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양자 역학

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)

양자역학을 완벽히 이해한 사람은 아무도 없다고 자신있게 말할 수 있습니다. - Richard Phillips Feynman(리처드 파인만)

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. 더불어 전문가들이 생각하는 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론이다. 또한, 전체 이론중에서도 3위라고 한다.[1]


Contents

1. 개요
2. 역사
3. 반응
4. 인문학자들의 오독
5. 기타
6. 관련항목

1. 개요

원자크기단위 이하의 세계를 다루는 역학. 이론의 초창기에 이런 미시적인 세계에서 에너지나 각운동량 등 물리량이 양자화(불연속적인 값을 가짐, Quantization)되는 고전역학에서는 상상치 못한 현상의 발견으로 인해서 붙여진 이름이다. 처음 이 이론을 접하는 대중들이 이름 탓에 양자역학의 모든 물리량이 양자화 된다는 오해를 갖기도 하는데, 이것은 소수의 잘못된 개론서 탓이 크다. 대중적으로 비교적 유명한 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 얘기 등이 있다.

쉽게 말해, 결정되어 있는 상태를 관측하는게 아니라, 관측하면 그것으로 인해 상태가 정해진다는 얘기. 거칠게 얘기해서 결과 때문에 원인(과정)이 정해진다는 이론. 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.[2] 그래서 19세기 까지는 수학자와 물리학자의 경계가 모호했지만[3] 현재는 수학자와 물리학자는 노는 물이나 쓰는 "근육"이 전혀 다르다는 것을 명심할 필요가 있다.[4]

2. 역사

양자가설은 체 복사막스 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 아인슈타인광전효과를 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(동함수)를 바탕으로 고전역학에서 뢰딩거 방정식을 유도해냈다. (여전히 파동함수가 무슨 의미인지는 논란이 있다.[5]) 한편, 보어의 제자였던 베르너 하이젠베르크렬 역학이라는 판이하게 다른 방식으로 양자 역학을 기술하게 된다. 결국 디랙에 의해서 이 둘은 같은 해석이라는게 증명된다. 하지만 슈뢰딩거는 끝내 양자 역학을 인정하지는 않았다.근데 슈뢰딩거의 고양이도 사실 보고나면 위에 기술되어 있듯이 양자역학의 기초가된다.. 관측하기 전까지 확률만 존재하다는게 양자역학이 아니면 뭐지

3. 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…[6]. 코펜하겐 해석 대신 파동함수의 붕괴가 평행우주들을 만들고 우리가 사는 세상은 그 중 하나라는 다세계 해석이 제창되기도 했다. 또한 이러한 접근이 엇나가면 유사과학의 주장으로 흘러가기도 한다.

이런 양자역학을 다룬 'What the Bleep do we know!?'와 같은 과학 다큐멘터리의 출연 인물 대부분은 대중적으로 유명하지는 않은 인물들이나, 학계에서는 내로라 하는 대학 교수들이다. 이런 교수들도 병림픽을 벌이는 마당에다가 이 항목에서 보듯 20세기 초 양자역학 태동기에도 내로라 하는 학자들끼리의 병림픽은 더하면 더했지 덜 하지는 않았다. 이쯤 되면 사이비나 유사과학 소리가 안 나오는 게 이상하기는 하겠으나, 실험 결과는 대부분 정확하게 나오므로 섣부른 판단은 금물이다[7]. 당장 알베르트 아인슈타인이나 슈뢰딩거 같은 유명 인물들조차 양자역학에 반감을 드러내었을 뿐만 아니라 그러한 유명 인물들끼리도 서로 파가 갈리면서 수시로 병림픽을 벌였다[8]. 심지어 닐스 보어는 우리가 미신이라고 치부하는 주역과 같은 동양철학을 직접 차용하면서까지 이 병림픽에 참가했다.

