양자론(양자역학), 미시세계의 이론으로 우주탄생의 신비에 도전

[발췌: 뉴턴 하이라이트, 양자론]   ■ 뉴턴역학 : 물체가 힘을 받아 어떻게 운동하는지 설명하는 이론. 공을 던진 순간의 속도·방향·높이를 정확하게 알면(공기 저항과 같은 외부 영향은 무시), 지면에 공이 떨어지는 위치는 뉴턴역학에 의해 정확하게 계산된다. 즉 "공의 낙하 지점은 던지는 순간에 결정되어 있다"고 말할 수 있다.   피에르 라플라스(1749~1827, 프랑스 수학자)는 뉴턴역학을 더욱 발전시켜 다음과 같이 생각했다.  "만일 우주의 모든 물질의 현재 상태를 정확하게 알고 있는 생물이 있다면, 그 생물은 우주의 미래의 모든 것을 완전히 예언할 수 있다. 즉 미래는 결정되어 있다." 이 가상적인 생물을 "라플라스의 악마(demon)" 이라고 한다. (뉴턴의 기계론적 "결정론"의 결정체) 양자론이 등장하기 전까지의 물리학자들은, 인간의 능력에 한계가 있기 때문에 미래를 예언할 수는 없지만, 실제로는 미래가 결정되어 있다고 생각한 것이다. 그러나 양자론의 등장으로 "라플라스의 악마"이 우주의 모든 정보를 알고 있다고 하더라도, 미래가 어떻게 될지 예언하는 것은 원리적으로 불가능하다. 즉 미래는 결정되어 있지 않다는 것을 알게 되었다.   [와다 스미오 감수, 초판 2006.12]     [사토 가쓰히코 감수, 초판 2006.11]                    양자론 (量子論, Quantum Theory)     양자론(양자역학) : 원자나 전자 같은 아주 작은 물질의 움직임을 밝히는 물리학 이론. 뉴턴역학으로 설명할 수 없는 불가사의한 미시세계의 움직임을 설명. 1900년 플랑크 : "양자가설"을 주장 1905년 아인슈타인 : 빛의 "광양자설(光量子說)" 1913년 보어 : 전자가 원자핵 주위를 도는 태양계 같은 원자 모형(러더퍼드, 1911)을           양자론적 발상을 추가한 원자 모형을 고안, "코펜하겐 해석"의 중심적 인물 1923년 드브로이 : 물질 입자의 파동성을 주장 (물질파) 1925년 하이젠베르크에 의한 "행렬역학(行列力學)"과 1926년 슈뢰딩거에 의한 "파동역학(波動力學)"을 합친 것이 현재의 "양자역학" 1927년 하이젠베르크 : 불확정성원리 (Uncertainty Principle) "보어"와 "하이젠베르크(불확정성원리, 확률적으로 존재)"의 원자모형 ▶ "파동과 입자의 이중성" -. 전자는 단순한 입자도 단순한 파동도 아니다. -. 전자는 빛과 마찬가지로 "입자의 성질"과 "파동의 성질"을 동시에 갖는다.    (전자도 빛의 이중슬릿 실험과 같이 간섭 무늬를 만든다) ▶ "코펜하겐 해석" : (확률해석+파동수축) 보어를 중심으로 한 양자론의 표준적인 해석 -. 아인슈타인은 보어와의 논쟁에서 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"며 비판했다. -. "전자의 파동"은 "전자의 발견 확률"을 나타낸다. (→확률파동) -. 전자가 어디에서 발견될지는 우연히 결정된다. -. "상태의 공존" : 전자와 광자 같은 아주 작은 물질은 복수의 상태(위치나 운동량 등)를 동시에 자질 수 있다. 즉 1개의 물체가 같은 시각에 복수의 장소에 존재할 수 있다. -. 위치를 확인하려고 관측(미시 입자의 거시적인 흔적)하면, 전자의 파동은 수축·붕괴한다. → 한 지점에서 관측되는 순간, 다른 지점에서 발견될 확률은 일제히 0%(확률파동의 수축·붕괴)로 사라지고, 그 지점에서 발견될 확률은 100%가 된다. -. 발견 확률은 진폭의 절대치의 제곱에 비례, 진폭은 허수(ｉ)를 포함해서 나타낸다. -. 