양자역학이란 2024년 현재 현대 물리학에서 가장 기본이자 중요한 학문 중의 하나 입니다. 특히 1900년대 이후 급속도로 발전한 과학기술에서 빼놓을 수 없는 것이 이 양자역학입니다. 그렇다면 이 양자역학이 어떻게 해서 발전하게 되었는지 이 글을 통해 알아 보도록 하겠습니다.
양자역학이란?
양자역학은 원자의 세계를 설명하는 역학 체계 입니다. 여기서 말하는 원자란 분자, 원자, 전자, 소립자, 원자핵 등 미시적인 세계에서 다루어지는 아주 작은 입자들을 말합니다. 양자역학에서 가장 중요하게 생각하는 것은 물질(입자)과 파동에 관한 이중성이다. 원자 세계에서 입자는 파동으로 기술되어야 한다고 하는 것이 내용에 포함되어 있으며, 그리하여 파동역학 이라 고도 한다.
양자역학은 불확실성의 원리를 바탕으로 이루어지며, 이 때문에 유명해진 것이 슈뢰딩거의 고양이 이론이다. 슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자역학의 패러독스를 잘 보여주는 예시로서 물리학에서는 유명한 이론이다. 양자역학은 상대성 원리와 같이 사용되지만 각각의 쓰이는 분야가 다르다고 볼 수 있다. 특수 상대성 원리는 광속에 가까운 물체의 운동을 파악하는데 주로 사용되며, 관성계 사이에 시간이 다르다는 것이 그 핵심이다. 일반 상대성 원리는 중력에 관련된 원리이다. 가속계 사이의 상대성 원리에 해당한다.
현대의 산업기술에서 가장 많이 적용되는 것은 그 중에서도 양자역학이다. 현재 언제나 가장 많은 수요를 필요로 하는 반도체의 생산 및 제조 개발에 있어서도 원자 세계에서 일어나는 현상을 적용하게 된다. 이를 파악하기 위해선 양자역학의 불연속적인 에너지 개념을 이해하여야 한다. 이 불연속적인 개념은 에너지 준위에 대한 내용입니다. 간단한 예를 들면 레이저가 생성되기 위해서는 원자들이 에너지 준위 사이를 전이 하여야 빛이 발생한다는 것을 설명할 수 있습니다. 그렇다면 다음글에서 양자역학에서 다루고 있는 파동에 대해서 설명하도록 하겠습니다.
양자역학에서 말하는 파동이란?
파동이란 사전적 의미로 규칙적인 에너지의 이동입니다. 파동은 그 원인에 따라 역학파 인지 전자기파 인지 구분할 수 있습니다. 역학파는 역학적인 에너지가 매질을 통하여 위치를 이동하는 현상을 이야기 합니다. 전자기파는 하전입자의 가속 때문에 전기장과 자기장이 발생하며 이것이 공간을 통해 이동하는 현상을 이야기 합니다. 전자기파의 특징은 파동의 전달 과정에서 매질이 특별히 필요 없다는 것입니다.
파동은 진동 방향과 진행 방향에 따라 횡파와 종파로 구별 됩니다. 횡파의 종류에는 현악기의 현의 울림, 수면파, 전자기파 등이 있습니다. 현이 아래위로 움질일 때 파동이 이와 수직방향으로 진행되는 것이 횡파의 특징입니다. 반면에 종파에는 대표적인 것으로 음파가 있습니다. 음파의 경우는 역학적인 에너지인 소리 에너지가 공기 밀도의 변화에 의해 매질이 적은 부분과 많은 부분이 반복적으로 나타나고 이에 따라 역학적 에너지가 전달된다는 것을 설명합니다.
고체의 경우에는 횡파와 종파 모두 전파 가능합니다. 액체와 기체의 경우에는 종파만 전파 합니다. 매질을 이루는 입자들이 모두 움직이려면 옆의 입자를 밀어야 하는데 액체와 기체의 경우 매질을 이루는 입자들이 다들 떨어져 있기 때문에 이것이 불가능합니다. 이러한 이유로 인해 횡파가 불가능합니다. 이를 응용하여 지구 내부에 횡파와 종파를 전달하여 지구 중심으로는 종파인 P파만이 전파되는 것을 관찰하여 지구 중심이 액체로 되어 있다는 것을 확인할 수 있습니다.
양자역학에서 말하는 파동의 입자성이란?
그렇다면 양자역학에서 말하는 파동의 입자성이란 무엇인지 알아보도록 하겠습니다. 양자역학에서는 모든 물질이 입자와 파동 두 개의 성질을 모두 지니고 있다고 설명합니다. 우리가 흔히 알고 있는 뉴턴 역학이라 불리는 고전 역학에서는 이 두 개를 다른 성질로 구분하지만 양자역학에서는 이 두 개념을 하나의 개념으로 통합하여 사용합니다.
많은 사람들이 빛이 과연 입자인지 아니면 파동 인가에 대한 궁금증을 가지고 여러가지 실험을 하였으며, 그래서 얻게 된 결론은 빛은 입자-파동 이중성을 갖고 있다는 것이 결론이었습니다. 이후에 알게 된 사실은 빛 뿐만 아니라 모든 물질들이 이중성을 갖고 있다는 것이 발견되었습니다. 빛의 이중성을 확인하기 위한 실험은 이중 슬릿 실험으로서 빛의 간섭 무늬를 관찰하여 빛의 파동설을 증명할 수 있었습니다. 빛의 이중성을 확인하기 위한 이중 슬릿 실험을 간단히 설명해 보겠습니다.
먼저 단일 슬릿, 즉 하나의 구멍이 있는 판에 빛을 쏘아 보내면 스크린에는 가운데는 밝고 점차 옆으로 퍼지면서 흐려지는 무늬가 관찰됩니다. 이 현상은 빛의 입자설과 파동설 모두로 설명이 가능하다. 반면에 이중 슬릿, 즉 판에 얇고 긴 구멍이 두 개 있는 구조에 빛을 쏘아 보내면 스크린에는 예상과 다르게 밝은 부분과 어두운 부분이 번갈아 나오는 모습이 관찰됩니다. 간섭 무늬를 통해 빛이 파동이라는 설명이 가능한 부분입니다.
이중 슬릿에 아주 약한 빛을 쏘아 보내면 처음에는 스크린에 점과 같이 하나씩 표시되지만 오랜 시간이 지나면 전체 형태가 파동의 간섭무늬와 같아지는 현상이 관찰됩니다. 이를 설명하기 위해 빛이 스스로와 간섭한다는 이론이 제시되었습니다. 그러나 이중 슬릿 실험에서 각 슬릿 옆에 관측기를 설치하여 빛이 어느 슬릿을 통과했는지 관찰하면 스크린에는 점들이 모여 전체적으로 간섭 무늬를 관찰할 수 없게 되는 현상이 발생합니다
이러한 실험을 통해 약간은 이상한 결론이 나왔으며 그 결론은 다음과 같습니다. 빛은 입자설로도 파동설로도 설명하기가 어렵다는 것입니다. 왜냐하면 빛 입자를 하나씩 보냈기 때문에 간섭을 할 수 없는데 이중 슬릿의 결과는 마치 간섭을 한 것처럼 나타나기 때문이다. 이 때문에 빛은 스스로 간섭을 한다는 결론을 내렸다. 하지만 빛은 누군가에게 관측 당하면 스스로 간섭하던 것을 멈추고 입자와 같이 행동을 한다는 결론이 나옵니다.