태터데스크 관리자

도움말
닫기
적용하기   첫페이지 만들기

태터데스크 메시지

저장하였습니다.

Wonderful Science | 새로운 'Kg'과 플랑크 상수

정보/Wonderful Science 2019.04.10 14:56

 

 

 

 '어벤져스 엔드게임'을 진짜 재밌게 볼 수 있는 방법은 무엇일까요? 바로 과학을 '쫌' 하는 것입니다. 과학을 모르면 즐길 수도 없는 세상. 더구나 ‘기술과 인간지능의 융합’(레이 커즈와일)이란 진화의 맨 앞줄에 서 있는 IT인들에게, 과학은 아이언맨의 슈트와 같은 것이 아닐까요?

 원더풀한 우주에서, 원더풀한 삶을 위해, 원더풀 사이언스를 입어봅시다. 매달 다른 슈트가 배달됩니다. 최신의 주목해야 할 ‘과학 뉴스’슈트, 나를 업그레이드 해주는  ‘과학 도서’ 슈트, 달콤 쌉싸름한 ‘과학 에세이’ 슈트 등입니다. 영화보다 훨씬 놀랍고 원더풀한 자연! 그 탐험을 원더풀 사이언스와 함께 출발합니다.

 

 

이번 달은 2019년 5월 20일부터 시행되는, 국제 기본 단위(SI)의 새로운 정의를 'Kg' 중심으로 알아봅니다.

 

 

화성기후탐사선과 단위

 1999년 9월 무인화성기후탐사선(MCO)이 화성 궤도에서 폭발합니다. 원인은 제작사인 미국의 록히드마틴이 탐사선의 점화 데이터를 yd(야드)로 작성한 것을 NASA의 제트추진연구소가 m로 착각해 생긴 일이었습니다. 탐사선이 예정보다 100km나 낮게 궤도 진입을 하는 바람에 화성 대기와의 마찰로 폭발한 것입니다. NASA는 이 사고로 1400억원의 손실을 입었습니다.

1986년 1월 우주왕복선 챌린저호가 발사 후 73초만에 공중에서 폭발한 사고도 단위 때문에 생긴 참사입니다. 다른 모든 부품은 m를 기준으로 제작했는데, 고무링이 inch(인치)로 제작돼, 이 수치 차이 때문에 연료가 새어 나와 폭발한 것입니다. 이 두 사례는 단위 통일의 중요성을 극단적으로 보여준 예들입니다.

 

 

 

라부아지에의 Kg과 단두대

< Kg 원기, 출처 : ABC NEWS>

 매년 10월이면, 파리 근교에서 반드시 세 사람이 동시에 알현 의식을 치뤄야 하는 세계적인 보물이 있습니다. 바로 백금과 이리듐 합금으로 만들어진 ‘kg원기’입니다. 

 흥미롭게도 이 원기의 탄생에는 프랑스 혁명이 있습니다. 당시 프랑스는 약 800개의 이름으로 25만개나 되는 도량 단위가 쓰이고 있었는데, 이 무질서를 해결하기 위해1791년에 길이와 질량의 단위를 제정합니다. 길이 1m는 ‘북극과 남극까지 길이의 2천만분의 1’로, 질량 1kg 은 ‘얼음이 녹는 온도에서 물 1리터가 갖는 무게’로 정의 했습니다. 

 질량보존의 법칙을 발견한 '근대 화학의 아버지’ 라부아지에는 혁명 바로 전에 프랑스 아카데미의 재무 장관으로 임명되어, 킬로그램(kg) 표준을 만드는 일에 핵심적인 역할을 했습니다. 그러나 안타깝게도 젊은 시절 세금 징수에 관여했다는 이유로, 1795년 단두대에서 처형되고 말았습니다. 감옥에서도 질량연구를 멈추지 않았던 라부아지에가 단두대에서 사라지는 모습을 본 수학자 라그랑주는 “ 그의 머리를 자르는 데는 1분도 걸리지 않았지만, 그와 같은 머리를 만드는 데는 100년이 걸려도 부족할 것이다.”라고 했습니다. 

 지금 국제도량형국(BIPM)은 프랑스 파리 근교 세브르에 있습니다. 국제단위계(SI)도 프랑스어 ‘Le Systeme International d’Units’에서 왔습니다. 라부아지에를 비롯해 18세기 후반 과학자들은 ‘정밀 측정, 수학적 형식화, 통계적 방법, 기하학적 추론 ’(『프리즘: 역사로 과학 읽기』 서울대학교출판부) 등을 둘러싸고 치열하고 처절한 탐구와 논쟁을 벌였습니다. 이런 면에서 측정과 단위의 통일은 사회경제적인 필요를 넘어, 그 자체가 근대과학의 발달과 함께 했다고 할 것입니다.





국제단위계(SI)

 단위는 ‘어떤 양을 수치로 나타낼 때, 비교 기준이 되도록 크기를 정한 양’입니다. 단위가 보편성과 정확성, 불변성을 갖추고 있을 때, 우리는 측정을 통해 드러난 세계의 현상들을 신뢰하게 됩니다. 

