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양자역학은 상대성이론과 함께 지난 세기에 인류가 만들어 낸 혁명적인 과학 발전의 중심축을 이룬다. 양자역학이 다루는 미시세계에서는 우리가 일상적으로 살아가는 거시세계와는 전혀 다른 현상이 벌어진다. 그래서 양자역학은 우리의 경험 속에 축적된 세계 이해와는 완전히 다른 방향에서 다루어진다.
고전적인 물리량은 모두 연속적인 값을 갖는다. 날아가는 돌의 에너지 값은 우리가 상상할 수 있는 모든 수치를 다 가질 수 있다. 이와 달리 양자계의 에너지는 특정한 값만이 불연속적으로 측정된다. 빛 에너지의 경우, 어떤 기본 에너지 값의 정수배에 해당하는 에너지만이 측정된다. 이 기본 에너지에 대응하는 것을 양자(量子)라고 한다. 이는 우리말로는‘덩어리’나 ‘알갱이’정도로 번역할 수 있을 것이다. 이렇게 되면 이제 빛은 그 동안 받아들여졌던 것처럼 더 이상 연속적인 에너지를 가진 파동이 아니다. 불연속적인 에너지 값을 갖는 입자가 된다.
빛이 입자라는 것에 20세기초 과학자들은 당황했다. 받아들이자니 빛이 파동이라는 그때까지의 믿음을 버릴 수가 없었고, 받아들이지 않자니 광전 효과와 같은 현상을 설명할 수 없었던 것이다. 더욱이 고전물리학에서 파동과 입자는 서로 배타적인 개념이어서, 파동이면 입자일 수 없고 입자이면 파동일 수 없었다. 그래서 과학자들은 이것을 어떻게 체계적이고도 객관적으로 써 내려가야 할지 난감해 했었다. 이때, 양자론자들은 과감한 가설을 내놓는다. 빛이 보통은 파동처럼 행동하지만, 상황에 따라서는 입자처럼 행동하므로(이중성을 가지므로) 이 둘을 다 인정하자는 것이다. 이러한 주장은 쉽게 받아들여지지 않았으나, 얼마 안가 양자론자들의 주장이 옳았음이 입증되었고, 그 결과 많은 현상들을 설명하는 데 양자론이 유용하다는 것을 알게 되었다.
한편, 일반적으로 양자계의 상태는 여러 가지의 가능성이 잠재되어 있는 중첩상태이다. 그런데, 이 중첩상태에 대해 측정을 하면 양자계는 그 중의 어느 한 상태로 옮아가게 되고 나머지 다른 상태에 대한 가능성은 소멸된다. 이처럼 측정 전의 양자 중첩 상태가 측정에 의하여 어느 한 상태로 변하는 것을 측정에 의한 양자상태의 붕괴라고 한다. 우리가 아는 측정이란 측정 대상을 변화시키지 않고 그 상태를 알아내는 일인데, 양자역학에서는 그게 원칙적으로 불가능하다.
불확정성 원리란 특정한 한 쌍의 물리량에 대해 이 둘을 동시에 정확하게 측정한다는 것이 불가능하다는 것이다. 대표적인 예가 위치와 속도다. 이 경우, 위치를 정확히 알면 알수록 속도에 대해서는 점점 더 알 수 없게 되고, 반대로 속도를 정확히 알면 알수록 위치에 대해서는 점점 더 알 수 없게 된다. 따라서 위치에 대한 불확정성의 정도와 속도에 대한 불확정성의 정도는 그 각각의 곱이 어떤 상수 이하일 수 없다는 것이다. 이 불확정성은 실험 기구의 발전이나 실험 기술의 향상으로 줄여나갈 수 있는 것이 아니라, 원리적으로 피할 수 없는 측정의 한계로 양자론자들은 보고 있다.
인류가 역사상 만들어 낸 가장 정확한 이론으로 평가받고 있는 양자역학은 현대물리학의 중심 이론으로서 물리학의 모든 문제를 설명하는데 있어 기본 이론으로서의 역할을 담당한다. 작게는 우리 주변에 있는 물체의 성질에서부터, 크게는 우주의 기원과 진화에 이르기까지 거의 모든 문제에 양자역학이 적용될 뿐 아니라, 고전역학이 우리에게 제시했던 것과 상당히 다른 세계상을 제시하면서 철학과 세계관의 영역에까지 상당한 영향을 미치고 있다. 지난 세기에 나온 양자역학의 양자적 성질이 본격적으로 활용되는 시기는 아마도 이번 세기가 될 것이다.
- 양형진 <인류 역사상 가장 정확한 이론, 양자역학>에서
