양자 역학

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Quantum mechanics

量子力學

~~동양의 어떤 나라에서는 이불 만들 때 쓰는 기술이라 카더라.#~~ > 수천 년의 시간 동안, 수천 명의 철학자가 가장 이상한 것을 찾기 위해 애쓰더라도 양자 역학만큼 기이한 것은 결코 찾지 못할 것이다. - Sidney Coleman(시드니 콜먼)

물리학의 세부 과목 중 하나. 20세기의 대세인 우리는 모른다는 것을 알았다류의 이론들 중 하나. 특징으로는 상당히 복잡하다는 것으로, 전공자가 아니면 이해할 수 없는 정도를 넘어서 전공자들도 이해를 못하는 비상식적인 내용들을 많이 포함하고 있다.

개요

원자크기단위 이하의 세계를 다루는 역학. 이런 미시적인 세계에서는 에너지나 각운동량 등 입자의 상태가 양자화(Quantization)되어, 즉 불연속적으로 나타난다는 점에서부터 시작된 이론이다. 대표적인 것이 광양자와 전하. 위치와 속도(운동량) 등 서로 다른 상태를 동시에 정확히 결정할 수 없다는 불확정성 원리에서 존재 가능한 상태들이 중첩되어 있다가 관측되는 순간 하나의 상태로 확정된다는 ~~욕나오는~~ 얘기로 연결된다.

쉽게 말해, 결정되어 있는 상태를 관측하는게 아니라, 관측하면 그것으로 인해 상태가 정해진다는 얘기. 관측되기 전에는 어떤 상태로 존재할지의 확률만이 있을 뿐이라고. 슈뢰딩거의 고양이 참조. 일반인의 '원인이 있고 결과가 있다.'는 관념은 물론이거니와, 이전의 뉴턴 거시물리학을 통째로 부인하는 내용인지라 양자역학 초반에는 이것때문에 과학자들 사이에서도 욕을 엄청 먹었다. 아인슈타인 마저도 까댔을 정도니까. 그러나 실패. 벨의 부등식 참조.

모든 물질은 파동의 성격을 가지고 있다는 물질파 가설 등의 내용도 포함되어 있다.

한 마디로, 상식으로는 이해가 안 되는 내용이다. 그런데 인간의 언어는 상식적인 것을 표현하는 데 맞추어져 있어서, 이런 내용을 표현하려고 하면 잘 안 된다. 그래서 아예 물리학자들은 핵심 개념의 의미, 기본 원리 등등부터 세부 사항까지 전부 수학으로 표현해 놓았다. 미적분은 당연히 포함되어 있고, 선형대수가 많이 이용된다. 물리에서 수학을 언어로 사용한다는 예 중의 하나.

여담이지만 이점에서 자주 오해하는 부분이 그러니까 '수학자=과학자(물리학자)' 라는걸로 생각하는 사람들이 많은데, 아무리 해봐야 물리에서 쓰이는 수학은 순수 수학에서도 일부분이며, 전체적인 수학으로 봤을때도 극히 일부분이다. 물리학에서 쓰이는 수학은 대체로 19세기까지 발달한 수학이며 미적분학+선형대수+미분방정식으로 커버가 가능하다. 20세기부터 발달한 현대수학은 대수학과 실해석학이 중심이며, 이런 것들은 물리학에서는 거의 쓰이지 않는다.[* 상대론이나 소립자 물리학에서는 현대수학적 요소가 약간 쓰인다.] 그래서 19세기 까지는 수학자와 물리학자의 경계가 모호했지만[* 그래서 뉴튼, 라이프니츠, 라그랑즈나 파스칼 같은 경우 수학과 물리학에서 동시에 업적을 남길 수 있었다.] 현재는 수학자와 물리학자는 노는 물이나 쓰는 "근육"이 전혀 다르다는 것을 명심할 필요가 있다.

역사

양자가설은 흑체 복사를 막스 플랑크가 최초로 '빛에너지는 연속한게 아니라 덩어리로 되어있다'는 내용의 가설로 설명해내면서 처음 등장했다. 물론 본인은 이를 별로 대수롭게 여기지도 않았고, 아무도 중요하게 생각하지 않았다. 오히려 결정적인 물리학에서 볼츠만의 통계적 방법을 썼다는걸 더 골치로 여겼다. 플랑크가 양자 역학의 지평을 연것은 맞지만, 끝내 양자 역학을 거부했다.

