1. 개요
원자, 분자, 전자, 소립자 등 미시 세계의 현상을 다루며 입자 집단 및 아원자 입자를 다루는 현대 물리학의 기초 이론으로 기이하고 그럴 리 없는 사건이라도 발생 확률이 0이 아니라면 반드시 일어난다는 물리학적 아이디어에 기초한다.
현대 물리학의 기초 양자역학은 반도체의 원리를 설명해 주며, 철학, 예술, 문학, 과학기술 등 다방면으로 중요 영향을 끼쳐 과학사에서 매우 중요한 이론으로 자리매김한다.
19세기 중반까지 실험을 통해 뉴턴의 고전역학을 설명할 수 있었지만, 19세기 후 ~ 20세기 초반에 형성된 양성자, 중성자, 전자 등 아원자 입자의 실험 결과에서는 모순이 발생하였으므로 해결하기 위한 새 역학 체계가 필요하게 되었다.
플랑크의 양자 가설을 시작으로 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등에 의해 만들어진 학문이다. 양자역학에서는 플랭크 상수를 0으로 극한을 취하게 되면 고전역학을 수렴하게 되는데 이것을 대응 원리라고 한다.
고전역학은 주로 연속적 물리량을 다루는 거시세계에서 탐구가 이루어진 것이지만 양자역학은 기본적으로 불연속적 물리량을 다루는 미시세계를 탐구하는 학문이다. 이것은 관찰 기준의 차인데 우리가 모래사장을 아주 멀리에서 바라본다고 가정하면 이는 물리현상을 거시세계에서 보는 것이라고 할 수 있다. 이때 모래사장의 표면은 연속적으로 보이는데 거시세계에서 우리가 관찰하는 물리량이 연속적으로 관찰된다는 것에 빗댈 수 있다. 만일 모래사장에 가까이 다가가 관찰하게 된다면 거시세계에서 미시세계로 관찰의 단위를 줄인 것이다. 모래사장 가까이에서 관찰한다면 그 표면이 불연속적으로 관찰된다. 이것은 미시세계에서 물리량이 불연속적으로 관찰된다는 것으로 비유된다. 다시 말하면 거시세계에서 특정 물리량을 관찰하면 불연속성이 미시세계 관찰 기준에 비하면 연속적인 것처럼 보이지만, 대상을 미시세계에서 관찰하면 불연속성이 보인다는 것이다.
양자역학은 역학, 전자기학을 포함하는 고전적인 이론을 일반화하는데 설명되지 않는 현상에 대하여 정확한 설명을 할 수 있다. 양자역학 효과는 관측이 어렵지만 연구할 때 양자역학의 개념은 필수적이라 할 수 있다.
양자는 양을 의미하는 말로 뜨문뜨문 떨어진 양으로 있는 것을 말한다. 힘의 학문이라는 의미의 역학은 물체가 어떠한 운동을 하는지 밝혀내는 힘과 운동의 관계를 나타내는 물리학의 이론이다. 하여 뜨문뜨문 떨어진 양으로 존재하는 것이 어떤 힘을 받게 되면 어떠한 운동을 하는지 밝히는 이론이다.
양자역학의 용어는 독일의 막스 보른이라는 물리학자가 처음 제시한다. 영어로 번역된 것을 일본에서 번역하였고 이를 우리나라에 그대로 들여와 양자역학이라 명명하게 된다.
2. 양자역학의 철학
양자역학은 초기 과학자들의 직관으로는 이해하기 힘든 것이었기 때문에, 수많은 논쟁과 해석이 있었다.
많은 물리학자는 보어와 같은 학자가 만든 코펜하겐의 해석을 받아들인다. 여기서 양자 역학의 확률적 측면은 실재적이며 결정론적 이론에 의해서는 설명될 수는 없는 것이다.
아인슈타인은 양자 역학의 무작위성을 좋아하지 않았으며, 도깨비 원격현상 등을 강하게 부정하면서 ‘신은 주사위 놀음을 하지 않는다’라는 말도 하였다. 아인슈타인은 양자역학의 속에는 국소적인 숨은 변수 이론이 있을 것을 주장하며 여러 가지 반박을 제시했다. 유명한 것은 EPR 역설이다. 벨은 양자역학과 국소적 이론 사이 실험을 통해 실제 세계는 조건법적으로 명확하지 않거나 비 국소적이라는 확인할 수 있는 차이가 있다는 것을 증명하였다.
양자역학은 원자와 관련한 대부분을 설명할 수 있는 이론이었고 학자들도 이것을 기초로 수많은 문제를 해석해나갔다. 그러나 하이젠베르크가 발표한 ‘불확정성 원리’와 같이 ’우리가 안다는 것은 도대체 무엇인가’와 같은 철학적인 문제를 새롭게 꺼내기 시작하였다.
원자를 설명하기 위해 파동함수를 사용하는데 이것을 두고 물리학자들은 그 의미에 대해 많은 논쟁을 하였다. 이 때문에 파동함수의 정확한 의미가 무엇인지 알 수 없는 상황이 되어 버린 것이다. 이전에는 수학을 통한 방정식과 공식을 만들면 그 의미를 안다고 생각해왔었다. 하지만 양자역학에서는 핵심적인 파동함수의 정확한 답을 할 수 없는 것처럼 보였다. 하이젠베르크는 불확정성 원리를 밝혔는데 이것 또한 무엇인가를 안다는 것에 대해 한계가 있음을 말해 준다.
이처럼 파동함수와 불확정성 원리로 인해 원자에 대해 무엇을 알고 있는지의 개념조차 흔들렸다.
루이스(영문학 교수, 작가)는 비결정론이 철학적 신념에서 어긋났기 때문에 양자역학을 불완전한 이론으로 보며 하이젠베르크의 불확정성 원리가 인식론적인 한계를 보여줄 뿐이라고 생각했고, 숨은 변수 이론을 지지하였다. 당시 보어와 아인슈타인의 논쟁은 양자역학을 둘러싼 가장 대표적인 논쟁이었다.
현재는 양자역학의 해석은 코펜하겐 해석뿐 아니라 여러 해석이 존재한다.
•숨은 변수 이론 : 아인슈타인의 주장으로 후에 실험을 통해 반박되었다.
•다 세계의 해석 : 조건법적 명확성을 포기한다.
•봄 해석
3. 역사
제1차 세계 대전의 끝나고 물리학의 발전이 시작된다. 양자론은 독일을 중심으로 발전하는데 코펜하겐, 뮌헨, 괴팅겐, 레이던, 취리히, 베를린 등이 그 주요 중심지이다. 특히 젊은 세대의 활약이 두드러졌다.
양자역학은 보아의 원자 모형과 아인슈타인의 광자를 비롯한 파동역학의 두 가지 갈래로 되어 있다. 형성과정과 이론이 전혀 달랐으나 같은 내용이라는 것이 판명되었고, 물리학은 새로운 단계에 이르게 된다.
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