양자의 세계

양자 역학과 우리의 삶

양자역학이라든지 양자론이라고 하면 뭔가 어려운 것 같은 과학 냄새가 나서 듣기만 해도 머리가 아플 것 같네요. 그러나 양자역학에서 탄생한 기술은 이제 우리의 삶에 없어서는 안 될 중요한 것이 되어 있습니다. 이번에는 매우 난해하고, 기묘하고, 이상한 「양자」의 세계에 빛을 비추어 보았습니다. 물질의 최소 단위는? 책상이든 사과든 암석이든 뭐든 좋지만, 그리스 철학자 "데모크리토스"는 이 세상에 있는 물질은 무엇으로 되어 있는 것일까라고 생각하였습니다. 데모크리토스는 만물은 더 이상 분해할 수 없는 최소 단위의 운동과 결합을 통해 이루어진다고 보고 이의 최소값을 '아톰(원자)'이라고 명명했습니다. 이 추론은 옳고, 현대 과학에서도 다양한 원자의 결합에 의해 물질이 구성되어 있다고 여겨집니다. 무엇보다 원자는 최소가 아니라 더 작은 원자핵과 전자로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 또한 원자핵도 최소가 아니라 양성자와 중성자로 구성되어 있으며, 그 양성자와 중성자도 쿼크라는 극소립자로 이루어져 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 더 이상 분해할 수 없을 것으로 보이는 쿼크나 전자 등의 최소 입자를 소립자라고 부르게 되었습니다. 알갱이인지 파도인지 어느 쪽인지 위 단락에서 '입자'라는 단어를 사용했는데, 이렇게 되면 '입자 모양'이 딱딱하다는 것을 상상할 수 있습니다. 그런데 이런 극소세계의 물질은 알갱이인 동시에 파도이기도 하다는 사실을 알게 된 것이죠. 여기가 양자역학의 신기한 부분이라 이해하기 어렵지만 '빛'을 떠올리면 조금 이해가 되실 겁니다. 우리가 보고 있는 빛의 정체는 라디오 방송에 사용되는 전파와 같은 것으로 빛과 전파는 주파수만 다를 뿐, 어느 쪽도 「전자파」의 일종입니다. 그리고 「전자파」라고 할 정도이기 때문에, 빛은 소리와 같은 「파도」로서의 성질을 가지고 있습니다. 그런데 20세기 초 빛의 정체가 '물결'이 아니라 '입자'라고 주장하는 학자가 생겨났습니다. 독일의 막스 플랑크나 알베르트 아인슈타인입니다. 플랑크는 이 빛의 입자를 「에너지 양자」라고 부르고, 아인슈타인은 「광양자」라고 불렀습니다. 빛은 물결인지 알갱이인지 과학자들 사이에서도 격론이 벌어졌습니다. 그리고 과학자들이 도출해 낸 결론은 우리 일반인들이 도저히 받아들일 수 없는 불가사의한 것이었습니다. 빛은 '알'인 동시에 '파'의 성질도 함께 갖는다는 거죠. 아니 빛 뿐만이 아니라 전자나 쿼크 등의 소립자도 마찬가지로 「입자」이며 '파장"인 성질을 가지고 있습니다. 이러한 「입자」이자 파장인 극히 적은 것을 「양자」라고 부르게 된 것입니다. 게다가 이 양자가 이상한 것은 그것이 파장의 상태에 있을 때에는 눈에 보이지 않는 「물질파」로서 공간에 퍼지고, 인간이 관측한 순간에 파장으로서의 성질을 지워 눈에 보이는 「입자」가 되어 모습을 나타내는 것입니다. 즉, 사람이 보지 않을 때는 모습이 없는 파장이며, 사람이 본 순간 양자로서 출현합니다. 인간의 「본다」 「보지 않는다」라고 하는 행위가 양자의 상태를 바꾸어 버리는 것입니다. 이렇게 신기한 일이 있을까요? 천재 과학자 아인슈타인도 두 사람의 이 괴상한 행동은 받아들이기 어려워 "내가 보지 않아도 달은 거기에 있겠지"라며 거부했다고 합니다. 그런데 후년에 여러 가지 실험을 통해 양자가 가진 불가사의한 성질이 입증되었습니다. 하지만, 아무도 이해하지 못하였었지요. 그밖에도 극소 세계의 「양자」는 우리의 상식으로는 헤아릴 수 없는 이상한 현상이 나타납니다. 예를 들면, 하나의 양자가 마치 닌자의 분신술 같이 다른 장소에 동시에 존재하거나 텔레파시와 같이 머나먼 장소에 일순간에 정보를 전달할 수 있거나 하는 것입니다. 우리가 이 난해한 이론을 이해하지 못하는 것은 당연하고 노벨 물리학상을 받은 미국의 과학자 리처드 파인만조차 「누구도 양자 역학은 이해할 수 없다」라고 공언했을 정도입니다. 그러나, 이 기묘함과는 반대로 양자 역학은 벌써 우리의 친밀한 생활에 빠뜨릴 수 없는 것이 되어 왔습니다. "컴퓨터에 사용되는 반도체는 양자역학 이론에 따라 만들어지며, DVD, 레이저, 디지털카메라, 스마트폰 등도 양자역학 이론 없이는 존재할 수 없습니다" 영국의 한 과학 라이터의 저서에 따르면 현재 선진국 GDP의 35%는 양자역학에 기초한 기술을 이용해 만들어지고 있다고 하였습니다. 양자역학 없이는 현대인의 생활이 불가능할 정도입니다. 리니어 신칸센에 사용되는 「초전도 모터」나 「양자 컴퓨터」 등, 향후도 「양자 역학」에 근거하는 첨단기술은 차례차례로 태어나 생활 속에 들어가게 될 것입니다. 이러듯이 양자역학이 앞으로 우리의 삶을 크게 변화시킬 것이 틀림없습니다.