양자역학이란

양자역학이란

양자역학은 물리학에서 기본 이론이며 원자와 아원자 입자의 자연 물리적 성질을 설명한다. 양자물리학의 기초는 양자화학, 양자장이론, 양자 기술, 양자정보과학을 포함한다. 양자역학은 에너지, 운동량, 각운동량, 그리고 결합된 계의 다른 양들이 양자화로 제한된다는 점에서 고전 물리학과 다르다.

양자역학의 개요 및 기본 개념

양자역학은 물리적 시스템의 특성과 행동을 계산한다. 일반적으로 분자, 원자, 아원자 입자와 같은 시스템에 적용된다. 수천 개의 원자를 가진 복잡한 분자에 적용되는 것으로 입증되었지만, 인간에 대한 적용은 철학적 문제를 제기하며, 양자역학의 전체적 예측은 매우 높은 정확도로 실험적으로 검증됐다. 이 이론의 기본적인 특징은 일반적으로 무슨 일이 일어날지 확실하게 예측할 수 없다는 것이다. 수학적으로 확률은 복소수의 절댓값의 제곱을 취함으로써 발견된다. 이것은 물리학자 막스 보른의 이름을 딴 보른 규칙으로 알려져 있다. 예를 들어, 전자와 같은 양자 입자는 공간 진폭의 각 점과 연관된 파동 함수로 설명된다. 이들 진폭에 적용된 규칙은 전자 밀도를 측정하기 위해 가장 좋은 위치를 제공할 수 있는 전자 이론이 발견될 때 전자 밀도를 제공한다. 양자역학의 수학적 법칙의 결과는 서로 다른 측정 가능한 양들 사이의 예측 가능성의 절충이다. 이 불확실성 원리의 가장 유명한 형태는 양자 입자가 어떻게 준비되거나 실험이 얼마나 신중하게 배열되든, 위치의 측정과 동시에 운동량의 측정에 대한 정확한 예측을 하는 것은 불가능하다. 양자역학의 수학적 법치의 또 다른 결과는 양자 간섭 현상인데, 이중 슬릿 실험에서 설명된다. 이 실험의 기본 버전에서는 레이저 빔과 같은 일관성 있는 광원이 두 개의 평행 슬릿으로 관통된 판을 비추고, 슬릿을 통과하는 빛이 판 뒤의 스크린에서 관찰된다. 빛의 파동이 두 개의 어두운 띠를 통과하는 것으로 구성되어 있지 않을 것으로 예상되는 두 개의 어두운 입자를 통과한다. 또한 슬릿에 있는 검출기를 포함하는 실험은 검출된 각 광자가 양쪽 슬릿을 통과하는 것이 아니라 하나의 슬릿을 통과하는 것을 발견한다. 그러나 이런 실험은 입자가 어느 슬릿을 통과하는지를 검출하더라도 간섭 패턴을 형성하지 않는다는 것을 보여준다. 전자와 같은 다른 원자 규모의 실체는 이중 슬릿을 향해 발사됐을 때에도 같은 행동을 보이는 것으로 밝혀졌다. 이 동작을 파동 입자 이중성이라고 부른다. 양자역학에 의해 예측된 또 다른 반직관적 현상은 양자 터널링이다. 양자 터널링은 몇 가지 중요한 결과를 가져와 방사성 붕괴, 별의 핵융합, 터널 다이오드 등의 응용을 가능하게 했다. 양자 시스템이 상호 작용하면 그 결과가 양자 얽힘이 생길 수 있다. 양자 얽힘은 양자 의사 텔레파시의 반직관적 특성을 가능하게 해 양자 키 배포나 초고밀도 코딩과 같은 통신 프로토콜에 있어서 귀중한 자원이 될 수 있다. 일반적인 오해와 달리 얽힘은 비통신 정리에 의해 증명되듯 빛보다 더 빨리 신호를 보내는 것을 허용하지 않는다. 얽힘에 의해 열린 또 다른 가능성은 숨겨진 변수를 테스트하는 것이다. 이것은 양자 이론이 제공할 수 있는 것보다 정확한 예측을 가능하게 하는 양자론에서 다루는 양보다 기본적인 가상 특성이다.>

