0. 목차
- '양자론'이란 무엇인가?
- '양자론' 요약
- '양자론'의 탄생 (빛에 대한)
- '양자론'의 탄생 (물질 입자에 대한)
- 상태의 공존
- 불확정성 원리
- 터널 효과
- 양자론의 응용
1. '양자론'이란 무엇인가?
모든 물질을 잘게 나누면 '원자(Atom)'로 이루어져 있다. 그런데 19세기 말에 이르러 원자가 관계된 현상을 자세히 살펴보다가, 미시 세계는 우리가 일상생활에서 눈으로 보는 세계와 매우 다르다는 사실을 알게 되었다. 미시의 물질은 '뉴턴 역학(Newtonian Mechanics)'으로 설명할 수 없는 불가사의한 움직임을 보였다. 그래서 '뉴턴 역학'을 대신할 새로운 이론이 필요해졌고, 그 결과 '양자론'이 탄생했다. 즉, '양자론(Quantum Theory)'이란 아주 작은 미시 세계에서 물질을 구성하는 입자나 빛 등이 어떻게 움직이는지를 규명하는 이론이다.
그러면 일반적으로 양자론에서 말하는 '미시 세계'란 어느 정도일까? 0.01mm 정도 되는 '세포(Cell)'의 크기도 작은 세계이긴 하지만, 세포의 움직임을 설명하는데 굳이 '양자론'을 사용할 필요는 없다. 양자론이 아니고는 설명할 수 없는 미시 세계는 대체로 원자나 분자 크기 이하 즉, 1000만 분의 1mm 정도 이하의 세계라고 할 수 있다.
'양자(Quantum)'란 '셀 수 있는 작은 덩어리'라는 뜻이다. 양자론이 생기기 전에는 에너지가 '연속적(Continuous)'이라고 생각되었다. 예컨대 1의 에너지를 가진 빛이 있다면, 1.1의 에너지를 가진 빛, 1.01의 에너지를 가진 빛, 1.00001의 에너지를 가진 빛 등으로 얼마든지 세밀하게 연속적으로 증감시킬 수 있다고 생각했다. 하지만 양자론에 따르면, 빛의 에너지에는 최소 단위가 있어 1, 2, 3 같은 정숫값으로 셀 수 있으며, 1.25 같은 어중간한 값은 존재하지 않는다. 즉, '빛(Light)'은 다발로 존재하며 불연속적라는 사실이 알려진 것이다. 이러한 에너지의 작은 덩어리를 '광양자(Light Quantum)'라고 부른다. 자연계에는 이외에도 다양한 '양자(Quantum)'가 있다.
'양자론(Quantum Theory)'은 '상대성 이론(Theory of Elativity)'과 함께 현대 물리학의 토대가 되는 매우 중요한 이론이다. '상대성 이론'은 '알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'이 수립한 이론으로, 시간의 흐름이 느려지거나 공간이 휘어진다는 사실 등을 밝혀냈다. 반면 '양자론'은 전자나 빛 등의 움직임을 설명하는 이론이다. 즉, 상대성 이론이 시간과 공간을 다루는 '거시 세계'를 설명하는 이론이라면, 양자론은 '미시 세계'와 '거시 세계'를 모두 설명할 수 있다. 그러면 우리는 왜 두 이론을 모두 배우는 것일까? 거시적인 크기의 물체의 운동에 '양자론'을 적용하면 계산이 엄청나게 복잡해지기 때문이다. 그래서 실용적인 측면에서 계산하기 쉬운 고전 이론을 사용하는 것이다. 거시 세계에서는 양자론에 의한 답과 고전 이론에 의한 답이 거의 같기 때문에, 굳이 양자론을 사용할 필요는 없다. 다만, 거시적인 물질의 현상 중에서도 양자론을 사용하지 않으면 설명되지 않는 것들도 있다.
2. '양자론' 요약
양자론이 다루는 미시 세계는 우리의 상식과 다르게 움직여서, 양자론을 이해하기 어렵게 만드는 원인이 된다. 직관적인 감각으로는 미시 세계에서 일어나는 일들을 받아들이기 어렵겠지만, 이를 받아들이지 못하면 '양자론'을 이해할 수 없다. 여기서는 '양자론'을 이해하기 위한 두 가지 주요 사항을 먼저 소개한다.
- 파동과 입자의 양면성: 먼저 양자론이 이야기하는 미시 세계에서는 빛이나 전자 등이 '파동의 성질'과 '입자의 성질'을 동시에 갖는다. 이것을 '파동과 입자의 양면성'이라고 한다. 우리의 직관으로는 파동은 퍼져나가고 입자는 한 점에 존재할 수 있는 다른 성질이라고 생각된다. 그러나 미시세계에서는 이러한 직관이 통하지 않는다.
- 상태의 공존: 또 미시 세계에서는 하나의 물체가 여러 장소에 존재할 수 있다. 이것은 마치 분신술 같지만, 미시 세계에서는 실제로 이러한 현상이 일어나고 있다. 실험적으로도 이미 확인된 현상이며, 양자론에서 가장 중요한 성질이라고 할 수 있다.
원자는 중심에 존재하는 '원자핵(Atomic Nucleus)'과 그 주위에 존재하는 여러 개의 '전자(Electron)'로 구성된다. '원자핵'은 양전기를 띠고 있고, '전자'는 음전기를 띠고 있다. 그리고 이를 설명하기 위해 아래의 A와 같은 이미지를 많이 사용한다. 하지만 엄밀히 말하면, 이러한 그림은 올바르다고 할 수 없다. 전자는 원자핵의 주위를 돌고 있지 않다. 오히려 더욱 올바른 그림은 B와 같은 이미지처럼 '전자구름(Electron Cloud)'이 둘러싸고 있는 형태이다. (전자는 원자핵 주위에 확률적으로 존재하며, 진한 부분일수록 전자가 존재할 확률이 더 높음)
양자론이 밝혀낸 또 하나의 불가사의한 사실은 '진공에서 물질이 생겼다가 사라진다'라는 사실이다. 원래 '진공(Vacuum)'이란 비어 있는 것이지만, 양자론은 진공에 대한 견해를 근본적으로 뒤엎었다. 또 양자론은 '전자'같은 미시의 물질이 벽을 뚫고 나갈 수 있다'라고 말한다. 이것을 '터널 효과(Tunnel Effect)'라고 하는데, 야구공을 벽에 던지면 100% 확률로 공이 튕겨 나오지만(실제로는 100%가 아님. 극악의 확률로 야구공은 벽을 통과함), 전자의 경우에는 벽을 뚫고 나가 벽의 반대편에 나타날 수도 있다.
'양자론'과 '상대성 이론'을 이용한 '무(無)에서 우주가 생겼다'라는 가설도 제시되어 있다. '무(無)'란, 물질이 없는 것은 당연하고 공간조차 없는 상태를 말한다. 또 양자론의 어느 이론에 따르면, 우리가 사는 세계와는 다른 모습을 가지고 있는 '평행 우주(Parallel Universe)'가 무수히 존재할지도 모른다. 만약 이 생각이 옳다면, 다른 세계에는 순간순간 다른 선택을 한 자신이 다른 인생을 만들어가고 있을지도 모른다.
