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[책 익는 마을의 책 이야기] 김상욱의 <양자 공부>
책 익는 마을 원 진호
2018년 08월 28일 (화) 11:18:49 보령신문 webmaster@charmnews.co.kr
   

■ 세계는
 거시세계와 미시세계로 구성되어 있다. 전자는 상대성 이론의 법칙을 따르고 후자는 양자역학의 법칙을 따른다. 상대성 이론에서 물체가 빛의 속도로 빨라지면 시간은 늘어지고 거리는 단축된다. 또한 시공은 따로 존재하지 않는다. 시공은 무거운 물체에서 휘어져 있다. 그래서 지구가 태양 주위의 휘어진 시공판을 도는 것이다. 특수상대성 이론은 아인슈타인이 1905년에 발표했고, 일반상대성 이론은 1916년에 발표했다. 그는 빛은 파동이면서 입자라는 이중성을 가지고 있다고 했다. 빛은 매질 없이 이동하며 에너지를 갖고 있다. 물질은 빛을 방출시 질량의 일부를 내 보낸다. 빛은 질량을 가진 물질로 보지 않을 수 없다. E=mc2이 바로 그 거다. 여기서 핵무기가 나오고 핵발전소가 나왔다.
 상대성 이론은 원자의 세계에서는 통하지 않는다. 원자는 원자핵과 전자로 구성된다. 각각 은 양전하와 음전하를 띤다. 원자크기는 0.00000001cm. 원자핵은 원자 반지름의 10만분의 1수준이다. 수소원자핵이 농구공이면 전자는 대략 10km 밖에 있다. 원자 무게의 대부분은 원자핵이다. 원자의 세계에서 일어나는 현상을 설명하는 과학이 양자역학이다. 러더퍼드가 원자의 구조가 태양계와 비슷하다는 사실을 알았다. 닐스 보어는 1913년에 전자 궤도의 정상상태와 양자도약이라는 개념을 내놓았다. 그의 제자 하이젠베르그는 1925년에 행렬 수식으로 보어의 개념을 설명해 내는데 성공했다. 역사는 1925년을 양자역학의 탄생으로 기억한다. 행렬역학은 수소 전자가 갖는 두 정상궤도의 빛의 방출과 흡수를 정확히 계산해 냈다. 1926년 슈뢰딩거는 파동방정식을 만들어 원자의 운동을 완벽히 설명해냈다. 그 전에 드 브로이가 전자의 입자와 파동의 관계를 연결시켰다. 그의 주장은 운동량이 파장의 역수라는 것이다. 운동량은 물체의 질량과 속도를 곱한 것이다. 입장의 성질인 것이다. 근데 이 운동량이 파장의 역수라니! 문제는 이 공식이 수소원자에 대한 보어의 양자조건을 잘 설명했다는 것이다. 슈뢰딩거는 드 브로이의 덕을 본 것이다.

■ 코펜하겐 해석 
 보어의 원자에 대한 개념과 하이젠베르그의 행렬역학, 그리고 슈뢰딩거의 파동방정식은 원자의 세계를 잘 설명해 주었다. 화학의 주기율표와 반도체의 원리등 다양한 과학과 산업의 세계도 양자역학으로 설명되었다. 그러나 문제는 해석. 왜?의 문제가 남아 있다. 수 많은 과학자들에게 보어의 정상궤도와 순간이동, 하이젠베르그의 전자의 위치를 알 수 없다는 말은 쉽게 동의가 되지 않았다.
 하이젠베르그는 불확정성의 원리를 제시했다. 전자의 위치를 정확히 알기 위해 짧은 파장의 빛을 쪼여야 하는데 그러면 전자의 운동량이 바뀌어 결국 그 위치를 알 수 없게 된다는 것이다. 보어는 상보성을 주장했다. 전자의 파동성과 입자성은 동시에 알 수 없다는 것이다. 파동을 측정하게 되면 입자를 볼 수 없다. 역으로도 마찬가지.
 양자역학에는 ‘전자의 이중슬릿실험’이러는 유명한 실험이 있다. 1803년 토머스 영이 실험했다. 입자는  두 개의 슬릿을 통과하면 두 개의 줄무늬가 생기고 파동이면 여러 개의 줄무늬가 생긴다. 전자는 입자다. 그런데 실험에서 여러 줄무늬가 생긴다. 이 것이 가능하기 위해서는 전자는 두 개의 구멍을 동시에 지나가야 한다. 입자가 손오공도 아닌데 어떻게 가능한가? 코펜하겐에 있던 보어와 하이젠베르그는 이렇게 해석을 내 놓았다. ‘미시세계인 전자 입자가 파동의 성질을 가지며 하나의 전자가 두개, 또는 수 십개의 구멍을 동시에 지난다. 그러면 줄무늬는 여러 개가 생긴다. 여러 가능성을 동시에 갖는 상태를 중첩 상태라 한다. 측정은 거시 세계의 실험장치가 수행한다. 그러면 측정을 하면 미시 세계의 중첩상태는 깨지고, 거시 세계의 한 상태로 귀결된다. 그러면 줄무늬는 두 줄만 생긴다’
 측정은 인간의 시선만 말하는 것은 아니다. 전자가 공기입자를 만나면 공기입자가 측정의 주체가 된다. 즉, 전자는 존재하지 않는 존재다. 측정이 안 되면 파동처럼 행동하다가 누군가 보면 입자처럼 행동한다. 해서 측정은 오로지 확률로서 알 수 있다. 

■ 어렵다
 내가 뭘 읽었는지 모르겠다. 그러나 이런 단상은 든다. 눈을 감으면 앞에 놓여 있는 촛불은 존재하지 않는 것이고, 눈을 뜨면 존재한다는 주장이 미시 세계에서는 틀린 말이 아닐 수 있다는 것. 또한 공터에서 야구공을 던지고 있는데 어여쁜 아가씨가 본다고 인식하는 순간, 그 공은 하늘로 날라간다는 사실. 양자역학이 설명하고 있는 것은 아닌지. 측정 순간 대상에 영향을 끼친다 하지 않는가!

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