바로 위의 단락을 작성한 사람은 'What the Bleep do we know?!'라는 다큐멘터리에 대해서 꽤 긍정적으로 서술하였으나, 저 다큐멘터리는 실제로 사이비과학 다큐멘터리가 맞다. 이 다큐멘터리가 사이비 과학이라는 비판을 받는 이유는 영자역학적 현상을 비과학적으로 해석하여 이상한 결론을 이끌어 냈기 때문이므로, 실험 결과가 정확하게 나오니까 섣부른 판단은 하지 말자는 소리는 사이비 과학쪽으로 편향된 의견이다. 더군다나 이 다큐멘터리에서 사이비 과학적 주장을 하는 사람들은 학계에서 인정받는 저명한 교수들이 절대 아니다! 오히려 하버드 대학교 물리학 교수인 리사 랜들을 비롯한 저명한 과학자들은 이 다큐멘터리를 사이비과학이라며 인정하지 않는다. 자세한 내용은 영문 위키피디아를 참고하도록 하자.



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. 당장 양자역학 초기에 수행되었던 전자의 파동-입자 이중성을 밝히는 이중슬릿 실험 결과조차 학계에서 논란을 일으켰는데[9], 하물며 일반 상식선은 더 이상 말할 필요가 없다.

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 자 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.[10]

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.

4. 인문학자들의 오독

"양자역학은 심각한 경우에 철학적으로 해석되기도 한다."
-그리피스, 자신의 책에서 양자역학이 무엇인지에 대해 다루며


뉴욕대의 물리학자 앨런 소칼은 물리학자들의 이야기를 양자와 고전물리학을 전혀 모르는 채로 곧이 곧대로 들어서는 안된다고 말한다. 인문학자들의 이야기를 존재론과 고전철학을 전혀 모르는 채로 곧이 곧대로 들어서는 안된다. 그는 양자역학의 내용은 전혀 모르면서, 물리학자들이하는 불평만 듣고 특이한 여러 철학적 개념을 만드는 것은 사람들을 현혹시키는 일일 수 있다고 지적한다. 과학적 사실에 대해서 그렇게 잘못 파악하는 인문학자에게는 분명히 잘못이 있다. 앨런 소칼 이후로 현대철학자들이 이런 양자개념을 잘못 파악하는 경향이 수그러들었다면, 앨런 소칼이 중점으로 삼은 문제제기가 역할을 했다고 볼 수 있을 것이다.

하지만 모든 견해가 그렇듯이 엘런소칼의 이러한 과감한 주장도 비판적으로 받아들여야 한다. 그는 특히 뢰즈, 라캉과 같은 프랑스 현대철학자들을 대상으로 들고 있는데, 앨런 소칼의 지적이 초점으로 삼는 것은 과학적 개념의 잘못된 파악과 학계라는 관습에 대한 것이다. 일단 그것이 사실인지 엄밀하게 따져보아야 할 터이다. 그 다음 그것이 사실이라 할지라도, 과학자가 아닌 철학자 들뢰즈와 라캉의 철학 전체가 허물어진다고 오해해서는 안된다. 그것이 그의 목적도 아니었다. 앨런 소칼의 타당성에 대해서는 항목을 직접 보고 판단하라.

앨런 소칼의 말과는 별도로, 분명한 것은 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 아니라는 것이다. 사실 양자역학이 현실을 잘 설명하지 못한다면, 우리가 쓰는 컴퓨터는 나오지 못했을 것이다.

5. 기타

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

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. '코펜하겐 해석'조차 30년 가까운 격한 논쟁(보어-아인슈타인 논쟁) 끝에 겨우 주류 학설로 받아들여졌으니 말 다했다.

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 아주 골치 아플 정도로[11] 가장 큰 탓이다. 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(...).

보어-아인슈타인 논쟁은 끝난지도 벌써 반세기가 넘었지만, 오히려 이 때문에 양자역학이 길을 잃었다는 평가도 있다[12]. 논쟁 자체의 승패는 보어의 판정승으로 평가된다. 양자역학이 잃어버린 길을 찾기 위해서는 난립하는 학설들에 의해 제2의 보어-아인슈타인 논쟁이 터져야 할 것 같다. 문제는 예전과 달리 실험을 통한 학설의 검증이 갈수록 어려워진다는 것.