2-1. 파동과 입자의 양면성
- 파동의 성질: '파동(Wave)'은 어떤 장소에서 무엇인가의 진동이 주위로 퍼져 나가면서 전해지는 현상이다. 파동의 예로는 '수면파'가 있다. 수면에 돌을 던지면 돌이 떨어진 곳의 물이 흔들리고, 그 진동이 주위로 퍼져 나가는 파동이 된다. 파동은 퍼지면서 나아간다는 특징을 가지고 있다. 그래서 파동은 장애물이 있어도 그 뒤에 그림자 부분까지 들어가 퍼져 나간다. 이것이 바로 '회절(diffraction: 파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상)'이라는 현상이다.
- 입자의 성질: '입자(Particle)'는 당구공을 축소한 것이라고 생각하면 이해하기 쉽다. '파동'은 퍼져나가는 것이므로 한 점만으로 나타낼 수 없지만, '입자'라면 가능하다. '입자'는 어느 순간에 특정한 한 점에 존재함을 나타낼 수 있다. 또한 입자는 힘이 미치지 않는 한 똑바로 나아간다. 힘을 받아야만 비로소 진행 방향을 바꾼다.
방금 설명한 바에 따르면, 파동과 입자는 서로 반대되는 것이다. 따라서 둘의 성질을 한꺼번에 갖는다는 것은 상식적으로 옳지 않은 것처럼 보인다. 그런데 빛이나 전자 등의 미시의 물질들은 '파동의 성질'과 '입자의 성질'을 모두 갖는다. 믿기지 않겠지만, 실제로 빛은 파동의 성질과 입자의 성질을 둘 다 가지고 있으며, 미시의 물질이 '파동과 입자의 양면성'을 가지고 있다는 것이 '양자론'의 기본 원리이다. 우리가 접하는 미시의 세계는 일상의 세계와 전혀 다르기 때문에, '양자론'을 이해하기 위해서는 여러 고정관념들을 버려야 한다.
2-2. 상태의 공존
공이 들어 있는 상자를 흔든 뒤, 한가운데에 칸막이를 끼운다고 생각해 보자. 그러면 당연히 공은 오른쪽이나 왼쪽에 존재할 것이다. 이번에는 '전자(electron)'가 들어있는 가상적인 상자를 흔든 뒤, 한가운데에 칸막이를 끼운다고 생각해 보자. 그러면 상식적으로 전자는 오른쪽이나 왼쪽에 존재한다고 생각될 것이다. 하지만 '양자론'에 따르면, 전자는 좌우 양쪽에 동시에 존재하고 있다.
전자가 좌우 양쪽에 동시에 존재한다는 것이 전자가 여러 개로 늘어난다는 뜻은 아니다. 뚜껑을 열지 않고 전자가 어디에 있는지 관측하지 않으면, 오른쪽에 있는 상태와 왼쪽에 있는 상태가 공존하고 있다. 하지만 뚜껑을 열고 전자가 어디에 있는지 관측하면, 어느 쪽에 있는지 확정된다. 즉 '관측'하는 것 자체가 전자의 상태에 영향을 미친다. 이때 어느 상태가 관측될지를 '확률적'으로는 예측할 수 있지만 '확실한' 예측은 불가능하다.
3. '양자론'의 탄생 (빛에 대한)
3-1. 빛의 파동설
양자론이 등장하기 전인 19세기에는 '빛은 파동'이라고 알려져 있었다. 그런데 '파동'이란 무엇일까? 긴 용수철을 흔들면 용수철에 '마루'와 '골'의 모양이 만들어진다. 이처럼 '마루'와 '골'이 전해지는 현상이 바로 '파동(wave)'이다. '마루의 높이'나 '골의 깊이'를 '진폭'이라 하며, 같은 위상을 가진 서로 이웃한 두 점 사이의 거리를 '파장(Wavelength)'이라고 한다.
두 개의 파동이 부딪치면 어떻게 될까? 용수철의 좌우에서 2개의 파동이 서로 부딪친다고 생각해 보자. 마루와 마루가 완전히 겹쳐진 순간에는 파동이 서로 보강되어 2배의 높이를 가진 파동이 나타날 것이다. 반면 골과 마루가 부딪치면, 2개의 파동이 완전히 겹친 순간에는 파동이 서로 상쇄되어 용수철이 평평해질 것이다. 그리고 양쪽의 파동이 스쳐 지나가면 원래의 파동이 다시 모습을 나타낼 것이다. 이처럼 2개의 파동이 서로 보강되거나 상쇄되는 현상을 '파동의 간섭(Interference of Wave)'이라고 한다.
3-2. 토머스 영의 '빛의 간섭' 실험
'토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)'이 1807년에 실시한 '빛의 간섭' 실험 등을 통해, '빛의 파동설'은 과학자들 사이에서 상식에 되었다. 이 실험의 내용은 다음과 같다. '토머스 영'은 광원 옆에 1개의 '슬릿(가느다란 틈)'이 있는 판과 2개의 '슬릿'이 있는 판을 놓고 그 뒤에 빛이 비치는 스크린을 놓았다. 빛이 파동이라면, '최초의 슬릿(S1)'을 통과한 뒤 '회절'을 일으켜, ①처럼 퍼져나갈 것이다. 그리고 '두 번째 슬릿(S2)'을 통과한 후, '회절'을 일으켜 ②처럼 퍼져나갈 것이다. '두 번째 슬릿(S2)'을 통과한 ②에서는 파동이 간섭을 일으킨다. 이들은 마루와 마루가 겹치는 곳에서는 서로 보강되어 빛이 밝아지고, 골과 골이 겹치는 곳에서는 서로 상쇄되어 빛이 어두워진다. 이리하여, 스크린에는 독특한 명암을 가진 줄무늬인 '간섭 무늬(Interference pattern)'가 생긴다.
그럼 만약 빛이 단순한 '입자'였다면 이 실험은 어떻게 되었을까? 아래의 그림처럼 입자는 슬릿 뒤쪽에서 회절을 일으키지도 않았을 것이고, 입자는 직진하여, 입자가 날아온 곳과 직선으로 이어지는 곳의 주변만 밝아질 것이다. 즉, 빛이 단순한 입자라면 '간섭무늬'는 나타날 수 없다. 이 실험은 빛이 파동의 성질을 가지고 있다는 결정적인 증거가 되었다. 이 실험 이후, 학계에서는 '빛은 입자가 아니라 파동'이라는 생각이 주류를 이뤘다.
그러면 '빛(Light)'이 '파동(Wave)'이라는 말은 무엇일까? 빛은 '전자기파(Electromagnetic Waves)'이다. 흔히 가시광선을 '빛'이라고 하지만, 사실 가시광선만 빛은 아니다. 햇볕에 타는 원인이 되는 '자외선(UV: Ultraviolet Rays)', 전기난로에서 따뜻하게 해주는 '적외선(Infrared Ray)', 사진 촬영에 이용되는 'X선(X-Ray)', 우라늄 등에서 나오는 방사선의 일종인 '감마선(Gamma Ray)', 전자레인지에서 물체를 데우는 '마이크로파(Microwave)', 스마트폰 등에 사용되는 '전파(Radio Wave)' 등은 모두 '전자기파'의 무리이다.