 국제단위계(SI)는 7개의 기본 단위가 바탕을 이루고 있으며, 이들 7개의 기본 단위로부터 유도되는 ‘유도단위’가 있습니다. 7개 기본 단위 중 미터(m), 초(s), 칸델라(cd)는 각각 1983, 1997, 1979년에 ‘불변의 물리 상수’ 값으로 이미 재정의 되었습니다. 나머지 문제가 된 ‘질량’ ‘전류’ ‘온도’ ‘물질량’ 등 4개 기본 단위가, 드디어 2018년 국제도량형총회에서 해결되었습니다. 

 특히 주목 할 점은 ‘kg’의 정의입니다. 지난 130여년 동안 유일하게 ‘kg원기’라는 원시적인 인공물로 기준을 삼았던 ‘kg’의 정의가, 다른 기본 단위와 마찬가지로 불변의 물리 상수를 기준으로 바뀐 것입니다. 이제 ‘kg’은 ‘플랑크 상수 h=6.626 070 15×10−34 kg⋅m2⋅s−1가 되도록 하는 질량’입니다. 

      <SI 로고 공식 이미지, 출처: BIPM 홈페이지>                                              <출처: 나무위키, SI 단위계>

 

 

 

'Kg'과 플랑크 상수

 새로운 ‘Kg’ 정의에 사용된 플랑크 상수h는, 양자역학의 문을 연 막스 플랑크의 양자가설에서 사용되었던 바로 그 상수입니다. ‘양자 quantum’는 ‘띄엄띄엄’ 혹은 ‘덩어리’란 뜻으로, 에너지의 최소 단위입니다. 양자가설이란 ‘특정 진동수의 빛 에너지 값(E)은, 그 진동수(ν)에 플랑크 상수 h를 곱한 값(hν=양자)의 정수(n)배만 가질 수 있다’고 가정한 것입니다. 즉, E=nhν 입니다.

 플랑크 상수는, 광속 c나 중력상수 G처럼 언제 어디서든 같은 값을 갖는 불변의 상수입니다. 이런 불변성이 플랑크 상수를 새로운 질량 정의에 사용하게 된 가장 큰 이유입니다. 

 플랑크 상수를 통해 우리는 에너지가 연속적인 게 아니라 띄엄띄엄 불연속적인 값으로만 존재함을 알게 되었습니다. 자연이 매끄러운 인과로 연결되어 있지 않으며, 고전 물리학의 인과론적 세계관과 결정론적 우주관이 자연의 이치가 아니라고 증명을 한 것입니다. 그래서 우리는 이를 ’양자혁명’이라고 합니다. 양자혁명을 연 플랑크 상수 h로 새로운 질량의 정의를 삼는 것은 현대 퀀텀문명에 아주 잘 어울리는 일입니다.

 

<Max Planck, 출처: Flipkart> 
 

 


'Kg' 레시피

 플랑크 상수의 단위는 J·s(에너지의 단위 J’줄’과 s’초’의 곱)로, ‘일정 시간 동안 가해진 에너지’를 나타냅니다. 이를 ‘작용(action, 무척 중요한 개념)이라고 합니다. . 그런데 이 상수를 어떻게 사용한다는 걸까요? 간단하게 보자면, 플랑크 상수의 단위는 J·s이고, 이것은 다시 ㎏·㎡/s로 쓸 수 있습니다. 그런데 이미 m와 s가 정의 되어 있으므로, 플랑크 상수 값만 정확히 알 수 있으면 역으로 kg을 정의할 수 있게 됩니다. 즉, 

 

 

 아래 오른쪽 그림에서 보다시피 SI단위는 서로 긴밀히 연결되어 있습니다. 예를 들어 광속c는 미터m의 값을 정해주고, 미터는 kg과 칸델라(광도의 단위), 켈빈(온도의 단위)의 값을 정하는 데 쓰이고 있습니다. 시간의 단위인 초는 기본단위 다섯가지에나 관련되어 있습니다. 보다시피 Kg은 m(미터)와 s(초), h(플랑크 상수)로 규정됩니다.

<출처: berkeley science review, A TIME TO KILO>


 

 

'키블 저울'

 질량의 기준을 정의하는 것은 정말 어려운 일입니다. 과학 잡지 ‘네이처’가 2012년 판에서, ‘질량 정의 개정’을 가장 어려운 과학 실험 5개중 하나로 뽑았을 정도니까요. 새로운 ‘kg’을 플랑크 상수 값으로 정의한다는데, 사실 이 플랑크 상수값은 실험에 의해서 얻어집니다. 그러니까 실험의 정확도와 정밀도가 보장이 안 된다면, 애초 시도도 할 수 없는 일입니다. 

 키블 저울과 같은 정밀 실험의 기술이 있기에, 물체의 질량과 플랑크 상수를 연결 시킬 수 있게 되었습니다. 물리학과 수학을 활용해 고정된 상수 값으로 물리량의 정의를 바꾼다는 것은 ‘단위’의 패러다임을 바꾸는 것이라고 과학자들은 말합니다.  


