양자 역학 (r5 편집)

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[[분류:물리학]]
[목차]
== 개요 ==
양자의 세계에서 작동하는 힘의 관계를 연구한 학문.
그리고 친자 역학과 반대되는 학문. 굉장히 심오하다.
~~미시와 연관이 깊다.~~

물질의 가장 기본이 되는 단위인 양자를 찾다보니 발전한 학문이기 때문에, 양자 역학에 대한 탐구도 크게 보면 [[제1원인론]]과 비슷한 맥락이라고 할 수 있다. 그래서인지 과학 철학의 입장에서 양자 역학을 탐구하기도 한다.

== 상세 ==
자세한 내용을 전부 서술할 수는 없을 노릇이니 위키러들이 상식 선에서 알아두면 유용할 수준에서, 코펜하겐 해석을 기반으로 간단히 설명하자면 아래와 같다.[* 사실 위키에서 이렇게 남에게 설명하는 것 자체가 대단히 오만한 일이다. 양자역학에 대한 해석은 아직까지도 활발히 이루어지고 있기 때문에, 이 설명을 읽고 관심이 생긴 사람이 양자역학을 직접 탐구하고 이해하는 것을 추천한다.]

우리가 사는 세계를 구성하고 있는 가장 작은 기본 단위를 양자라고 한다. 모든 운동량 따위의 최소 단위라고 생각하면 쉽다. 전자기파의 기본 단위를 양자, 중력파의 기본 단위를 중력자라고 부르는 것이 좋은 예.

이 양자가 구성하고 있는 세계는 맨눈으로 관측할 수 없어 '미시 세계'라고 부르는데, 이 세계에선 우리가 눈으로 보고 만지는 '거시 세계'와는 다른 역학이 작용하고 있다는 것이 양자역학을 이해하는 첫걸음이 된다.

이 미시 세계를 관측하고 탐구하기 위해 어떤 범위를 정했다고 생각하자. 이를 '물리계', 줄여서 '계'라고 칭한다. 관측자가 계를 관측해서 얻고자 하는 궁극적인 목표는 '파동 함수'[* 계의 모든 값을 담고 있는 함수.]다.

문제는 여기서부터다. 코펜하겐 해석에 따르면 파동 함수는 '''확률적'''이다. 어떠한 범위, 즉 진폭 안에서 확률적으로 존재하고 있을 뿐이다. 즉, 관찰하는 시점과 관찰하는 사람에 따라, 파동 함수는 '''확률적'''으로 측정된다.

이 가정을 기반으로 정립된 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 양자의 운동량과 위치를 동시에 정확하게 관측하는 것은 불가능하다. 관찰당하는 '계'[* 관찰하고자 하는 범위]는 관측하는 순간 관측자와 '상호작용'을 하기 때문이다.

간단하게 예를 들어보자면, A가 양자를 관측해서 그 양자의 운동량을 정확하게 측정했다고 치자. 같은 조건에서 위치를 기록하기 위해 B가 다시 관측하면, 위치가 정확하게 측정되는 순간 A가 구한 운동량은 비가역적으로 파괴된다. 어리둥절한 C가 다시 운동량을 측정하면, 이번엔 B가 측정한 위치값이 파괴된다.

그렇다고 모든 정보가 매번 다 파괴되는 것은 아니다. 둘 중 하나의 정보만을 연속적으로 측정하면 정확한 값을 얻을 수 있다. A, B, C가 작심하고 위치만 구하겠다며 측정을 했다면, 위치 정보는 세 경우 모두 동일하게 관측된다. 대신 이 경우, 위치 정보는 비가역적으로 계속 파괴된 상태일 것이다.

'파동' 함수라는 데서 알 수 있다시피, 파동 함수로 표현할 수 있는 양자는 '입자'와 '파동'의 성질을 동시에 갖는다. 이는 닐스 보어가 전자의 이중 슬릿 시험을 예로 들어 주장했다.