3-3. 광전 효과
그런데 19세기 말, 빛을 단순한 파동이라고 생각하면 설명할 수 없는 '광전 효과(Photoelectric Effect)' 현상이 발견되었다. '광전 효과'란 금속에 빛을 비추면, 금속의 전자가 빛에서 에너지를 받아 밖으로 튀어나오는 현상이다. 전자를 튀어나오게 하려면 일정 이상의 에너지를 전자에 주어야 한다.
2장의 금속박과 금속판으로 이루어진 '금속박 검전기(Metal Leaf Electroscope)'라는 장치로 '광전 효과'를 알아보자. 금속판에 파장이 짧은 빛을 주면, 전자가 튀어나와 음전기의 반발력이 약해진 금속박이 닫힌다. 반면, 파장이 긴 빛을 비추면 전자가 튀어나오지 않아, 금속박이 닫히지 않는다. 또 파장이 짧은 빛을 비출 때는 빛을 약하게 하면 튀어나오는 전자의 수는 줄어들었지만, 그래도 광전효과는 일어났다. 반면 파장이 긴 빛은 아무리 강하게 비추어도 전자가 튀어나오지 않았다. 빛이 파동이라면, 이 실험은 설명될 수 없다. 그래서 이 실험이 왜 이런 결과를 낳는지는 오랫동안 미스터리에 쌓여 있었다.
3-4. 아인슈타인의 광양자설
그러다 이 수수께끼를 '아인슈타인'이 해결하게 된다. 빛을 단순한 파동으로 생각하면 '금속박 검전기'를 이용한 광전효과 실험을 설명할 수 없지만, 빛이 입자의 성질을 가지고 있다면 이를 설명할 수 있다. 아인슈타인은 빛은 파동이지만 그 에너지에는 더 이상 분할할 수 없는 최소한의 덩어리가 있다고 생각했다. 즉, 빛에도 입자의 성질이 있다는 것이다. 이 최소한의 덩어리를 '광자' 또는 '광양자'라고 부르며, 이것이 바로 '광양자설(Light Quantum Theory)'이다.
'광양자설'에 의하면, 빛의 파장이 짧을수록 진동수가 높으므로 광자는 에너지가 높다. 즉, 빛의 밝고 어두움은 광자의 수에 대응한다. 하지만 빛의 파장이 길면, 아무리 광자의 수가 많아도 하나하나의 에너지가 작으므로 전자를 튀어나오게 할 만큼의 충격이 없어 전자가 튀어나오지 않는다.
3-5. 막스 플랑크의 '양자 가설'
아인슈타인의 '광양자설(Light Quantum Theory)'을 소개했지만, '양자(Quantum)'라는 개념은 사실 독일의 물리학자 '막스 플랑크(Max Planck, 1858~1947)'의 '양자 가설(Quantum Hypothesis)'을 발전시킨 것이다. 그래서 '막스 플랑크(Max Planck)'를 '양자론의 아버지'라고 부르기도 한다.
당시 독일에서는 제철업이 활발했는데, 제철업에서는 용광로 속의 온도를 관리할 필요가 있다. 당시 용광로 속의 온도는 빛의 색깔을 보고 경험적으로 판단되었다. 예컨대 용광로는 빨간색, 노란색, 하얀색 순으로 고온이 된다. 하지만 더 질 높은 철을 만들기 위해서는 용광로 속의 온도를 매우 정확하게 알아야만 했다. 그래서 물체와 온도와, 거기에서 나오는 빛의 색깔(빛의 파장) 사이의 관계를 알아내려는 연구가 진행되었다. 그리고 여러 실험 결과, 둘의 관계를 나타낸 그래프가 '범종' 모양이 된다는 사실을 알아냈고, 이 그래프와 일치하는 법칙을 찾으려고 노력했다. 그러다가 독일의 물리학자 '빌헬름 빈(Wilhelm Wien, 1864~1928)'이 파장이 짧은 영역에서만 실측값과 일치하는 공식을 찾아낼 수 있었다. 한편, 영국의 물리학자 '존 레일리(John William Strutt Rayleigh, 1842~1919)' 등은 파장이 긴 영역에서만 실측값과 일치하는 공식을 찾아낼 수 있었다. 이 두 결과에서 '빈헬름 빈'이나 '존 레일리'의 이론이 무엇인가 잘못되어 있음이 분명해졌다. 즉, 고전역학의 한계가 명확해졌다.
이때 '막스 플랑크'가 등장했다. 막스 플랑크는 왜 그렇게 되는지는 모르지만, 모든 파장에서 실험 결과와 제대로 일치하는 공식을 발견할 수 있었다. 그리고 이 공식이 가진 의미를 찾아내려고 노력했다. 그렇게 몇 주가 지난 뒤, 플랑크는 공식을 설명하려면 에너지가 불연속적으로 변화해야 한다는 사실을 눈치챘다. 즉, 에너지에는 더 이상 분할할 수 없는 최소의 덩어리가 있다는 것이다. 당시에는 에너지가 연속적으로 변화하는 양으로 생각되었기 때문에, 이는 너무 충격적이고 믿기 어려운 결과였다. 하지만 에너지가 연속적으로 변화하면, 플랑크의 공식이 성립될 수 없다는 사실은 너무나도 명백했다.
'막스 플랑크'의 '양자 가설'에 따르면, 빛을 방출하는 원자나 분자의 진동 에너지는 진동수를 v라 하면, 에너지의 최소 단위 hv의 정수 배가 되었다. 이 에너지의 최소 단위 hv는 진동수 v로 진동하는 '에너지 양자'이다. h는 '플랑크 상수(6.626×10-34J·s)'이다. '막스 플랑크'는 원자나 분자의 진동 에너지가 불연속적이라고 주장했다. 그리고 여기에서 아이디어를 얻은 아인슈타인이 빛이 입자라는 이론인 '광양자 가설'을 주장한 것이다. 양자론에 대한 공헌을 인정받은 '막스 플랑크'는 1918년에 노벨 물리학상을 받게 된다.
3-6. 빛은 파동이자 입자
빛은 '파동'의 성질을 가지면서 최소한의 덩어리인 '광자'가 존재해 입자의 성질도 가지고 있다. 즉, 빛은 '파동과 입자의 양면성'을 가지고 있는 것이다. 막스 플랑크의 '양자(Quntum)' 개념'과 아인슈타인의 '광양자설(Light Quantum Theory)'은 훗날 '양자론(Quantum Theory)'을 탄생시키게 된다. 빛의 파동설에서는 빛이 주위로 퍼져나가는 파동이라고 생각했다. 이 경우, 빛은 멀리 갈수록 한없이 약해질 것이다. 하지만 빛이 최소한의 덩어리인 '광자'로 이루어져 있다면, 빛이 멀리 나아가도 약해지지 않는다. 일상생활에서도 빛의 입자적 성질이 없다면 설명되지 않는 현상들이 있다.