 

 

아무런 변화가 없지만 거대한 변화

 2018년 국제도량형총회에서 결정된 국제단위계의 변화된 내용은 올해 2019년 5월 20일 ‘세계 측정의 날’부터 발효가 됩니다. 이렇게 획기적인 사건이라면, 우리 일상에는 과연 어떤 변화가 올까요? 답은 ‘변화 없음’ 입니다. 

 그러나 이것은 분명 거대한 변화입니다. 과학자들은 “논리적이고 오류를 줄이려는 ‘과학적 사고’의 기본은, 표준 단위의 명확한 정의에서 출발한다”(이호성 표준연 시간센터 책임연구원)고 강조합니다. 과학계는 이후, 플랑크 상수로부터 질량을 실현하는 새로운 기술 개발과, 이를 기반으로 하는 나노 및 마이크로 분야, 정밀 측정 분야의 발전을 기대하고 있습니다.

 막스 플랑크는 1900년 플랑크 상수를 통해 양자가설을 세워 양자의 세상을 열었으나, 잘 이해하지도 못했고, 자신의 발견이 세상에 얼마나 큰 변화를 가져올지는 더더욱 알지 못했습니다. 2019년, ‘kg’을 비롯한 국제기본단위 모두가 불변의 물리 상수를 기준으로 바뀝니다. 자연의 이치를 알아가는 자연 과학과, 일상을 바꿔주는 공학의 연결점인 ‘측정’이 정밀도를 점점 높여가는 일은, ‘단위의 통일’을 넘어서 더 큰 변화를 이루어 내는 시작이 될 것입니다.

 

“측정할 수 있는 것은 측정하고, 측정할 수 없는 것은 측정 할 수 있게 하자” (갈릴레이)



새로운 ‘Kg’에 대해 더 알고 싶다면? 아래 참고자료를 보세요!

※ 참고 문헌: 알기 쉬운 SI 기본단위 재정의

※ 참조 논문: 기본상수를 이용한 단위의 재정의

※ 참조 논문: 플랑크 상수를 이용한 킬로그램 재정의 및 실현 

※ 추천 영상: 국제단위계 기본단위 재정의 특집 영상 (한국표준과학연구원KRISS)






기고 | 엑셈 아카데미 김현미

엑셈 사람들 | 엑셈 아카데미

엑셈 사람들 2019.04.10 14:55

 

 

양자역학? 초연결사회? 요즘 정말 핫! 하지만, 조금은 어려운 주제입니다. 그런데 엑셈에서는 매주 두 주제에 대한 세미나가 진행되고 있습니다.

왜 이런 세미나를 하는 것인지, 어떻게 진행되고 있는지 함께 살펴보시죠.

 

 

 엑셈 아카데미란? 

경영기획본부 소속으로, 엑셈 '전개일여' 경영철학의 기반이 되는 양자역학과 초연결사회를 위한 정신 모형을 사내에 보다 쉽고 빠르게 전파하기 위해 꾸려졌습니다. 두 위원님의 이야기를 들어볼까요?





 대표님과의 인연으로 엑셈 아카데미에 합류하게 되었습니다. 평소 페이스북을 통해 대표님의 생각을 접했고, 대표님의 생각과 경영철학에 공감가는 바가 많았습니다. 엑셈에는 여러 번 방문하여 그리 낯설지 않았고, 엑셈이 본격적으로 진행하는 초연결 정신문명의 모델링을 만드는데 같이 해보고자 하는 욕심이 있었습니다. 

 저는 엑셈에 오기전에 청(소)년들의 진로 코칭 업무를 하였는데, 제가 지은 진로 코칭의 이름이 '삶을 디자인하는 진로'였습니다. 자기 삶을 설계하는 것과 엑셈의 전개일여의 핵심인 공진화는 매우 비슷한 점이 많습니다.





 


2018년 10월, 조종암 대표님의 전개일여 경영철학을 듣게 되었습니다. 그 때 오랜 경험과 학습에서 나온

과학적이고 열린 세계관을 갖고 계심을 다시 한번 확인할 수 있었죠. 특히 엑셈과 엑세머의 동반성장과, ‘현대 초연결사회 기업인으로서 무엇을 해야 할 것인가’를 고민하는 사명감과 진정성을 느낄 수 있었습니다. 가치는 그 가치를 알아보는 데 있습니다.

 저는 그간 10년 동안 ‘(사)박문호의 자연과학 세상’에서 뇌과학을 포함한 자연과학 전반에 대한 학습과 활동을 해왔고, 조종암 대표님과는 2011년부터 같이 공부도 했었죠. 특히 엑셈은 그동안 여러 방면으로 큰 도움을 준, ‘박자세’의 후원사였습니다.

 그간 자연과학을 두루 공부해본 제 경험이 엑셈의 전개일여 경영철학에 도움이 될 수 있다면, 참으로 의미가 있는 일이라고 생각해서 엑셈 아카데미에 합류하게 되었습니다.