양자역학의 역사

양자역학의 역사는 20세기 초에 발견되었고 경우에 따라 이전에도 관찰됐던 현상을 설명할 필요가 있다. 빛의 파동성에 대한 과학적 연구는 17~18세기 로버트 후크, 크리스티안 호이헨스 등 과학자들이 실험 관측을 바탕으로 빛의 파동이론을 제안하면서 시작됐다. 1803년 영국의 리머스 토머스 영은 유명한 이중 슬릿 실험에 대해 설명했다. 이 실험은 빛 파동 이론의 일반적인 수용에 큰 역할을 기여했다. 19세기 초 존 덜튼과 아메데오 아보가드로의 화학 연구는 제임스 클라크 맥스웰과 루트비히 볼츠먼 등이 가스 운동 이론을 확립하기 위해 일궈낸 아이디어인 물질 원자론에 무게를 실었다. 운동 이론의 성공은 물질이 원자로 구성되어 있다는 생각에 더욱 신뢰를 주었지만, 이 이론에서는 양자역학의 발전을 통해서만 해결할 수 있는 단점도 있었다. 그리스 철학에서 원자가 초기에 불가분의 단위라는 개념이었으나 19세기에는 아원자 구조에 대한 가설의 형성을 보았다. 그런 점에서 중요한 발견 중 하나는 1838년 마이클 패러데이가 가스를 포함한 유리관 내 방전에 의해 야기된 글로우를 관측했다는 것이다. 이는 톰슨이 발견한 바로 전자라고 불리는 아원자 입자로 구성되어 있었다. 흑체 방사선 문제는 1859년 구스타프 키르호프에 의해 발견되었다. 1900년 맥스 플랑크는 에너지가 이산적인 양자에 방사돼 흡수된다는 가설을 제안해 흑체 복사의 관측 패턴과 정확히 일치하는 계산을 산출했다. 플랑크에 따르면 에너지양은 원소로 분할되며 그 크기 E는 주파수 v에 비례한다고 생각했다. E=hv. 여기서 h는 플랑크의 상수이다. 플랑크는 방사선 흡수와 방출 과정의 한 측면일 뿐 방사선의 물리적 현실이 아니라고 주장했다. 사실 그는 자신의 양자 가설을 발견이라기보다 답을 얻기 위한 수학적 속임수라고 생각했다. 그러나 1905년 아인슈타인은 플랑크의 양자 가설을 현실적으로 해석해 특정 물질에 빛을 쬐어 물질에서 전자를 방출할 수 있는 광전 효과를 설명했다. 닐슨 보어는 이후 플랑크 방사선에 관한 아이디어를 수소 원자 모델로 개발해 수소 스펙트럼선을 예측하는 데 성공했다. 아인슈타인은 또 빛과 같은 전자파가 주파수에 의존하는 이산적인 에너지양을 갖는 입자로도 불릴 수 있음을 보여주기 위해 이 아이디어를 개발했다. 당시 그의 일반상대성이론에는 그림자 드리우고 있었지만, 이 논문은 레이저의 기초가 된 방사선 자극 방출 메커니즘을 밝혔다. 1920년대 중반 양자역학은 원자물리학의 정식화를 위해 개발되었다. 1923년 프랑스 물리학자 루이 드 브롤리는 입자가 파동 특성을 보이고 그 반대일 수 있다며 물질파동 이론을 제창했다. 1925년 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크, 막스 본, 파스큐어 조단이 매트릭스 역학을 개발하고 오스트리아 물리학자 슈뢰딩거가 파동역학을 발견했다. 본은 1926년 7월 슈뢰딩거 파동함수의 확률론적 해석을 도입했다. 1930년까지 양자역학은 데이비드 힐베르트, 폰 노이만에 의해 더욱 공식화되었다. 이후 양자화학, 양자전자공학, 양자정보과학 등 여러 분야에 침투했다. 또한 현대 원소 주기율표의 여러 특징해 유용한 프레임워크를 제공한다.

 

궤도님의 양자역학 특강 보러가기

 

 

양자역학에 대해 알아보았습니다. 다음 번에는 더욱 흥미로운 과학 분야에 대해 알아보도록 하겠습니다.