예컨대, '아주 약한 빛만 눈에 들어오는 밤하늘의 별이 곧바로 보이는 이유'는 빛이 광자가 아니라면 설명되지 않는다. 별이 보이려면 빛의 광자가 눈 속의 망막에 부딪쳐 변화를 일으켜야 하기 때문이다. 만약 빛이 단순한 파동이라면, 분자의 표면적이 작기 때문에 눈 속의 분자 하나가 받아들이는 에너지의 양은 아주 적다. 따라서 분자가 변화를 일으킬 정도의 에너지를 모으려면 '긴 시간'이 필요하다. 즉 빛이 파동이라면, 밤하늘을 보면서 '긴 시간'을 기다리지 않으면 별을 볼 수 없다.
또 빛이 입자가 아니라면, 전기난로를 오랫동안 쬐어도 피부가 타지 않는 이유도 설명되지 않는다. 전기난로에서는 주로 '적외선'이 나오는데, 피부를 태우려면 피부의 분자가 전자기파를 받아 화학적인 변화를 일으켜야 한다. 파장이 짧은 '자외선'의 '광자'는 이 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가지고 있다. 반면, '적외선'의 '광자'는 이 반응을 일으키기에 에너지가 충분하지 않다. 그래서 적외선을 오래 쬐어도 피부가 검게 타지 않는다.
4. '양자론'의 탄생 (물질 입자에 대한)
지금까지는 '빛(Light)'에 대한 '양자론'의 탄생 경위를 알아보았다. 지금부터는 '원자(Atom)'와 '전자(Electron)'등 '물질 입자'에 대한 '양자론'의 탄생 경위를 알아볼 것이다.
4-1. 건포도빵 모양의 원자 모형
1897년, 영국의 물리학자 '조지프 톰슨(Joseph Thomson, 1858~1895)'은 '전자'의 존재를 밝혀냈다. 전자가 발견된 뒤, 과학자들은 전자가 원자 안에서 어떤 상태로 배치되어 있는지 알아내려 했지만, 이에 대해 알 수가 없었다. 원자는 전기를 띠지 않기 때문에, 원자 안에 음전기를 가진 전자가 있다면, 그와 같은 정도의 양전기를 가진 무엇이 있을 것이다. 그래서 톰슨은 양전기를 가진 덩어리 속에서 여기저기 전자가 박혀 있는 모형을 생각해냈다. 즉, 건포도빵 모양의 원자 모형에서, 음전기를 지닌 건포도처럼 박혀있는 전자가 양전기의 덩어리 안에서 운동한다는 모형이다.
4-2. 토성 모양의 원자 모형
19세기 후반에 태어난 '나카오카 한타로(長岡 半太郎, 1865~1950)'는 양전기를 가진 '구(sphere)' 주위를 여러 개의 전자가 회전하는 모형을 생각했다. 쉽게 말해, 토성 모양 같은 원자 모형이다. 나카오카는 음전기와 양전기가 떨어져 존재해야 한다고 생각했던 것 같다.
하지만 토성 모형 원자 모형에는 문제점이 있다. '전자기파(빛)'는 물질에 닿으면 전기를 가진 입자를 진동시킨다. 반대로 전기를 가진 입자가 진동하면 그 입자는 '전자기파(빛)'을 방출한다. 그런데 이때 전자는 '전자기파(빛)'로 에너지를 방출하므로, 전자 자체가 가지는 에너지는 줄어든다. 그러면 전자 궤도는 원자핵에 접근해야만 한다. 즉, 토성 모양의 원자 모형이 옳다면, 에너지를 잃은 전자는 마치 '희박한 공기의 마찰에 의해 에너지를 잃고 낮은 고도로 떨어지는 인공위성'과 비슷하다. 그러면 전자는 소용돌이 모양을 그리면서 중심으로 떨어질 때까지 계속 접근해야 한다. 하지만 실제 원자는 계속 빛을 방출하지 않는다. 또 전자가 중심을 향해 소용돌이 모양을 그리며 접근한다는 근거도 없다.
4-3. 러더퍼드의 원자 모형
1909년, 뉴질랜드에서 태어난 영국의 물리학자 '어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)'는 원자의 중심에 양전기를 가진 덩어리가 아주 조그맣게 집중되어 있다는 사실을 알아냈다. '러더퍼드'의 '알파입자 산란 실험' 내용은 다음과 같다.
'러더퍼드'는 금속박에 '알파선'을 비추고, 그 뒤 알파선이 어떻게 나아가는지 조사했다. '알파선(α-ray)'이란 우라늄 등의 방사성 물질에서 나오는 방사선의 일종으로, '양전기'를 띤 '알파 입자(α-particle)'라는 입자의 흐름이다. 알파 입자가 부딪히면 빛을 내므로, 어디에 도달했는지 알 수 있다. 러더퍼드는 '알파 입자'가 양전기를 띠고 있으므로, 원자 속에 있는 양전기와 서로 반발되어 궤도가 바뀔 것으로 예상했다. 즉, 궤도의 변화를 알아내서 원자 속에 양전기가 어떻게 분포하고 있는지 알아내려고 한 것이다. 실제 실험에서는 알파 입자의 다수가 직진을 했고 크게 진로가 휘어진 입자들도 있었다. 거의 정면으로 튀어나오는 입자도 있었다.
이 실험에 의해 '건포도빵 모양의 원자 모형'은 부정되었다. 만약 '건포도빵 모양의 원자 모형'처럼 양전기가 원자 전체에 여기저기 구름처럼 퍼져 있다면, 알파 입자는 그다지 진로를 바꾸지 않을 것이기 때문이다. '러더퍼드'는 이 실험의 결과에 대해 고찰했고, '양전기는 원자 중심의 아주 작은 영역에 집중되어 있다'는 결론에 이르렀다. 이렇게 생각하면, 실험 결과를 잘 설명할 수 있었다. 지금은 원자 중심에 양전기를 가진 이 덩어리를 '원자핵(Atomic Nuclei)'이라고 한다. (원자핵의 지름은 원자 지름의 1만 분의 1 이하밖에 되지 않음) 그리고 '러더퍼드'는 전자가 작은 원자핵 주위를 도는, 태양계 같은 원자 모형을 제안하였다. 하지만 '러더퍼드의 원자 모형'도 '토성 모양의 원자 모형'이 가지고 있는 문제점을 가지고 있었다. 그러면 이 문제를 어떻게 해결하면 좋을까? 사실 이 의문에서 전자와 원자에 대한 양자론이 생기게 된다.
4-4. 양자론에서 생각하는 원자 모형
1923년, 프랑스의 물리학자 '루이 드브로이(Louis de Broglie, 1892~1987)'는 '러더퍼드의 원자 모형'의 문제점을 해결하는 획기적인 아이디어를 발표했다. 1905년, '아인슈타인'은 빛이 '파동의 성질'과 '입자의 성질'을 둘 다 가지고 있다는 사실을 밝혀내, '광양자설'을 발표했다. 아인슈타인의 영향을 받은 '드브로이'는 '전자 등의 물질 입자에도 파동의 성질이 있다'라고 주장했다. 위에서 설명한 '파동과 입자의 양면성'에 대한 최초의 제안이었다. 이처럼 입자를 파동으로 생각하고 다룰 때, 이런 파동을 '물질파(Matter wave)' 또는 '드브로이파(de Broglie wave)'라고 한다.