 

 

 

 강의 소개 

<엑셈 전개일여 경영시스템>

 

손경덕 전문위원) 제가 맡은 강의는 상대주의와 확률론에 기반한 초연결 정신모형이고, 팀장님들을 대상으로 진행합니다. 엑셈 경영시스템의 골격은 현대과학의 흐름을 기반으로 하여 초연결시대에 요구되는 정신모형을 발굴하고, 이를 전개일여 경영에 연결하는 것입니다. 경영철학의 실행파일(개인핵심가치 & 조직핵심가치)과 경영철학의 기반(양자역학과 상대론) 사이의 중간에 있습니다. (위 그림 참고) 초연결 정신모형은 크게 진화적 관점, 지식적 관점, 세렌디피티적 관점, 일의 관점, 태도의 관점으로 분류하고, 이 카테고리에 적합한 책을 선별하여 소개하는 방식으로 진행하고 있는데요. 제가 주요 책의 내용을 추려서 소개하는 방식입니다 .

 전개일여라는 경영철학은 기존의 경영철학을 가져다 쓰는 것이 아니라, 엑셈에게 요구되고 적합한 경영철학을 만드는 것이기 때문에 따로 참고할 만한 모델도 없습니다. 이제 처음 발걸음을 내딛은 상태이지요. 당연히 시행착오도 있을 것이고, 기획과는 결과가 어긋나는 일도 있으리라 봅니다. 이 방식 또한 전개일여 경영의 프로토타입의 과정이라 생각합니다. 피드백을 빠르게 반영하여 계속 수정하면서 높은 완성도를 추구할 수 밖에 없습니다. 엑셈의 전개일여 경영철학은 외부 수혈이 아니라 자가 수혈이고, 기성품이 아니라 우리 몸에 딱 맞는 맞춤복을 만드는 과정입니다. 

 

김현미 전문위원) 저는 현재 자연과학 강의를 맡고 있습니다. 위의 엑셈 전개일여 경영 시스템의 사상체계를 보시면 맨 하단에 자연과학이 있는데요. 엑셈의 주춧돌은 자연과학, 즉 ‘과학적 태도와 사고방식’이란 것을 표방한 것이지요. 엑세머들께서 앞으로 일년간, 그 이상하고 이해하기 어렵다는 양자역학과 같이 하시면서 어떻게 변화될 수 있을까 저도 무척 기대됩니다. 

 “나는 우리회사가 세계에서 가장 아름다운 회사가 되기를 원한다” 는 말씀에 전 정말 놀랐습니다. 이 아름다운 생각에 전폭적인 지지를 보내며, 이렇게 제 힘을 보태고 있다는 것이 즐거워요. 이 꿈이 반드시 이루어지길 고대합니다. 그래서 강의에 참석하시는 분들을 보면 마치 반짝이는 보석을 본 것 같이 기쁘고 반갑습니다. 양자역학이 쉽지 않고 이상한 건 아시죠? 그래도 우리 엑세머들이 핵심을 놓치지 않고 모두 따라갈 수 있도록 해보고 싶습니다. 쉽진 않겠지만 그 과정이 저에게는 큰 기쁨이 될 것입니다.

 재미있는 에피소드를 하나 공유하자면, 4월 초에 있었던 ‘이중 슬릿 실험’ 강의 후 한 엑세머께서 메일을 보내왔습니다. “김현미 이사님, 제가 방금 이중 슬릿 실험을 했는데, 뒤에 2줄 밖에 안 나오네요..ㅜㅜ 혹시 제 눈으로 관측을 해서 그런가요?^^” 어떻게 회신을 해야 하나 고민하고 있었는데, 잠시 후에 “성공입니다!^^”라는 메일을 주셔서 해결이 된 에피소드가 있어요. 강의를 듣고 직접 실험까지 해보신 호기심 많은 엑세머죠? 이 후에도 여러가지 궁금증을 던지시며 지속적으로 소통하고 있습니다. 이렇게 강의 후에 기분 좋은 피드백과 소통이 이어지니 굉장히 뿌듯하고 감사합니다. 

 그리고 제 자리에 수많은 책들이 있는데, 책을 빌리러 오시는 엑세머들과도 종종 대화를 나누고있습니다. 앞으로도 제 메일과 책장은 언제나 열려 있으니, 소통을 기다릴게요!