몇년이 지나 알베르트 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해서 빛에너지가 진동수에 비례한다는 플랑크의 아이디어를 사용했다. 드 브로이의 물질파 가설로 빛뿐만 아니라 다른 물질에도 적용된다고 주장했고, 닐스 보어가 불연속적인 스펙트럼을 위해 수소원자모델을 만들어냈다. 드 브로이의 연구에 감명을 받은 에르빈 슈뢰딩거는 파동의 형태를 가지는 함수(파동함수)를 바탕으로 고전역학에서 슈뢰딩거 방정식을 유도해냈다. (여전히 파동함수가 무슨 의미인지는 논란이 있다.[* 일단 현재로서는 파동함수 그 자체는 아무 의미가 없으며, 파동함수의 크기의 제곱만 '존재 확률'이라는 의미를 갖는 것으로 인정하고 있다.] ) 한편, 보어의 제자였던 베르너 하이젠베르크는 행렬 역학이라는 판이하게 다른 방식으로 양자 역학을 기술하게 된다. 결국 디랙에 의해서 이 둘은 같은 해석이라는게 증명된다. 하지만 슈뢰딩거는 끝내 양자 역학을 인정하지는 않았다.

반응

이처럼 매우 비상식적인 내용들이 많아서 초기의 물리학자들 중에는 양자 역학을 인정하지 않는 사람들도 많았다. 예를 들어 아인슈타인은 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"고 말했는데, 이는 우리가 확률적으로밖에 예측 할 수 없는 이유는 숨은 변수들을 모두 알지 못하기 때문이라는 생각에서 나온 것. 소위 말하는 라플라스의 악마 같은 개념이랄까. 불확정성 원리 이전에는 이런 뉴턴역학에 기반한 사고방식이 주류에 가까웠다. 하지만 1960년대 Bell을 포함한 일련의 실험 결과 이러한 학파는 부정되었다.

워낙 비상식적이다 보니 철학적으로 접근하고자 하는 사람들도 있다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 세상 모든 것은 랜덤이다! 라고 주장하는 철학자가 많다보니 보통 물리학자들은 무시하지만…[* 아인슈타인의 상대성 이론이 처음 등장했을때도 철학자들이 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 모든것은 상대적이다~ 이런식으로 다루기도 했다.]. 코펜하겐 해석 대신 파동함수의 붕괴가 평행우주들을 만들고 우리가 사는 세상은 그 중 하나라는 다세계 해석이 제창되기도 했다. 또한 이러한 접근이 엇나가서 유사과학의 주장으로 흘러가기도 한다.

{{{#!html <iframe width="640" height="360" src="//www.youtube.com/embed/xarwFbUX8Eg" frameborder="0" allowfullscreen></iframe> }}} 이처럼 논란이 많고, 상식적으로도 말이 안되는 이론임에도 불구하고, 양자역학은 실험결과만으로 이를 반대하는 과학자들을 데꿀멍하게 만들고 현대 물리학의 주류로 올라섰다. 말도 안되고 이해도 안돼서 기가 막히고 코가 막혀도 실험 결과는 정확하게 나오니 인정할 수 밖에.

양자 역학은 굉장히 정확한 이론 중의 하나에 들어가나, 빠르게 움직이는 작은 입자에서는 양자 역학이 완전히 먹혀들지 않는다. 왜냐하면 빛의 속도에 가깝게 움직일때는 상대성이론까지 적용되기 때문이다. 그래서 이걸 상대론적 양자역학이라 부른다. 상대성 이론+양자 역학인데, 뭐...이름만 봐도 알겠지만, 어렵다. 미치도록 어려운 이론 두개를 섞어뒀으니 더 이상 말할 필요가 있을까. 이를 해결하기 위해 1960년대부터 양자 전기역학(Quantum ElectroDynamics)이 리처드 파인만이나 도모나가 등에 의해 시작되었다. 엄밀히 말해서 상대론을 적용시킨 양자 역학은 양자장이 맞지만, QED도 결국 큰틀에서 보면 양자장이론의 일부이다. 이러한 상대론적 양자 역학은 빛과 물질을 완전히 동일하게 보는 이론으로, 수학적으로 불분명한 점이 존재하지만 현실을 거의 완벽하게 예측한다.[* 이에 대해 파인만은 다음과 같은 비유를 제시한 적이 있다. "(양자 역학의 정확도는)북아메리카 대륙의 폭을 측정하는데 생기는 오차가 머리카락 굵기의 크기 정도로 나는 것과 같다."]