'루이 드브로이'가 말한 것은 '전자가 모여 파동이 된다'는 뜻이 아니고, '전자가 물결치면서 나아간다'라는 의미도 아니다. '루이 드브로이'가 말한 것은 '1개의 전자가 파동의 성질을 가지고 있다'는 뜻이다. 물질을 구성하는 입자가 파동의 성질을 가지고 있다는 사실은 매우 충격적이다. 왜냐하면, 파동은 많은 입자들이 모여 만드는 현상으로 생각되었기 때문이다. 물질을 분할해가면 마지막에는 더 이상 분할할 수 없는 '입자'가 나올 것이라 생각했지만, 예상과는 달리 '입자'와 '파동'의 성질을 함께 가진 기묘한 것이 나왔다.
'러더퍼드의 원자 모형'을 토대로, 덴마크의 물리학자 '닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)'는 드브로이'의 아이디어를 융합시킨 '양자론적인 수소 원자 모형'을 만들었다. 수소 원자는 전자 1개와 양성자 1개로 이루어진 원자핵으로 구성된 가장 단순한 구조의 원자이다. 바이올린의 현을 켜서 파동을 만들어내는 것을 생각해 보자. 현의 양 끝은 물림쇠로 고정되어 있어, 물림쇠 부분은 진동할 수 없으므로 파동의 모양은 마음대로 만들어지지 않는다. 물림쇠 사이에서 가장 단순한 파동은 마디가 없는 파동이며, 마디의 수가 정수인 파동을 생각할 수 있다. 마디가 2.5개인 어중간한 파동은 만들어질 수 없다. '양자론적 수소 원자 모형'에서는 전자가 원자를 회전하는 입자가 아니라, '원형의 현에 전해지는 파동'으로 생각한다. 이 경우, 파장의 정수 배가 원 둘레와 정확히 일치하지 않으면, 파동으로 존재할 수 없다. 즉, 전자의 파동이 존재할 수 있으려면, 궤도의 원 둘레의 길이가 파장의 정수 배와 일치해야 한다. 따라서 이 모형에서 전자가 존재할 수 있는 곳은 '특정 궤도뿐'이다. 그래서 전자가 존재할 수 있는 궤도는 띄엄띄엄 존재한다. (인공위성은 자유롭게 궤도의 고도를 선택할 수 있지만, 전자는 그렇지 못하다는 점에서 차이가 있다)
'양자론적 원자 모형'에서는 전자를 파동으로 생각하기 때문에, 전자가 취하는 궤도는 불연속적이 된다. 이 모형을 사용하면 원자가 빛을 방출하거나 흡수하는 현상을 아주 잘 설명할 수 있다. 공이 높이 있으면 공이 가지고 있는 위치 에너지가 많은 것처럼, 수소 원자에서도 궤도가 바깥에 있는 전자일수록 에너지가 높아진다. 전자는 일반적으로, 에너지가 가장 낮은 궤도에 있는데, 이것을 '바닥상태'라고 한다. 그런데 바닥 상태의 전자는 밖에서 들어온 광자를 흡수하는 경우가 있다. 그리고 그 광자의 에너지를 이용해, 더욱 위에 있는 에너지가 높은 궤도로 도약한다. 이 상태를 '들뜬 상태'라고 한다. 이때 전자에 흡수되는 것은 궤도의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 광자뿐이다. 하지만, '들뜬상태'는 일시적인 흥분 상태로, 오래 계속되지는 않는다. 얼마 지나면 전자는 바닥상태의 궤도로 되돌아오고, 이때 '궤도의 에너지 차이'에 해당하는 에너지를 가진 광자를 방출한다. 전자의 궤도는 정해져 있으므로, 궤도 사이의 에너지 차이도 정해져 있다.
5. 상태의 공존
5-1. 전자의 이중 슬릿 실험
'토머스 영(Thomas Young, 1773~1829)'은 빛을 이용한 '이중 슬릿 실험(double slit experiment)'을 했지만, 사실 '전자'도 '이중 슬릿 실험'을 하면 빛과 마찬가지로 '간섭무늬(interference pattern)'가 생긴다. 실험 내용은 다음과 같다. 먼저 전자를 발사하는 '전자총(electron beam gun)' 앞에 2개의 '슬릿(slit)'이 있는 판을 설치하고, 그 뒤에는 사진 필름이나 형광판 등의 '스크린(screen)'을 설치한다. '스크린'에 전자가 부딪치면 그 자국이 기록된다. 전자를 1개 발사하면 점 모양의 자국이 1개 남겠지만, 전자를 계속 발사하면 점차 뚜렷하게 '간섭무늬'가 나타난다. 간섭무늬가 나타나는 이유는 파동의 성질인 '회절'과 '간섭'이 작용했기 때문이다. 즉, 전자를 여러 번 발사하면 '파동의 성질'이 나타난다.
5-2. 확률 해석
그러면 전자에서 파동의 성질이 나타난다는 것은 무엇을 의미할까? 독일의 물리학자 '막스 보른(Max Born)'은 1926년에 이를 두고 '확률 해석'을 제안하였다. 똑같은 상태의 전자를 사용해 여러 번 관측하면, 전자가 어느 위치에 어느 정도의 확률로 발견되지를 알 수 있게 된다. 이것을 '전자의 발견 확률'이라고 한다. '전자의 발견 확률'은 그 점에서 전자의 파동의 진폭이 큰 곳일수록 높아진다. 즉 파동의 '마루(Crest)'와 '골(Trough)'에서 전자가 발견될 확률이 가장 높고, 높이가 0인 점에서는 전자가 발견될 확률이 없다.
전자의 이중 슬릿 실험에서 전자는 왼쪽의 '슬릿 A'와 '슬릿 B'를 통과해 2개의 파동이 된다. 즉, 슬릿 뒤에서는 2개의 파동이 공존하는 것이다. 슬릿 A를 통과한 파동과 슬릿 B를 통과한 파동은 서로 간섭하면서 스크린에 도달하게 된다. 두 파동이 서로 보강되어 발견 확률이 높아진 곳에는 전자가 많이 도달하고, 파동이 서로 상쇄되어 발견 확률이 낮아진 곳에는 전자가 조금 도달한다. 이리하여 많은 전자를 발사하면 스크린에 간섭무늬가 나타나는 것이다. 어느 1개의 전자가 스크린 위의 어디에 도달할지는 예측할 수 없다. 물론 파동의 진폭을 계산해서 '이 영역에서 전자의 발견 확률은 5%이다.'와 같은 식으로 예측할 수 있지만, 이 영역에 확실히 나타난다는 식의 예측은 원리적으로 불가능하다.
5-3. 코펜하겐 해석
전자의 이중 슬릿 실험에서, 전자는 스크린 위의 어디에서나 발견될 가능성이 있다. 그런데 왜 스크린 위의 한점에서만 관측될까? '코펜하겐 해석'에서는 다음과 같이 설명한다. (덴마크의 코펜하겐에서 활약한 '닐스 보어' 등의 지지를 받아 '코펜하겐 해석'이라 불림) 스크린에 도달하기 직전, 전자의 파동은 스크린에에 가득 퍼져 있었다. 이것이 스크린의 한점에서 '관측'된 순간, 전자의 파동이 붕괴되어 하나의 입자가 된다. 즉, 관측하는 순간 전자의 파동은 사라지고, 입자로서의 전자가 모습을 나타낸다는 것이다.