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이중 슬릿 시험이란, 측정을 원하는 물질을 두 개의 얇은 구멍(슬릿)을 뚫은 종이를 향해 날리고 그 뒤에 받쳐놓은 종이에 그려지는 무늬를 통해 물질의 성격을 판단하는 실험이다. 뒤에 받쳐놓은 종이에 슬릿 모양으로만 무늬가 찍혀있다면 물질은 입자일 것이고, 여기저기 무늬가 찍혀있다면, 즉 간섭무늬를 만든다면 파동일 것이다. 거시 세계에서 예를 들자면 슬릿 두개를 향해 BB탄을 쏜다면 입자의 형태를 가진 BB탄은 슬릿 모양으로만 무늬를 만들 것이고, 물대포를 쏜다면 슬릿 모양이 아니라 사방으로 퍼진 무늬를 만들 것이고 여기저기 겹친 부분도 있으리라.[* 적절한 예는 아닐 수 있다.]

이제 이 슬릿 실험장에 전자를 데려와 전자가 파동인지 입자인지 판단해보자. 전자가 발사된 직후, 날아가는 전자의 운동량[* 앞서 말한 운동량]을 측정했다고 가정하자. 불확정성 원리를 이해했다면 쉽게 알 수 있다시피, 이 전자가 이중 슬릿의 두 개의 구멍 중 어느 쪽으로 갈지는 확률적으로 결정된다. 위치 정보는 비가역적으로 파괴되었으니까! 실제 실험에서도 종이에는 간섭 무늬가 나타난다.

이를 이상하게 여긴 A가 전자가 발사되었을 때 어느 구멍으로 통과할지[* 앞서 말한 위치]를 정확하게 측정하면, 운동량이 파동 함수의 형태로 확률적으로 변하기 때문에 간섭 무늬는 사라진다. 위치를 정확히 알 수 있기 때문에, 전자는 슬릿을 그대로 직선을 그리며 통과해 종이에 슬릿 모양으로만 무늬를 남긴다.

그러므로 양자는, 확률적으로 입자와 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것이다.
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우리가 관찰할때마다 광자의 간섭[* 사람 눈으로 무언가를 보려면 빛이 필요하니까]으로 인해 이런 불확정성이 나타난다고 하는 해석도 있으나, 현재로써는 그 무엇도 확신할 수 없다. 말 그대로 확률적으로 존재하고 나타나고 측정되는 영역이기 때문이다.

철학적 해석으로는 이를 확률론적 결정론으로 부른다. 모든 값은 이미 결정되어 있지만, 그 과정은 확률적으로 이루어진다는 해석이다. 양자 세계가 어떻게 이루어져 있고 어떤 측정 과정을 통해 그 값이 나타나건간에 우리가 볼 수 있고 우리의 삶에 영향을 미치는 세계는 결과적으로 존재하고 있다는 말이다.

이게 실생활과 대체 무슨 관계가 있냐고 물어본다면, 우리 몸을 구성하는 양자들이 이렇게 확률적인, 다시 말해 파동 상태로 존재하고 있는 덕에 우리가 손과 손을 맞댔을 때 서로 통과하지 않는다고 생각하면 된다.

== 여담 ==
1900년부터 1940년대까지 활발히 연구가 진행된 학문이다. 당시에는 이 이론 자체가 엄청난 이단이었는데, 이전까지 물리학계의 튼튼한 기반이던 고전 역학에 반기를 드는 수준의 개념이었기 때문이다. 양자 역학에 대해 고전 역학의 대가 아인슈타인이 남긴 말을 통해 당시의 혼란스러운 물리학계의 분위기를 미루어 짐작할 수 있으리라.
>그러니까, 달을 관측하지 않을 때는 달이 존재하지 않는다는 말입니까?
아인슈타인은 이 '확률' 이론이 워낙 마음에 안들었던 모양인지 1927년 솔베이 회의에서 저 유명한 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 명언을 남겼고, 코펜하겐 해석을 내놓은 막스 보른은 "신이 어떻게 세계를 다스릴지는 우리가 알 수 없다"고 맞받아쳤다.

하여튼 이렇게 세계적인 석학들조차 잘 이해할 수 없고 끙끙대는 것이 바로 양자역학이지만, 수박 겉핥기로라도 이 학문의 역사적 흐름[* 이 흐름이 쭉 이어져 트리니티 핵실험으로 이어진다!]과 개념만 이해할 수 있다면 굉장히 흥미롭고 재미있는 학문이다.

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요약

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