양자 역학에 대한 일부 과학자들의 한마디.

||Werner Heisenberg(베르너 하이젠베르크) 曰, >나는 매우 늦은 밤이었음에도 불구하고 몇 시간이나 이어지다가 절망에 휩싸여 끝났던 보어(Bohr)와의 토론을 기억하고 있다. 토론이 끝나고 홀로 근처의 공원을 산책하면서 나는 나 자신에게 끊임없이 되물었다. 우리가 원자에 대한 실험을 할 때 보이는 것처럼 자연이 정말 그렇게 불합리하며 모순적일 수 있는가? ||

||Richard Feynman(리처드 파인만) 曰, >I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics. >그 어느 누구도 양자 역학을 이해하지 못한다고 말하는 것이 괜찮을 것 같은 생각이 드네요. >양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 말해도 별로 화내는 사람은 없겠죠. ||

||Niels Bohr(닐스 보어) 曰, >Anyone who can contemplate quantum mechanics without getting dizzy hasn't properly understood it >양자 역학을 연구하면서 머리가 어지럽지 않은 사람은 그걸 제대로 이해 못한겁니다. ||

||Roger Penrose(로저 펜로즈) 曰 >While the theory agrees incredibly with experiment and while it is of profound mathematical beauty, it makes absolutely no sense. >이론이 실험과 믿을 수 없을 만큼 일치하고 동시에 심오한 수학적 아름다움을 가졌지만, 전혀 말이 되지 않습니다. ||

||다시 Richard Feynman(리처드 파인만) 曰, >We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery. We cannot make the mystery go away by explaining how it works . . . We will just tell you how it works. In telling you how it works we will have told you about the basic peculiarities of all quantum mechanics. >우리는 고전적인 방법으로는 해석이 불가능한, 그러니까 절대로 불가능한 현상을 연구하려고 하고, 이 현상은 양자 역학의 핵심을 담고 있습니다. 사실 이 현상에는 수수께끼만이 있을 뿐입니다. 우리가 이 현상의 원리를 설명한다고 해서 그 수수께끼가 사라지게 할 수는 없습니다. 다만 우리는 그 현상의 원리를 제시할 따름입니다. 동시에 모든 양자 역학의 기본적인 특이점도 함께 말이지요. ||

인문학자들의 오독

다만 위의 물리학자들의 이야기를 양자와 고전물리학을 전혀 모르는 채로 곧이 곧대로 들어서는 안된다. 많은 인문학자(특히 [들뢰즈], [라캉], [푸코]와 같은 프랑스 현대철학자들이나 포스트모던)이 양자역학의 내용은 전혀 모르면서, 위의 물리학자들이 하는 저런 이야기만 듣고 자기도 잘 이해하지 못하는 여러 철학적 개념을 만들어서 사람들을 현혹시키다가, 뉴욕대의 물리학자인 [앨런 소칼]에게 개망신을 당하기도 했다. 자세한것은 앨런 소칼 항목을 참조바란다.

위의 물리학자들의 말은 자신들이 고전물리학을 공부해왔던 컨텍스트 아래서 양자역학의 현상이 "신기하다"는 의미에서 말한 것이지, 그것을 확대해서 진리가 불확실하다거나, 현상은 해석 나름이라거나, 현실은 이론에 안맞는다는 식의 이야기를 한 것이 아니다. 사실 양자역학이 현실을 잘 설명하지 못한다면, 우리가 쓰는 컴퓨터는 나오지 못했을 것이다.

인문학자들이 자신도 잘 모르는 과학적 개념을 남용하지 말아야 한다는 것을 확실히 보여준 예다. --그러니까 [문과]가 어설프게 [이과] 코스프레하면 [작은 하마 이야기|아주 ㅈ된다는] 얘기--

기타

일단 일반적으로 칭하는 양자 역학은 물리학과와 화학과 (화학에서 자주 사용하는 분자궤도나 통계열역학에 대한 이해는 양자역학의 기초적인 이해없이는 불가능) 학부 수준--학점의 사망 플래그--이고, 대학원에선 더 골치아픈 것들을 배운다.

발표 이후 아인슈타인이 코펜하겐 학파에게 약팔지 말라며 현피를 신청했고 1주일간의 싸움에서 탈탈 털렸다. 여러분들의 사고는 아인슈타인과 다를 게 없다.