일반적으로 관측 장치는 전자와 비교할 수 없을 정도로 거시적인 물체이다. '코펜하겐 해석'에서는 전자의 파동은 거시적인 물체와 상호작용하면, 파동이 붕괴한다고 생각한다. 하지만 왜 거시적인 물체와 상호 작용하면 전자의 파동이 붕괴하는지에 대해서는 설명을 하지 못한다. 또 붕괴된 파동의 다른 성분은 어디로 사라졌는지 등에 대해서도 설명하지 못한다. 그럼에도 불구하고, 많은 교육과정에서 코펜하겐 해석을 가르치고, 많은 과학자들이 '코펜하겐 해석'을 받아들이고 있는 것은 실용적인 편리함 때문인 것 같다. 그대로 믿느냐 하는 것과는 별개의 이야기다.
5-4. 해석을 둘러싼 논쟁
전자의 파동에는 발견 확률의 높낮이를 가지면서 무수한 상태가 '공존'하고 있다. 전자의 위치는 확률적으로만 예측할 수 있을 뿐 관측 전에는 어디에서 발견될지는 알 수가 없다. 이것이 '코펜하겐 해석'이다. 하지만 아인슈타인은 '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'라며, '코펜하겐 해석'에 강하게 반발했다. 아인슈타인은 '코펜하겐 해석'이 옳다면 전지전능한 신조차 전자가 어디에 존재하는지 알 수 없게 된다고 생각했다. 그래서 마치 모든 것을 정하는 신이 주사위를 던져 나온 확률에 따라 정해지는 듯한 '코펜하겐 해석'을 받아들이지 않았다.
'확률 해석'을 둘러싸고 다음과 같은 과격한 해석을 하는 학자들도 나타났다. 그들은 다음과 같이 생각했다. '관측장치도 원자로 이루어져 있기 때문에 양자론을 따를 것이다. 그러므로 장치에 의해 파동이 붕괴될 리가 없다. 파동의 붕괴가 일어나는 것은 측정 결과를 인간이 머릿속에서 인식할 때이다.' 하지만 양자론의 창시자 중에 한 사람인 오스트리아의 물리학자 '에어빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)'는 이러한 생각이 말이 안 된다고 생각했다. 그래서 이를 비판하기 위해 '슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)'라고 불리는 사고 실험을 생각해 냈다. '슈뢰딩거의 고양이' 사고 실험 내용은 다음과 같다.
완전히 밀폐되고 불투명해 속의 모습을 알 수 없는 상자 안에 고양이 한 마리와 독가스 발생 장치가 들어 있다. 독가스가 담긴 병 위에는 망치가 있고 망치는 '방사선 검출기'와 연결되어 있다. '방사선 검출기'에서 방사선이 감지되면 망치가 내리쳐져 독가스가 담긴 병이 깨지게 된다. 방사선 검출기 앞에는 방사성을 가진 원자를 소량 포함한 광석이 놓여있다. 방사성을 가진 원자는 '우라늄(U)'이나 '라듐(Ra)'같은 원자핵이 붕괴하면서 방사선을 내는 원자를 말한다. 원자핵이 붕괴되어 장치가 방사선을 검출하면 고양이는 죽게 된다. 그런데 원자핵의 붕괴도 양자론을 따르는 현상이기 때문에, 원자핵이 언제 붕괴될지는 확률적으로만 알 수 있다. 따라서 원자핵이 붕괴했는지 여부는 알 수 없고, 관측하기 전까지 원자핵이 붕괴한 상태와 붕괴하지 않은 상태가 공존하고 있다.
하지만 파동의 붕괴가 '인간의 머릿속에서 인식할 때'라고 생각하는 사람들의 해석을 따르면, 관측자가 상자 속을 들여다볼 때까지 고양이는 죽은 상태와 살아있는 상태가 공존하는 셈이다. 슈뢰딩거는 이러한 해석은 반생반사의 고양이의 존재를 허락하게 된다며, 강하게 비판했다. 한편, 많은 사람들이 받아들이고 있는 표준적인 '코펜하겐 해석'에서는 '거시적인 물체인 방사선 검출기가 방사선을 검출한 단계에서 파동의 붕괴가 일어난다고 생각한다. 원자핵의 공존 상태가 무너지기 때문에, 표준적인 '코펜하겐 해석'에서는 반생반사의 고양이도 있을 수가 없다.
6. 불확정성 원리
수면파의 '회절'을 생각해 보자. 방파제의 틈이 넓으면 물결은 방파제 뒤에서 거의 직진하지만, 방파제의 틈이 좁으면 물결은 방파제 뒤에서 퍼져나간다. 이것은 파동의 일반적인 성질이므로, 전자의 파동에서도 같은 현상이 나타난다. 슬릿을 통과하는 전자를 생각해 보자.
- 슬릿의 틈이 넓은 경우: 전자의 파동은 슬릿을 통과하는 순간 전자의 파동은 슬릿의 틈만큼 퍼지며, 이 틈의 어디에서 전자가 발견될지는 알 수가 없다. 즉, 슬릿이 틈이 넓기 때문에 전자의 '위치의 불확실성'이 크다. 한편, 전자의 파동은 슬릿 뒤에서 거의 직진하고 있다. 즉, 슬릿을 통과하는 순간의 전자는 거의 똑바로 운동하고 있어, '운동 방향의 불확실성'은 작다.
- 슬릿의 틈이 좁을 경우: 전자의 파동은 슬릿을 통과하는 순간, 전자의 '위치의 불확실성'은 작다. 한편, 전자의 파동은 슬릿 뒤에서 넓게 퍼진다. 즉, 슬릿을 통과하는 순간 다양한 운동 방향의 전자가 공존하고 있어, '운동 방향의 불확실성'은 크다.
결국, 운동 방향을 정확히 하려면 전자의 위치의 불확정성이 커지고, 전자의 위치를 정확히 하려면 운동 방향의 불확실성이 커진다. 즉, 위치와 운동 방향을 동시해 정확히 정할 수 없는 '불확정성 관계'에 있다. 이처럼 입자의 '위치'와 '운동량'을 모두 정확하게 알 수 없다는 원리를 '불확정성 원리(Uncertainty Principle)'이라고 한다.
'불확정성 원리(Uncertainty Principle)'는 1927년, 독일의 물리학자 '베르너 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901~1967)'가 밝힌 양자론의 매우 중요한 특성이다. 여기에서 '불확정성'이란 '실제로 정해져 있지만 인간은 알 수 없다'라는 의미가 아니다. 많은 상태가 공존하고 있어, 인간이 어떤 상태를 관측할지 정해져 있지 않다는 뜻이다. 즉, 전자 하나만 하더라도 미래를 예언할 수 없으며, 미래가 정해져 있지도 않다.
