양자역학과 우리의 삶

물질의 최소 단위는?

그리스의 철학자 데모크리토스는 만물이 더 이상 분해할 수 없는 최소단위의 운동과 결합으로 성립하고 있다고 생각했고 그 최소단위를 원자라고 명명했다. 이 추론은 정확하고 현대 과학에서도 다양한 원자의 결합으로 물질이 구성되어 있다고 생각합니다.

사실 원자는 최소단위가 아니고 더욱 작은 원자핵과 전자로 구성되어 있다는 것을 알았고 그 원자핵도 양성자와 중성자로 구성되며 그 양성자나 중성자도 쿼크라는 입자로 되어 있다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 더 이상 분해할 수 없을 것이라고 생각되는 쿼크나 전자 등의 최소 입자를 '소립자'라고 부르게 되었습니다.

입자와 파동

우리가 보는 '빛'의 정체는 라디오 방송에서 사용되는 '전파'와 같은 것. 빛과 전파는 주파수가 다를 뿐으로 둘 다 전자파의 일종입니다. 빛은 소리와 같은 파동으로서의 성질을 가지고 있습니다. 그런데 20세기 들어서 빛의 정체는 파동이 아니라 입자라고 주장하는 과학자가 나왔습니다. 독일의 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인입니다. 플랑크는 이 빛의 입자를 에너지 양자라고 불렀고 아인슈타인은 광양자(광자)라고 부릅니다. 최종적으로 과학자들이 도출한 결론은 빛이 입자인 동시에 파동의 성질도 아울러 가진다는 것입니다. 빛뿐만이 아니라 전자나 쿼크 등의 소립자도 똑같이 같은 성질을 가지고 있습니다. 이런 극소의 물질을 양자라고 부르게 되었습니다.

이 양자는 파동의 상태에 있을 때는 눈에 보이지 않는 물질파로서 공간에 퍼져 있다가 관측되는 순간 파동으로서의 성질이 사라지고 눈에 보이는 입자의 모습을 나타낸다고 합니다. 다양한 실험으로 양자가 가진 이 이상한 성질은 입증되었습니다.

아무도 이해할 수 없다.

그 밖에도 극소세계의 '양자'는 우리의 상식으로는 헤아릴 수 없는 신기한 운동을 합니다. 예를 들어 하나의 양자가 마치 닌자의 분신술과 같이 다른 장소에 동시에 존재하거나 텔레파시처럼 훨씬 먼 곳에 한순간에 정보를 전달할 수 있습니다. 우리가 이 난해한 이론을 이해할 수 없는 것은 당연한 일로 노벨물리학상을 수상한 미국의 과학자 리처드 파인만조차 "아무도 양자역학은 이해할 수 없다"고 공언했을 정도입니다.

그러나 이 기묘함과는 반대로 양자역학은 이미 우리의 삶에서 빠질 수 없는 친밀한 존재가 되었습니다. 컴퓨터에 사용되는 반도체는 양자역학의 이론에 기초하여 만들어지고 있으며 DVD, 레이저, 디지털카메라, 스마트폰 등도 양자역학의 이론 없이는 존재할 수 없습니다. 영국이 있는 과학기자의 저서에 의하면 2014년 시점에서 선진국의 GDP의 35%는 양자역학에 근거하는 기술을 이용해 만들어지고 있다고 합니다. 더 이상 양자역학 없이는 현대인의 삶은 성립되지 않는다고 말할 수 있습니다.

초전도 모터, 양자컴퓨터 등 향후에도 양자역학에 근거하는 첨단기술은 잇달아 나와 생활 속에 들어오고 미래를 크게 바꾸어 갈 것입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 量子力学と私たちの暮らし
https://www.muji.net/lab/living/180926.html