엑셈 뉴스룸 | 엑셈 X 양자역학

양자역학은 작게는 주변 물체의 성질에서부터, 크게는 우주의 기원과 진화를 이해하기까지 거의 모든 문제에 적용되고 있습니다. 엑셈에서도 요즘 양자역학으로 열기가 뜨거운데요, 양자역학이 도대체 무엇인지, 왜 엑셈에서 양자역학을 다루게 되었는지 함께 알아보겠습니다.

 엑셈 X 양자역학 

 ‘엑셈(exem)’이라는 사명(社名) 은 ‘전문가 제국(EXPERTS EMPIRE)’이란 의미입니다. 엑세머에게 기술자는 ‘혁신의 길을 가는 지식인이며 과학자이자 예술가’ 이죠. 그 출발은 세상과 우리 자신에 대한 이해부터 시작된다고 볼 수 있고, 그래야 그 길이 아름다울 수 있습니다. 여기 그 핵심적인 지식에 양자역학이 있으며, 이를 기반으로 초연결시대의 정신 모형과 엑셈 경영철학이 발전하고 있습니다.

그렇다면 양자역학에 대한 정의를 먼저 살펴볼까요?

양자역학(量子力學, 영어: quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)은 분자, 원자, 전자, 소립자와 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 분야이다.

출처: 위키백과

정의만 보아서는 감이 잘 오지 않으시죠? 그래서 강의를 준비했습니다. 엑셈과 양자역학의 연결고리에 대하여 보다 더 쉬운 이해를 위해!

 ※ 강의 일부분만 기재합니다.

<세상은 무엇으로 이루어져 있나? – 양자역학과 원자>

<2월 20일 진행되었던 양자역학 강의, 약 60여명의 임직원이 참여하여 높은 관심을 보여주었다>

천재 물리학자 리처드 파인만이 “양자역학을 이해하는 자는 하나도 없다.”고 했을 만큼 어려운 양자역학. 이해하기 어렵고 나와 연관도 없어 보이지만, 양자역학이 무엇인지 한번 들여다 볼 필요가 있습니다. 왜냐구요? 양자역학은 세상의 모든 것을 설명할 수 있다고 하기 때문입니다. 그런 일이 정말 가능할까요? 

 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있고, 원자의 세계에서 일어나고 있는 일을 설명하는 것이 바로 양자역학 입니다. 양성자 하나와 전자 하나로 된 수소 원자 하나를 알기 위한 역사가 양자역학을 낳았고, 현재의 인류 문명은 퀀텀 문명입니다.

 인류는 본질적으로 호기심과 탐구욕을 통해 스스로의 기원을 찾고, 스스로를 이해하려는 속성이 있는데요, 이렇게 지속적인 탐구를 통해 인류가 쌓은 최고의 지식이 바로 양자역학이라고 할 수 있습니다.

 100여년 밖에 되지 않은 양자역학의 역사에 대해 말하기 전, 먼저 원자에 대하여 알 필요가 있습니다. 앞서 언급했듯이 이 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있기 때문이죠.

<원자 모형의 변화 과정(1806~1926), 출처: 교육부 공식 블로그>

 근대 과학이 확립되기 시작한 17세기 말~18세기 초부터 빛의 입자설과 파동설은 뜨겁게 싸워왔습니다. 뉴턴은 빛이 입자라고 생각했지만, 1801년 물리학에서 가장 아름다운 실험이라고 불리는 토마스 영의 이중 슬릿 실험을 통해 ‘빛은 파동’이라는 결론이 도출되었습니다. 

 그 후 돌턴의 원자모형, 맥스웰 방정식, 톰슨의 전자발견 등 다양한 연구를 지나 양자역학의 시작인 막스 플랑크의 양자가설이 등장하였습니다. 양자 이론이 등장한 후에도 빛이 파동인지, 입자인지에 대한 논쟁은 계속되었고, 드 브로이가 ‘물질은 파동성과 입자성을 모두 갖는다’ 라는 물질파 이론을 도출하였습니다. 빛처럼 전자도 입자이면서도 파동인 상태라는 것인데요. 이런 입자의 성질을 하이젠베르크는 행렬 역학으로, 슈뢰딩거는 파동 방정식으로 설명하며 양자 물리학이 완성되었습니다.

<양자역학이 탄생하기까지의 역사와 양자역학이 응용된 사례들, 출처: 한국과학창의재단>

 양자역학의 결실은 바로 주기율표라고 할 수 있습니다. 주기율표의 원리에 해당하는 각 양자수(주양자수, 궤도양자수, 자기양자수)들은 앞서 언급한 슈뢰딩거의 파동방정식으로부터 나오죠. 주기율표는 양성자 한 개와 전자 한 개를 차례로 넣는 게임입니다.

<quantum numbers on periodic table, 출처: 4gsm-bg.info>

 하이젠베크르의 행렬 역학과 슈뢰딩거의 파동 방정식으로 완성된 양자역학에 대한 해석에서 보어와 아인슈타인은 격렬한 논쟁을 벌입니다. 이 중 보어와 같은 생각을 가진 보른과 하이젠베르크 등의 해석을 보어가 있던 덴마크 코펜하겐의 이름을 따서 ‘코펜하겐 해석’ 이라고 합니다. 코펜하겐 해석은 양자역학에 대한 정통 해석으로 알려져 있는데요, 이 해석이 어떻게 인정되었냐고요?

 1927년 10월 제 5차 솔베이 회의에서 이 코펜하겐 해석이 고전 양자역학의 주요 해석으로 인정되며 양자역학에 대한 토대를 명확히 하였습니다. 위 사진을 보시면 당시 반대파였던 아인슈타인의 표정이 그리 좋지 않죠? 아래 코펜하겐 해석의 주요 내용을 함께 보시죠.

1. 하이젠베르크의 불확정성 원리

   위치와 운동량은 동시에 알 수 없다.

2. 보어의 상보성 원리

   전자와 같은 입자들은 입자의 성질과 파동의 성질을 상보적으로 가진다. 즉, 양자상태에서는 모두 존재하지만 입자의 성질을 측정하려면 파동의 성질이 소멸을 하고, 파동의 성질을 측정하려면 입자의 성질이 소멸을 한다. 하이젠베르크의 불확정성원리는 상보성의 중요한 예이다.

3. 보른의 확률해석

  입자의 상태는 파동함수에 의해 결정되며, 파동함수의 제곱은 측정 값에 대한 확률밀도를 나타낸다. 즉 전자의 위치는 확률적으로 알 수 있을 뿐이다.

4. 관측(측정)의 문제

  “내가 달을 보지 않으면 달이 없다는 것인가?”(아인슈타인) ‘실재’가 무엇인가?

5. 경계의 문제

  거시계와 미시계의 경계는 어디인가?

양자역학은 여전히 어렵고 이해하기 쉽지 않습니다. 이렇게 우리는 미시세계를 이해하지 못하지만, 우리 모두 양자혁명의 혜택을 보며 살아가고 있습니다. 이미 양자역학 없이는 살아갈 수 없는 이 시대에, 양자역학을 열심히 연구하여 독일의 막스 플랑크 연구소와 보어의 코펜하겐으로 “양자혁명 투어”를 떠나보면 어떨까요?^^

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기획 및 글 | 사업기획팀 박예영

강의 | 엑셈아카데미 김현미

현장 사진 | 사업기획팀 박예영