6-1. '진공' 상태에서도 에너지가 0인 상태는 없다.
자연계는 미시의 시점에서 보면 모든 것이 불확정적이며 모호하다. 자연계의 모든 물리량은 짝이 되는 양 사이에 '불확정성 관계'가 존재한다. 예컨대, '시간'과 '에너지' 사이에도 불확정성 관계가 있다. 우리가 인식할 수 있을 정도의 충분한 시간에서 에너지의 불확정성은 무시할 수 있지만, 아주 짧은 시간에서는 에너지의 불확정성이 매우 커진다.
또 상대성 이론에 따르면, '에너지(Energy)'로부터 '물질(Matter)'을 만들어 낼 수 있다. 예컨대 '입자 가속기(Particle Accelerator)'라는 실험 장치에서 전자나 양성자 등을 초고속으로 충돌시켜 다양한 '소립자(Elementary Particle)'를 만들어 낼 수 있다. 이때, 전자나 양성자 등이 '분열해서' 많은 소립자가 생기는 것이 아니다. 가속기의 충돌에 의해 발생하는 '에너지 그 자체'가 소립자의 질량으로 바뀐다는 사실이 확인되어 있다. '에너지(Energy)'는 물질을 만드는 재료가 될 수 있다.
이 '불확정성 관계와 '상대성 이론'에서 놀라운 결론이 나온다. '아무것도 존재하지 않는 공간(진공)'에서도 물질이 생기거나 사라진다는 것이다. '불확정성 관계(Uncertainty principle)'에 따르면, 진공 상태에서도 에너지가 0인 상태는 없다. 에너지가 0이라고 확정되면, 불확정성 관계에 어긋나기 때문이다. '불확정성 관계'에 따르면, 미시 세계를 확대해 아주 짧은 시간 동안 보면, 장소마다 에너지는 불확정적이고 요동하고 있다. 예컨대 10-20초 이하의 짧은 시간에는 어느 영역이 매우 높은 에너지를 가지고 있으며, 그 에너지가 사용돼 전자 등의 소립자가 생길 가능성도 있다. 하지만 진공에서 생긴 소립자는 바로 소멸해, 원래 아무것도 없던 상태로 되돌아간다. 에너지의 불확정성은 '매우 짧은 시간'이라는 조건이 붙어 있으며, 긴 시간에서는 불확정성이 없어지기 때문이다.
원래 진공 상태의 장소에는 전기가 없다. 때문에 진공에서 어떤 소립자가 생길 때, 그와 같고 전기가 반대인 소립자도 같이 생긴다. 이를 '쌍생성(Pair Creation)'이라고 한다. 반대로 어떤 소립자가 사라질 때, 그와 같고 전기가 반대인 소립자도 같이 사라진다. 이를 '쌍소멸(Pair Annihilation)'이라고 한다. 예컨대, 음전기를 띠는 '전자(Electron)'가 생길 때, 양전기를 띠는 '양전자(Positron)'도 반드시 함께 생기고, '전자'가 사라질 때 반드시 '양전자'도 함께 사라진다. 이처럼 진공에서는 '진공이 가진 에너지의 요동'에 의해 '소립자'가 여기저기 생겼다가 사라진다.
7. 터널 효과
전자기파는 장애물을 투과하는 성질이 있다. 예컨대 '가시광선(약 380~800nm의 파장)'이 유리에 부딪히면, 일부는 반사되지만 일부는 투과한다. 또 휴대전화에 사용되는 '전파(약 1m 이상의 파장)'는 가시광선이 통과하지 못하는 벽을 약간 투과한다. 전파가 벽을 얼마나 통과하는지는 전파의 파장이나 벽의 재질에 따라 달라질 것이다. 그런데 '전자(Electron)' 도 파동을 성질을 가지고 있으므로, 벽을 뚫고 나가는 경우가 있다. 이를 '터널 효과(Tunnel effect, Tunneling)'라고 한다. 그런데 사실 '터널 효과'는 '전자'에서만 한정되어 일어나는 현상이 아니다.
7-1. '터널 효과'와 '불확정성 관계'
'전자'같은 아주 작은 소립자에서는 '터널 효과'가 잘 나타나지만, 질량이 클수록 '터널 효과'가 나타나기 어려워진다. 그래서 예컨대, 우리의 몸이 벽을 뚫고 지나갈 수 있는 확률은 0은 아니지만, 거의 0에 가깝다. 그러면 왜 '전자'같은 소립자에서 '터널 효과'가 더 잘 나타나는 걸까? 전자의 '터널 효과'는 '불확정성 관계'로 생각해 볼 수 있다. '터널 효과'는 양자론으로 기술되는 파동이 에너지가 낮은 상태에서 고전적으로 통과할 수 없는 포텐셜 장벽을 통과하는 현상이다.
'터널 효과'는 아래 그림과 같은 산의 비탈면에 있는 공에 비유하여 설명할 수 있다. A 위치에 정지해 있던 공이 같은 B 위치의 높이보다 높이 올라가는 것은 불가능하기 때문에, 공은 산을 넘을 수 없다. 공이 가지고 있는 에너지가 부족하기 때문이다. 하지만, '에너지'와 '시간'의 불확정성 관계에 따르면, 전자는 '아주 짧은 시간'의 경우 산을 넘을 만큼의 에너지를 얻을 수 있다. 즉, 산은 반대편으로 넘어갈 수 있다. 이것을 외부에서 보면, 전자가 산을 뚫고 나가 반대편으로 이동한 것처럼 보일 것이다.
7-2. '터널 효과'와 '원자핵 붕괴'
1928년, '조지 가모(George Gamow, 1904~1968)' 등은 '터널 효과'를 이용해 어떤 종류의 붕괴가 왜 일어나는지를 설명하는데 성공하였다. 여기서 말하는 붕괴란 '우라늄(U)'같은 방사성 물질의 원자핵이 '알파 입자(α-particle)'라고 불리는 입자를 방출하고 조금 가벼운 원자핵이 되는 현상을 말하는 것으로, '알파 붕괴(α- Decay)'라고 한다. '알파 입자'란 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 '헬륨-4 핵'으로, 주로 '알파 붕괴' 과정에서 방출되는 입자를 부를 때 사용한다. 알파 입자가 다수 나오면 '알파선(α-ray)'이라는 방사선이 된다. 이 이름은 방사선의 본질이 무엇인지 몰랐을 때, '러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871-1937)'가 방사선의 투과력에 따라 '알파선(Alpha Ray)', '베타선(Beta Ray)', '감마선(Gamma Ray)'라고 이름을 붙이고 그에 해당하는 입자를 같은 이름으로 부른 것을 관습적으로 사용하고 있는 것이다.
원자핵 속의 양성자나 중성자는 '강한 핵력'이라는 힘으로 강하게 결합되어 있다. '강한 핵력'은 원자핵 속에서만 작용하는 힘으로, 전기의 힘보다 훨씬 강한 힘이다. 양성자는 양전기를 띠고 있기 때문에 양성자끼리는 전기의 힘으로 반발하지만, 강한 핵력이 그 반발력보다 더 강한 힘으로 원자핵을 묶어주어 원자핵은 하나의 덩어리 상태를 유지한다. 원자핵 속의 알파 입자도 강한 핵력으로 원자핵에 묶여 있으므로, 보통으로 생각하면 원자핵에서 알파 입자가 튀어나오는 경우는 있을 수 없다. '알파 입자'가 원자핵 밖으로 튀어나오려면, 어딘가에서 에너지를 빌려야만 한다.