<엑세머라면 누구나 자유롭게 이용할 수 있는 관련 책들>

 

 

 

 향후 계획과 목표 

손경덕 전문위원) 김현미 이사님이 진행하시는 양자역학 강의와 교대로 2주에 1회씩 강의를 진행하고 있습니다. 무엇보다도 편안하고 쉽게 전달하는게 과제입니다. 경영이라는 것은 인간이 만든 가장 난이도가 높은 정신 결과물이지만, 계속 시대와 상황에 맞게 진화해야만 합니다. 엑셈이 지향하는 전개일여 경영철학은 단지 경영만이 아니라 초연결 시대에 추구해야 할 인간의 정신모형이기도 합니다. 어느 한 시대가 추구하는 정신을 패러다임이라 하는데요, 적용의 형태는 조금 다를지라도 현재 한국사회가 안고 있는 다양한 문제에 해법을 제시하는 활동이기도 합니다. 엑세머들이 모두 공감하고 따르는 것이 일차 과제이고, 우리 사회에 모델이 되는 것이 두 번째가 될 것입니다. 이를 위해 많은 공부와 노력이 필요합니다. 많은 성원 부탁드립니다~

김현미 전문위원) 우선 양자역학 강의를 1년 커리큘럼으로 진행하게 될 것입니다. 양자역학은 불확정성의 원리를 포함하지만 그 어떤 이론보다 정확하며, 현대 문명은 누가 뭐라 해도 “퀀텀문명”입니다. 과학적 사고방식을 익히는 것은 세상을 이해하고 삶을 살아가는 최상의 지도를 갖는 것과 같아요. 그러면 최소한 지도 보는 법을 알아야겠죠? 엑셈의 자연과학 강의가 바로 그런 역할을 할 것입니다. 
 자연과학을 바탕으로 한 전개일여 경영철학은 엑셈뿐만 아니라 우리 사회 전체에 커다란 질문을 던지고, 실행의 모범을 보이는 사례가 될 것입니다. 엑셈 아카데미의 종착지는 아직 아무도 모릅니다. 그러나 분명한 것은 그 출발지가 엑셈이며, 동력은 조종암 대표님의 전개일여 경영철학과 엑세머들의 열정이라는 것입니다.







기획 및 인터뷰 | 사업기획팀 박예영

사진 촬영 | 사업기획팀 박예영

엑기스 | 양자역학과 양자컴퓨터 이야기

기술이야기/엑.기.스 2019.04.10 14:54


 

 

들어가기에 앞서...

 이 글은 상당 부분을 책 <케네스 포드의 양자물리학 강의>의 내용을 참고 및 재구성했습니다. 양자역학과 양자컴퓨터에 대한 이해에 조금은 보탬이 되었으면 하는 바람으로 작성했으니 재미있게 읽어주시고, 양자역학에 대해 더 자세하게 알고 싶으시다면 책을 읽어보시길 추천드립니다. 

 

 

서론

알베르트 아인슈타인 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다.”

닐스 보어 “양자 이론을 생각할 때 머리가 아프지 않은 사람이 있다면, 그 사람은 제대로 이해하지 못한 것이다.”

리처드 파인만 “세상에 양자 이론을 이해하는 사람은 없다고 해도 과언이 아니다.”

에르빈 슈뢰딩거 “나는 그것(양자역학)을 좋아하지 않는다. 내가 그 발전에 기여했다는 것이 유감이다.”

막스 폰 라우에 “그것(드 브로이 물질파 이론)이 사실이라면 나는 물리를 그만두겠다.”

 

 우리는 수 많은 과학자들의 인용구에서부터, 우리가 알던 위대한 과학자들조차 고개를 젓게 만드는 양자이론을 이해하려고 달려들면 분명 골머리를 썩히는 정도로 끝나지 않을 것이라고 예상할 수 있다. 하지만 세상은 이미 현실로 다가오고 있는 양자컴퓨터, 양자통신 등을 맞이할 준비로 분주하며, 양자 물리학의 오묘한 이론들은 이미 주사 터널링 현미경, 마이크로 회로, 레이저 등 현실에서 활용되고 있다. 멀지 않은 미래에 양자 이론이 점철된 세상에 대뜸 직면하기 전에, 머리가 지끈거릴지언정 양자 이론이 건네는 이야기를 귀담아 들어볼 가치는 충분할 것이다.

 

 

가깝고도 먼 상식의 바깥, 아원자 세계

 양자 이론이 초대하는 양자 세계에 발을 들이기 전에, 우리의 드레스 코드를 점검할 필요가 있다. 양자 이론에서 다루는 세상은 우리가 일상에서 보고 듣는 세상의 모습인 거시 세계와는 상당히 다르며, 거시 세계의 관점으로 바로 접근하려고 하면 퇴짜를 맞게 될 것이다. 양자 이론의 연구 영역은 원자조차도 거대해 보이는 아원자 세계를 들여다봐야 하며, 매우 작고(양자 이론), 매우 빠른(상대성 이론) 입자들의 세상이라고 말할 수 있다. 덧붙여 ‘양자’란 어떤 특정한 입자를 가리키는 것이 아니라, 이러한 원자 또는 원자보다도 작은 세상에서 양자 이론의 규칙을 따르는 모든 입자를 지칭한다.