실은 학부에서 배우는 것은 맛보기에 불과하고, 대학원에서는 연구를 하기 위해 필요한 깊은 내용을 역시 맛보기하는 수준. 양자 역학에 대한 깊은 지식을 쌓으려면 직접 연구에 뛰어들고 수업에서 가르치지 않는 어려운 내용은 알아서 공부해야 한다. 학부에서 배우는건 2체문제까지이지만, 대학원에서는 3체를 배우고, 박사과정에서는 확률론적 변분원리를 써야하는데, 어렵다! 참고로 슈퍼컴퓨터로 해결가능한것은 4체문제까지. 일단 양자 역학의 최첨단은 수많은 학설들이 중구난방하고 있는 상태라 제도권 교육에서 가르칠 통일된 학설이란 건 애초에 존재하질 않기 때문.

화학자와 물리학자들, 그리고 공학자들의 양자역학에 대한 관점이 각각 다르기 때문에 가르치는 포인트도 다르고, 그래서 교과서도 다르다. 많은 화학 학부과정 교과서는 앳킨스, 레빈, 맥쿼리가 쓴 책이 주로 쓰이고 그 외에 모든 물리화학 교과서에서 기초적인 내용을 가르친다. 물리학과의 경우 학부의 경우 Liboff, Gasiorowicz 등과 대학원의 경우 Merzbacher, Sakurai, Messiah 등 수십 종에 이르는 걸출한 교과서들의 동시 공격을 견뎌내야 한다. 공학에서도 전자공학에서 보는 양자역학 책과 재료공학에서 보는 양자역학 책이 각각 다르다. 물론 화학공학쪽도 다른데, 화공과의 물리화학 과목 중 양자화학부분은 McQuarrie의 책 등이 쓰인다.

디랙 이후로 특수 상대성 이론까지는 양자 역학에 포함하는 것이 어느정도는 가능해졌지만, 일반 상대성 이론까지 포섭하는 길은 아직도 멀기만 하다.

대안으로는 초끈이론이라든지 이것저것 대두되고 있는 듯 하지만 확실히 해결본것은 없다. '중력'의 문제가 가장 크다. 실제로 아인슈타인은 중력문제를 가지고 양자 역학을 인정하지 않았고 반대로 보어는 아인슈타인의 실험근거를 중력의 작용으로 부정하기도 했다. 그런데 이 대안이라는 녀석도 시공이 11차원이라느니, 진동하는 끈에서 모든 기본 입자가 나왔다느니, 심지어는 시간과 공간마저 이 끈의 진동에서 나왔다고 주장하기도 한다. 어쨌든 머리아픈게 참 많다(...).

양자통신을 이용한 암호 시스템이 연구중. 실용화까진 좀 기다려야 할 듯.

양자컴퓨터라는 것이 개발중이다. 자세한 사항은 항목 참고.

이 분야를 이용한 SF소설계의 걸작으로 그렉 이건의 쿼런틴이라는 소설이 있다. 배경이 이 모양이니 소설 내용도 카오스스럽다(…). 전개 자체는 그냥저냥 평이한데 서술 방식이 양자 역학 스럽다…. 어쨌거나 걸작이다.

~~하치쿠지 마요이와 혼마 메이코는 양자 역학 스러운 존재다.~~

고등학교에서 이과, 그 중에서도 물리 Ⅱ를 선택하면 마지막에 배우게 된다. 그래도 아주 헬게이트는 아니고 개정 전 물리 2의 핵물리 단원처럼 기본적인 사고의 방향만 제시하고 끝난다...만 wiki:"에르빈 슈뢰딩거" 슈뢰딩거의 방정식을 교과서에 적어놓은게 문제. 애초에 고교과정에서는 심지어 수학 과목에서조차 미분방정식을 다루지 않는다.(...)

양자역학하면 왠지 오버 테크놀러지처럼 보이지만 생물은 이미 오래전부터 양자역학을 사용해왔다. 예로 식물의 광합성효율은 95%인데, 이는 식물이 '양자 순간이동'이라는 기술을 사용하기 때문에 가능한 일이다.## 식물뿐아니라 동물들도 단순한 열역학법칙으로는 도저히 설명할 수 없는 에너지 효율을 보이기 때문에 양자역학으로 설명하려는 연구가 진행중이다.

[공개토크쇼 과학같은 소리하네 Ep.10] [공개토크쇼 과학같은 소리하네 13-1]

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* LHC (거대 강입자 가속기)[* 정확히는 현대 이론 물리학의 실험적 증명과 관련이 깊다.]