양자론의 계산 방법은 확립되어 있지만, 그것을 어떻게 해석하는가에 대해서는 의견이 갈라지고 있다. ▷ "다중세계 해석" : 양자론의 불가사이한 성질을 무수한 평행우주(Parallel Worlds)의 존재를 가정함으로써 설명한는 해석. (파동의 수축을 생각할 필요가 없다) ▶ "불확정성 원리(관계)" : 양자적 우주(세계)에 확률이 개입될 수밖에 없는 이유를 설명 -. 전자의 '위치'와 '운동량(질량×속도)'을 동시에 결정할 수 없다.    → 입자의 운동량(속도)을 정확하게 결정하면, 위치는 불확정성이 엄청나게 커진다. -. 각 입자가 관측되는 곳은 명확한 위치가 있는 것이 아니라, 각 위치에 대해서 확률적으로 존재하는 것이다. ▷ 진공이란... : 에너지도 Ø은 아니다 → 물질이 생겨나거나 사라진다. -. 진공도 에너지를 가질 수 있고, 진공의 에너지가 요동치고 있다. -. 이 에너지가 물질 입자의 질량으로 바뀜으로 입자가 생성하고 소멸한다. -. 아주 짧은 시간동안 보았을때 에너지의 요동에 의해 소립자가 여기저기 쌍생성되고 쌍소멸한다. (이 때 지나가는 빛은 영향을 받는다) → 입자가속기에서 실험 ▶ "터널효과" (Tunnel Effect) : 원자핵의 붕괴가 왜 일어나는지를 설명 -. 운동하는 입자가, 자체가 가지는 운동에너지보다 큰 위치에너지를 가지는 영역(에너지 장벽)을 터널을 지나가듯이 통과하는 현상을 말한다. -. 입자가 "파동과 입자의 이중성"을 가지고, 위치와 운동량에 관한 "불확정성원리"가 성립함으로써 일어난다. -. 전파의 일부가 벽을 뚫고, 빛이 유리라는 장벽을 뚫고 나가는것과 비슷한 현상. ▶ 힘을 "입자의 공받기(방출과 흡수)"로 설명 -. 자연계 4개의 힘(전자기력, 강력, 약력, 중력) 중에서 중력을 제외한 3개의 힘을 "힘을 전달하는 입자"로 설명하는데 성공했다. -. 양자론의 다음 목표인 "양자중력이론"은 중력을 "중력자"라는 소립자의 교환으로 설명하는 것이다. -. 이 "양자중력이론"의 완성은 양자론과 중력(상대성이론)의 융합을 의미하는 것으로 우주 탄생의 비밀에 다가 갈 것으로 기대되고 있다. 그러나 아직 성공하지 못하고 있다. -. 그 시도 중의 하나로 우주(자연계)를 구성하고 있는 최소단위(기본입자)가, 점같이 생긴 입자가 아니라 "진동하는 에너지의 끈"이다라는 "초끈이론"이 주목받고 있다. ▶ 양자론의 우주 : "무"에서 생겨나는 우주, "평행우주"의 존재 -. 우주 공간의 팽창하는 구조는 상대성이론에 의해 이론적으로 설명(늘어나거나 줄어들 수 있음)되는데, 우주는 아주 먼 옛날로 거슬로 올라가면 원자보다 더 작았다. -. 현재 유력하게 생각되고 있는 우주 탄생 시나리오의 하나는, 우주는 물질이나 빛 뿐만 아니라 시·공간조차 존재하지 않는 "무"에서 생겨났다고 한다. -. 양자론이 말하는 진공과 마찬가지로 "무"도 계속 완전한 "무"로 남아 있을 수 없다. -. "무"의 상태와 "유(공간을 가진 미시 우주)"의 상태 사이에서 요동 치다가, 미시 우주가 탄생하고 그것이 어떤 원인에 의해 급팽창하여 현재의 우주로 성장했다고 생각한다. -. 또 우리가 사는 세계와는 모습이 다른 평행우주(Parallel Worlds)가 무수히 존재할지도 모른다. 영화 "맨인블랙" (Men In Black, 1997), 엔딩 장면의 "라플라스의 악마(demon)" ??? (라플라스의 악마 : 뉴턴의 기계론적 "결정론"의 결정체) (태양계와 우리우주가 줌아웃 되면서 악마에게는 작은 구슬이 되며 다중우주를 표현)     Posted by o자세o (pose687)