 

 그렇다면 원자보다 작은 세상이란 얼마나 작은 세상인지 상상해보자. 우주의 반지름은 10의 26승 미터쯤 되고, 입자 실험의 최소 탐사 거리는 10의 -18승 미터쯤 된다. 둘 사이의 중간 평균은 10의 4승 미터 즉 10km가 되는데, 누군가의 통근 거리 되는 우리가 사는 세상의 길이라고 볼 수 있다. 따라서 우리가 아원자 세계를 들여다보려는 시도는 우주 바깥에서 우리가 출퇴근을 하는 모습을 관찰하려는 시도 만큼이나 황당한 시도라고 볼 수도 있겠다.

 

 단순히 무지막지하게 작다는 사실만이 우리가 양자 이론의 법칙들을 이해하기 힘들게 하는 게 아니다. 아원자 세계에서는 우리가 알던 직관과 상식이 통하지 않는다. 파동-입자 이중성, 중첩과 얽힘, 배타 원리, 그 밖의 수 많은 아원자 세계의 규칙이 되는 물리학 법칙들이 있다. 우리가 이러한 아원자 세계의 상식으로 움직인다면 차를 타고 다닐 필요 없이 순간 이동을 할 수 있게 되며, 서울에서 아침밥을 먹는 동시에 뉴욕에서도 저녁 식사를 할 수도 있다.

 

 이제 앞서 이야기한 물리학자들이 양자 역학을 대하는 심정이 조금은 이해가 간다. 이렇게 귀신 같은 현상들(물질의 파동성, 확실성이 아닌 확률성을 근간으로 하는 양자)을 기초로 하는 양자 이론은 사실 오랜 역사 동안 실험적 검증에서 실패한 예가 하나도 없다. 즉, 물리학자들이 양자 역학을 힘들어하는 데는 이런 귀신 같은 현상들이 그 근간이 되는 원리가 밝혀진 바가 없는 반면, 아원자 세계의 현상을 설명하는데 있어 단 하나의 흠도 없이 굴러간 성공적인 이론이기 때문이다. 어느 날 외계인이 찾아와 건넨 출처를 알 수 없는 말도 안되는 예언들이 막상 현실에서는 모두 들어맞는 것과 같은 상황에서, 양자물리학자들조차 자연의 이치를 깨우친다기보다 반쯤 해탈한 상태로 그저 받아들일 뿐이다...

 

닐스 보어 “아인슈타인, 신에게 참견하지 말게나.”

-1927년 솔베이 회의 중, 알베르트 아인슈타인이 남긴 말 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다.”에 답하며.-

 
 
중첩(Superposition)과 얽힘(Entanglement)

 양자 이론이 이야기하는 세계는 정말 기괴한 현상들 뿐이지만, 조금 더 나아가 보자. 중첩과 얽힘은 양자 이론에서 가장 중요한 개념 중 하나에 속하기도 하지만 역시 가장 이해하거나 받아들이기 어려운 부분이기도 하다. 중첩에 대해 얘기하기에 앞서, 드 브로이의 방정식을 먼저 살펴보자.

왼쪽은 파장(람다), 오른쪽은 플랑크 상수 h와 운동량 p이다. 고전 역학에서는 엮일 일이 없었던 두 개념인 파장()과 운동량(p)이 양자적 연결 고리(플랑크 상수 h)로 이어졌다(=). 따라서 드 브로이 방정식은 파장이 운동량과 연결되어 있음을 시사하는 양자계의 혁명적인 발견이었다. 여기에서 더 나아가면 특정 파장은 특정 운동량을 갖는다는 의미를 찾을 수 있다.

 

 양자 역학에서 파장은 여러 파동들의 중첩으로 생긴 수학적인 확률 함수인 ‘파동함수’로 나타낼 수 있는데, 이 함수의 절대값의 제곱(정확히는 진폭의 복소제곱)은 입자가 특정 위치에서 존재할 확률을 나타낸다.

 

 이제 위의 혼란스러운 수학적인 문구들을 종합해 수소 원자 주위를 도는 전자에게 적용해보자. 전자는 파장을 가지며(사실 모든 물질은 파장을 지닌다) 이는 여러 파동들의 중첩으로 이루어져 있다. 그리고 각각의 파동들마다 특정 운동량을 지니며, 이는 곧 수소 원자핵 주변을 도는 전자가 동시에 두 가지 이상의 운동량을 가진다는 의미가 된다. 이를 중첩이라고 하며, 우리가 확인(관측)하는 순간에는 파동함수의 확률을 통해 이러한 수 많은 운동량 중 어떤 운동량을 가질지 결정이 된다. 한 문장으로 설명하자면 양자의 상태는 우리가 눈으로 확인(관측)하기 전까지 알 수 없으며, 그만큼 하나의 양자는 여러 상태를 동시에 가질 수 있다는 것이 중첩이다.

