불확실성이 지배하는 세상? 양자역학

해마다 대학 수학능력평가 시험날 오후가 되면 신문, 방송들은 문제 경향과 난이도 분석에 한바탕 야단법석을 피운다. 2003년에도 역사는 되풀이 되었다. 올해 대부분의 수험생이 가장 어려운 문항으로 꼽은 것은 양자역학에 대한 문제였다고 한다.양자역학은 수험생들뿐 아니라 일반인들에게도 생소하고 놀라운 이론처럼 들릴지도 모르지만 양자역학은 이미 양자역학의 산물이라 불리는 컴퓨터, TV, 전화 등을 통해 우리 생활 깊숙이 파고 들어와 있다. 20세기에 이루어진 물리학의 발견 중 아인슈타인의 상대성이론과 함께 어깨를 나란히 하는 양자역학(quantum mechanics). 분자나 원자, 소립자 등의 미시적 세계의 역학을 다루기 때문에 입자 세계에서의 현대 물리학으로 불리기도 한다. 원자나 분자 단위의 극미세 물질을 인위적으로 조작함으로써 새로운 성질과 기능을 가진 물질을 만드는 나노 기술 역시 양자역학의 한 영역으로 볼 수 있다.

자연계에는 만유인력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력 등의 힘이 존재하는데, 우리가 주로 접하는 단위의 세계, 즉 거시세계에서는 뉴턴의 고전 역학으로 물체의 운동을 설명할 수 있다. 나무에서 떨어지는 사과가 만유인력의 법칙에 따라 낙하 운동을 한다고 예측할 수 있는 것은 이 때문이다.



하지만 분자나 원자, 소립자 세계에서는 만유인력의 영향이 미치지 못하는 대신 전자기력, 핵력들이 크게 작용한다. 이렇게 되면 기존의 거시세계의 상식으로는 설명이 불가능한 현상들이 벌어지는데, 이러한 현상들을 설명하기 위해 정립된 것이 바로 양자역학이다.



과학자들은 육안으로는 보이지 않는 입자가 연속성 없이 나타났다 사라지고, 전혀 엉뚱한 곳으로 산란하는 등 변화무쌍함을 보이는 점에 주목했고, 결국 입자의 움직임을 하나하나 정확하게 표현할 수 없다는 결론을 내리게 됐다. 양자역학자들은 미시세계에서 모든 입자는 파동성을 가지는데, 에너지와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없기 때문에 확실한 것은 하나도 없다고 말한다(하이젠베르크의 불확정성의 원리). 이는 모든 입자의 초기 운동량만 알면 그 입자의 미래까지도 알 수 있다고 생각했던 고전 역학과 정면으로 대치되는 것이다.

양자역학에서는 일정한 조건에서 어떤 양을 측정해도 동일한 값을 얻을 수 없기 때문에 확률로 모든 현상을 설명한다. 고전 물리학에서는 고양이가 죽었거나 아니면 살아있거나 둘 중에 하나지만, 원자 세계의 물리법칙인 양자역학에서는 고양이가 죽은 상태와 살아 있는 상태가 반반씩 섞여있는 일이 벌어질 수 있다는 것이다. 하지만 아인슈타인 "신(자연 혹은 물리법칙)은 주사위 놀이(확률)를 하지 않는다"고 말하며 양자역학을 끝까지 받아들이지 않았을 정도였으니, 양자역학이 물리학에서 오늘날과 같은 대접을 받기까지 험난한 길을 걸었던 것은 사실이다.



아인슈타인 같은 천재 과학자의 반론에도 불구하고, 양자역학 이론은 여러 차례 실험적으로 증명되었고 이후 미시 세계를 지배하는 법칙으로 인정 받았으며 원자, 핵, 분자 물리와 화학의 진보에 크게 기여해왔다. 산업계에 유용한 새로운 물질을 제공하는 중요한 이론인 물성물리학 분야에서 전도체와 부도체를 구별하고, 반도체의 특성을 해명해 근대 산업기술의 발전을 이룬 것도 양자역학의 영향이다.



이처럼 양자역학 이론은 현대물리학에서 예전에 뉴턴 역학이 누리던 영예를 누리는 한편, 우리의 생활 곳곳에 모습을 드러내고 있다. 눈에 보이지 않는 세계로 눈을 돌려 물질의 기본 구조의 이해에 필요한 이론을 정립한 것은 물론, 문명의 이기를 끊임없이 만들어내는 과학의 힘에 놀랄 따름이다.(과학향기 편집부)  

(출처 : KISTI의 과학향기)