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

양자컴퓨터라는 것이 개발중이다. 자세한 사항은 항목 참고.

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

하치쿠지 마요이혼마 메이코는 양자 역학 스러운 존재다.+싱의 체셔켓을 생각해도 좋을 듯 하다.

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 슈뢰딩거의 방정식교과서에 적어놓은게 문제. 애초에 고교과정에서는 심지어 수학 과목에서조차 미분방정식을 다루지 않는다.(...)


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  • [1] 1위는 태양 중심설, 2위는 진화론이다.
  • [2] 상대론이나 소립자 물리학에서는 현대수학적 요소가 약간 쓰인다.
  • [3] 그래서 뉴튼, 라이프니츠, 라그랑즈나 파스칼 같은 경우 수학과 물리학에서 동시에 업적을 남길 수 있었다.
  • [4] 사실 이건 케이스 바이 케이스다. 가령, 초끈이론을 예를 들어 미국의 수학자 야우 싱퉁은 칼라비-야우 다양체 연구로 초끈이론의 중요한 역할을 하였고 초끈이론의 선구자인 에드워드 위튼은 필즈상을 받기도 하는등 수학과 물리학 각분야에서 많은 교류를 하고 있다
  • [5] 일단 현재로서는 파동함수 그 자체는 아무 의미가 없으며, 파동함수의 크기의 제곱만 '발견 확률'이라는 의미를 갖는 것으로 인정하고 있다. 여기서 '존재확률'이라는 잘못된 어휘를 쓰는 사람들이 많은데, 존재확률과 발견확률은 엄밀히 다른 어휘이다. 양자역학에서 미시적 세계의 입자는 다른 위치에 항상 동시에 존재하고 있다(영의 이중슬릿실험) 그러므로 존재확률이라고 하면 존재하지 않을수 있다는 뉘앙스를 풍기게 되는데, 그러므로 '발견확률'이라고 하는 것이 정확하다.
  • [6] 아인슈타인의 상대성 이론이 처음 등장했을때도 철학자들이 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 모든것은 상대적이다~ 이런식으로 다루기도 했다.
  • [7] 만약 학계에서 유사과학을 신봉한다고 인정될 경우 이런 병림픽에 참가조차 못한다. 참가해도 참가자격이 박탈될 뿐만 아니라 참가기록도 인정되지 않는다. 그리고 유사과학으로 인정된 부분에 대해서는 기존에 열려 있던 병림픽도 자동 폐막될 뿐만 아니라 더 이상 열리지 못한다. 학계에서 유사과학이라고 공식 선언되면 그때 유사과학으로 치부해도 늦지 않다.
  • [8] 역설적이게도 이렇게 하루가 멀다하고 개최되는 병림픽 덕분에 양자역학이 발전될 수 있었다.
  • [9] 이의 반대 개념인 광전효과도 마찬가지. 아인슈타인이 노벨상을 타게 된 근거이긴 하지만, 논란 끝에 궁여지책으로 선정되었다는 일화는 꽤 유명하다.
  • [10] 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."
  • [11] 중력과 관련되어 있는 것으로 중력자와 중력파가 있다. 하지만 어느 것 하나 여태껏 발견되지 않았다. 중력파 발견 소식이 있었으나 성간 우주먼지에 의한 잡음으로 인해 관측이 잘못된 것으로 판명났다. 하지만 이를 찾기 위한 세계 각국의 실험들은 지금도 진행 중이다.
  • [12] 30년 가까이 병림픽이 벌어졌지만 양자역학에 대한 보어와 아인슈타인의 근본적인 견해는 달랐다. 이 견해 차이는 논쟁이 끝나도록 끝내 극복하지 못했다고 한다.
  • [13] 정확히는 현대 이론 물리학의 실험적 증명과 관련이 깊다.
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last modified 2015-09-29 12:31:21
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