하지만 '알파 입자'는 '터널 효과'를 일으켜, 이 에너지의 벽을 뚫고 원자핵 밖으로 튀어나오는 경우가 있다. 일단 알파 입자가 원자핵 밖으로 튀어나오면, 강한 핵력이 미치지 않게 된다. 튀어나온 '알파 입자'는 양전기를 가진 원자핵과 반발하여 맹렬한 기세로 밖으로 튀어나오게 되는데, 이것이 바로 '알파 붕괴'이다.
8. 양자론의 응용
8-1. '양자론'과 '화학'
양자론의 커다란 공적 중 하나는 물리학과 화학 사이에 다리를 놓은 것이다. 화학 반응이 왜 일어나는지, 다양한 원소의 성질은 왜 생기는지, 다양한 분자 구조는 왜 생기는지 등의 화학의 근본적인 의문에 대해 '양자론'을 이용해 이론적으로 설명할 수 있게 되었다.
원소의 주기성이 생기는 이유는 '양자론'에 의해 밝혀졌다. 원소를 가벼운 순서대로 나열하면, 비슷한 성질의 원소가 주기적으로 나타나는데, 이것을 표로 만든 것이 주기율표이다. 주기율표에서 세로로 나열된 원소는 성질이 매우 비슷하다. 예컨대, 18족의 '헬륨(He)', '네온(Ne)', 아르콘(Ar)', '크립톤(Kr)', '제논(Xe)', '라돈(Rn)'을 '비활성 기체'라고 불리는데, 이들은 다른 원소와 반응하기 어려운 성질이 있다는 공통점이 있다. 원소의 이러한 주기성이 왜 나타나는지는, '양자론'에 바탕을 둔 원자의 '전자 궤도 이론'에 의해 규명되었다.
'양자론'을 이용하면 화학반응이 왜 일어나는지도' 설명할 수 있다. '화학 반응' 등의 원자의 행동은 양자론에 근거해 계산하고 예측할 수 있다. 예컨대, '2개의 수소 원자(2H)'는 서로 결합해 '수소 분자(H₂)'를 만드는데, 양자론이 생기기 전에는 그 이유를 알 수 없었다. 하지만, 양자론에 바탕을 둔 계산에 의해 '수소 분자가' 왜 더 안정적인지 밝혀졌다.
8-2. '양자론'과 '컴퓨터'
'양자론(Quantum Theory)'은 '금속(Metal)'이나 '절연체(Insulator)', '반도체(Semiconductor)'같은 다양한 고체의 성질도 밝혀냈다. 특히 반도체는 컴퓨터나 스마트폰 등 디지털 기기에 없어서는 안되는 물질이다. 양자론에 근거한 반도체의 이해가 없었다면, 현재와 같은 IT 사회는 없었을 것이다.
- 금속(Metal): 전류가 잘 흐르는 물질로, '자유 전자'를 가진 물질이다.
- 절연체(Insulator): 전류가 흐르지 않는 물질로, '자유 전자'를 가지고 있지 않은 물질이다.
- 반도체(Semiconductor): 금속과 절연체의 중간에 해당하는 물질이다. '반도체'는 보통 '자유 전자'가 적지만, 온도를 높이거나 불순물을 첨가하면 '자유 전자'가 늘어난다.
8-3. '양자 중력 이론' 구축하기
'양자론'이 그다음으로 목표로 하는 것은 중력을 '양자론'의 틀 안에 받아들여서 궁극의 이론인 '양자 중력 이론'을 구축하는 일이다. 양자론은 전자나 원자핵 등의 물질의 구조 규명했다. 하지만 그 뒤로는 '힘'의 구조를 규명하는 방향으로 발전하고 있다. 자연계에는 '전자기력', 강한 핵력', 약한 핵력', '중력'이라는 네 가지 힘이 존재한다. '중력(Gravity)'을 제외한 나머지 3가지 힘은 설명되었고 통합되었다. 마지막으로 '중력'만 통합하면 '양자 중력 이론'이 완성된다. 하지만 현대 물리학에서 중력은 '양자론'이 아니라 아인슈타인의 '일반 상대성 이론'을 이용해서 설명하고 있다. 중력을 '양자론'을 이용해 설명한다는 것은 '일반 상대성 이론'과 '양자론'이 통합된다는 것을 의미한다. 지금까지 수많은 과학자들이 두 이론을 통합하려고 노력해왔지만, 아직까지 성공하지 못하고 있다. 아인슈타인은 '일반 상대성 이론'을 만들 때 양자론을 고려하지 않았다.
'상대성 이론'에서는 중력을 설명할 때, 공간이 휘어짐으로써 진동이 되어 주변으로 전해지는 '중력파(Gravitational Wave)'를 생각한다. (실제로 2016년에 '중력파'를 검출하는데 성공하여 그 존재가 증명되었다.) 하지만 양자론과 일반 상대성 이론을 융합하려면, 중력을 '파동과 입자'의 성질을 모두 갖는 '중력자(graviton)'로 생각하지 않으면 안 된다. '일반 상대성 이론'과 '양자론'을 융합하려는 시도 중 오랜 기간 주목받고 있는 것이 '초끈 이론(super-string theory)'이다. 초끈 이론은 1980년대 이후, 이론적인 성과를 많이 거두었지만, 아직 완성되지는 않았다.
8-4. '양자론'과 '우주 탄생'의 수수께끼
'일반 상대성 이론'과 '양자론'의 통합에 의해 설명될 것으로 기대되는 것 중 하나는 '우주 탄생'의 수수께끼이다. 이것은 인류의 지성이 도전할 수 있는 궁극의 수수께끼라고 할 수 있다. 우주는 아주 먼 옛날에 원자보다도 작았다. 그렇게 되면, 양자론까지 동원해서 생각하지 않으면 안 된다. 즉, 우주의 탄생의 수수께끼를 해결하려면, 일반 상대성 이론과 양자론을 통합한 이론이 필요하다.
완전히 밝혀진 것은 아니지만, 유력한 가설 중에는 우주는 '무(無)'에서 생겨났다는 것이 있다. 여기에서 말하는 '무(無)'란 물질뿐만 아니라 공간조차 존재하지 않는 상태이다. '양자론'에 따르면 '진공'은 텅 비어 있는 것이 아니라, 아주 짧은 시간 동안에 여기저기서 소립자가 생겨났다 사라지기를 반복하고 있다. 진공과 마찬가지로 '무(無)'도 완전한 '무(無)'로 남아 있을 수 없다. 즉, '무(無)'의 상태는 '유(有)'의 상태 사이에서 요동치고 있다. 이때의 '유(有)'의 상태는 공간을 가진 '미시 우주'이다. 이렇게 탄생한 미시 우주가 어떠한 원인에 의해 현재의 우주로 성장했다고 생각된다.