<중첩을 묘사하는 대표적인 예, 슈뢰딩거의 고양이 역설>

 슈뢰딩거는 양자역학의 비상식적인 면을 비판하기 위해 역설적인 사고 실험을 내놓았지만 아이러니하게도 양자역학을 묘사하는 가장 대표적인 실험이 되었다 - 출처 : IBS(기초과학연구원)

 

 아마 제일 이해할 수 없는 부분은 ‘여러 상태를 동시에 가진다’와 ‘관측하는 순간에 확률에 의해 상태가 결정된다'는 부분일 것이다. 하지만 머릿속으로 중첩된 상태의 전자가 상상되지 않는다고 낙담할 필요는 없다. 당연하게도 우리의 관점으로는 투수가 던진 야구공이 직구와 커브 두 가지 경로로 동시에 다가오고 있는 상황이나, 슈뢰딩거의 고양이의 운명이 상자를 여는 우리의 손에 달려있다는 것을 이해할 수가 없다. 사실 중첩을 완벽히 묘사하는 삽화를 찾을 수 없는 이유도 양자 물리학자들 또한 마찬가지로 중첩 상태를 머릿속에 그릴 수는 없기 때문이다.

 

 양자 얽힘은 중첩과 크게 다르지 않다. 중첩이 공간 상으로 떨어져 있는 둘 이상의 계(system)에 일어난 경우를 얽힘이라 한다. 광자(빛 알갱이)를 쪼개어보자. 쪼개진 광자들은 스핀 up, 스핀 down 두 가지 양자 상태를 가지는 중첩된 상태가 되었으며, 한 쪽이 up이라면 다른 한 쪽은 down을 갖는다. 그리고 광자 한 쪽은 아주 멀리, 다른 은하 건너편까지 보내놓는다. 이때 지구에 남은 광자 한 쪽을 확인(관측)하는 순간 파동 함수는 붕괴되고 확률에 의해 지구에 남은 광자의 양자 상태가 결정되는데, 특이하게도 그 순간 은하 건너편의 광자 한 쪽의 양자 상태도 결정된다. 지구에 남은 광자가 up이라고 확인하는 순간 은하 건너편의 광자는 down이 되고, 그 반대도 마찬가지이다. 

  

 얽힘을 이해하려면 아무리 멀리 있어도 두 입자는 사실 쪼개지기 전이나 쪼개진 후나 ‘하나의 계’를 이룬다는 해석이 필요하다. 사실 시공간의 제한에 항상 갖혀 살던 우리의 관점에서는, 은하 건너편까지 옮겨간 광자와 지구의 광자가 둘이 꼭 붙어있는 것처럼 행동한다는 걸 이해하기란 전혀 모르는 외국어를 듣는 느낌보다도 더 할 것이다. 아인슈타인 또한 양자 얽힘을 “귀신 같은 원격 현상”이라고 표현하며 그의 생애 동안 끝까지 인정하지 않았다. 앞서 언급했듯이, 중첩이나 얽힘 역시 어째서 일어나는 현상인지 까지는 현재 규명해내지 못했으며, 과학계 또한 ‘가정’과 ‘측정 결과’가 잘 맞아 떨어지니 그저 받아들일 수 밖에 없다는 입장이 대부분이다.

 
 
큐비트(Qubit)와 양자컴퓨터(Quantum Computer)
 전자의 중첩을 이해했다면(또는 어쨌든 그렇다 치자고 받아들였다면..) 이제 큐비트라는 것을 설명할 수 있다. 올해 초 CES 2019에서 선보인 IBM의 ‘최초의 상용 양자 컴퓨터’가 화제였다. 아직 갈 길은 멀어 보이지만, 양자 컴퓨터가 드디어 연구실 밖으로 발을 내딛었다는데 의의가 있어 보인다. 왜 사람들은 양자 컴퓨터의 출현을 기다리고 있을까? 양자 컴퓨터라고 해도 현존하는 슈퍼컴퓨터보다 연산이 좀 더 빠른 정도가 아닐까? 양자 컴퓨터의 잠재력을 가늠하려면 우선 양자 컴퓨터가 어떤 것인지 알아봐야 할 것이며, 양자 컴퓨터가 그리는 혁신적인 미래는 큐비트로 실현된다.
 

<세계 최초 상용 양자컴퓨터”라는 타이틀을 걸고 등장한 IBM Q System One - 출처 : IBM>

 

 큐비트란 ‘동시에 두 방향의 스핀을 갖는 전자’다. 또는 연산의 기본 개념인 비트(bit)와 양자(quantum)가 합쳐진 양자 비트(quantum bit)의 줄임말이다. 두 방향의 스핀을 0, 1이라고 본다면 고전적인 비트와 차이점은 무엇일까? 앞서 이야기한 중첩이 다시 등장할 때이다. 비트는 0 또는 1 둘 중 하나일 뿐이지만, 큐비트는 중첩된 두 방향의 스핀을 가지므로 동시에 0과 1 두가지일 수 있다. 그래서 큐비트를 표현할 때는 그림과 같은 구체로 많이 표현되며, 구체 표면을 향하는 벡터 0일 확률과 1일 확률의 혼합으로 나타낸다. 덧붙이자면 꼭 0과 1이 동등한 확률일 필요는 없다. 큐비트는 87%는 0이면서 13%는 1일 수도 있다. 물론 큐비트도 중첩 상태이므로 관찰하는 순간, 0 또는 1로 결정된다.

