양자기술, 왜 지금인가: 우리 일상을 바꾼 발견

1925년 양자역학의 핵심 개념인 ‘행렬역학’이 출현하고 1900년에 막스 플랑크가 양자 개념을 처음 도입한 이후, 아인슈타인, 하이젠
베르크, 슈뢰딩거, 보어 등 수많은 천재들이 고전 물리학으로 설명되지 않는 현상들을 해결하기 위해 양자역학을 발전시켜 왔다.
특히 1927년 하이젠베르크의 불확정성 원리는 양자역학의 철학적 패러다임을 완전히 뒤바꿔놓았다.

양자역학은 측정이라는 행위 자체가 물리량에 영향을 미친다는 점에서 기존 고전역학과는 전혀 다른 사고를 요구한다.

아인슈타인은 이를 받아들이기 어려워 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”고 했지만, 이후의 실험적 검증은 양자 얽힘과 중첩 상태를

입증하며 양자역학의 정당성 을 더욱 강화시켰다.

20세기 중반, 양자역학은 새로운 물질의 합성, 반도체 소자, 레이저, 화학 반응, 시각과 후각 등 생물학적 현상에 대한 이해를

가능케 했다. 이것이 바로 1차 양자 혁명이다. 지금 우리가 사용하는 대부분의 전자제품, 의료기기, 심지어 음식 조리법에도 양자역학은 숨어 있다. 이 1차 양자 혁명이 세상을 바꾸었고 우리는 벌써 그 혜택을 엄청나게 누리고 있는 셈이다.

다시 떠오른 양자의 물결

“우리는 이 우주의 모든 법칙을 이제 다 알았다.” 19세기 말, 당시의 물리학자들은 그렇게 믿었다. 뉴턴의 역학과 맥스웰의 전자기학으로 대표되는 고전 물리가 세상을 설명한다고 여겼기 때문이다. 그들이 던진 질문은 단순했다. “사과는 왜 땅으로 떨어지는가?” 이에

뉴턴은 답했다. “지구가 사과를 끌어당기기 때문이다.” 그러자 또 다른 질문이 제기되었다. “그렇다면 왜 사과는 지구 중심으로

꺼지지 않고, 땅 위에서 멈추는가?” 이번에는 맥스웰의 전자기학이 답한다. 이는 사과와 땅을 이루는 원자의 바깥쪽에 있는

전자(electron)들이 서로 밀어내기 때문이며, 이 과정에는 전자기력이 작용하기 때문이다. 이처럼 연속적인 질문과 대답을 통해

뉴턴의 역학과 맥스웰의 전자기학은 세상을 설명해 왔고, 이 법칙들은 수학적으로 정교하게 정식화되었다.

물질의 이중성: 입자와 파동

양자역학의 핵심은 물질의 이중성이다. 모든 만물이 입자면서 동시에 파동이라는 것이다. 이 말은 직관적으로 매우 낯설다.

우리는 입자와 파동이 완전히 다른 성질을 갖는다고 생각해 왔기 때문이다. 입자는 부딪히면 튕겨 나가지만, 파동은 서로 겹친다.

예를 들어, 당구공이나 야구공은 치면 튕겨 나가게 된다. 그들이 입자의 성질을 가지고 있기 때문이다. 그에 반해서 노이즈 제거

이어폰은 외부 소리가 들어올 때 반대 위상의 파동을 만들어 합치고, 소리를 상쇄시킨다(이것이 중첩과 간섭이다).

이는 소리가 파동의 성질을 가지고 있기 때문이다. 이렇듯, 입자와 파동은 다른 것인데, 양자역학은 전혀 다른 두 개념이 하나의 실체에 동시에 존재한다고 말한다.

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