다.