<큐비트를 표현한 ‘블라흐 구체’ - 출처 : IBM>

 

 이렇게 두 가지 상태가 중첩된 큐비트는 연산에 적용할 때 이론 상 방대한 연산 능력을 보여준다. 고전적인 비트가 논리 게이트를 한 번에 하나씩 통과할 때, 큐비트는 동시에 두 가지 상태가 통과한다. 큐비트 하나는 0과 1 두 가지 상태 뿐이지만, 큐비트를 하나씩 늘려보면 이야기가 달라진다. 두 개의 큐비트를 시뮬레이션 한다면 00, 01, 10, 11 네 가지의 상태를 얻을 수 있으며, 이 네 가지 결과의 가능성들이 두 개의 큐비트에 한데 묶여서 표현된 것이다. 이어서 세 개의 큐비트는 23개, ... N 개의 큐비트는 2N개의 방식으로 혼합될 수 있다. 이론 상의 양자 논리 게이트라면 이 어마어마한 가능성들을 한 번에 읽어낼 것이다. 그러나 엄청난 수의 큐비트를 탑재한 양자 컴퓨터가 실현되기 어려운 이유는 이 논리 게이트가 계를 방해하지 않아야 한다는 조건이 붙기 때문인데, 조금이라도 상호 작용이 발생하는 순간 큐비트의 수 많은 가능성들은 단 하나의 가능성으로 붕괴할 것이다. (관측에 의해 중첩이 사라지고 결과만이 남는 것이다. 상자를 열어 슈뢰딩거의 불쌍한 고양이의 운명을 결정지어버린 것.) 현재도 양자 컴퓨팅 분야의 많은 연구진은 극저온의 매우 민감한 프로세서로 큐비트를 제어하느라 애를 먹고 있다.

 

 다시 큐비트의 이야기로 돌아가서, 이제 이상적인 양자 논리 게이트를 거친 큐비트에서 정보를 추출해보자. 무수한 가능성들은 붕괴되고 평범한 비트와 같은 단 하나의 정보가 추출되어 나온다. 말단에서는 결국 정보를 추출해서 고전적인 비트 형태의 결과물을 얻어야 한다면 양자 컴퓨팅의 이점은 없는 것일까? 아니다. 큐비트는 무수한 가능성들을 거쳐서 하나의 결과를 보여준 것이다. 즉, 중첩되어 있던 방대한 양의 정보가 단 하나의 해답으로 쏟아져 들어간 것이다. 

 

 이러한 특징은 우리가 양자 컴퓨터를 어떻게 활용할 것인가에 대한 통찰력을 선사한다. 예를 들면 도로 교통 상황을 분석하는 문제에서 차량 하나하나의 움직임을 분석하면 교통 상황을 예측할 수 있겠지만, 현재는 알고리즘의 복잡도와 연산 속도라는 한계로 인해 현실적으로 이런 분석은 불가능하다. 하지만 양자 컴퓨터는 수 많은 차량의 가능성(방대한 양의 정보)을 계산해 도로 상황을 예측(단 하나의 해답)을 내 놓을 것이다. 이 외에도 양자 컴퓨터는 날씨 예보, 암호 해독, 신약 개발, 시장 분석, 자연어 분석 등등 수 많은 분야에 활용 될 수 있으며 현재 풀리지 않은 미스터리 같은 문제인 아원자 입자들의 미시적 운동을 분석하는 학문 분야까지 해답을 찾아내 줄 것으로 기대되고 있다.

 
 

마무리

 지금까지 양자 역학 세계의 일부분을 살펴보면서 양자 컴퓨터란 어떤 것인지 까지 간단하게 알아보았다. 양자 이론은 알면 알수록 이해할 수 없지만, 오히려 그렇기 때문에 더욱 더 의문점을 남기며 파고들게 하는 것 같다. 양자 컴퓨터가 아직 얼마 나아가지 못한 듯 보여도, 양자 컴퓨터가 세상을 바꾸는 미래는 반드시 올 것이며, 어쩌면 우리가 생각하는 것보다 빠를 수 있다. 머리가 아파오는 이론이지만 미래에 대비하기 위해서라도 양자 세상을 들여다보면, 생각했던 것보다는 제법 흥미롭다는 것을 발견할 수 있을 것이다.

 

존 휠러 “살날이 얼마 남지 않은 것 같으니, 남은 시간은 양자에 대해 생각하는 게 좋겠다.”

 

 

감사합니다.

 

 

EXEM의 콘텐츠에 대하여 궁금하다면? 여기를 눌러 문의해보세요!


 

 


기고 | AI사업본부 이동하

편집 | 사업기획팀 박예영

엑셈 뉴스룸 | 엑셈 X 양자역학

엑셈 뉴스룸 2019.02.12 10:03



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?^^






엑셈에 대하여 더 알고싶으신가요? 여기를 눌러 문의해보세요!




기획 및 글 | 사업기획팀 박예영

강의 | 엑셈아카데미 김현미

현장 사진 | 사업기획팀 박예영