양자론으로 원자의 세계를 알아보자

 

 

 
 

       

만물은 미시 세계(微視, 매우 작은 원자나 분자와 같은 극미세계)의 원자가 모여서 이루어진다. 이러한 차원에서 미시 세계를 다루는 양자론은 ‘모든 과학의 기초’라 할 수 있다. 양자론은 전문가들이 생각한 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론이며, 전체 과학 이론중에서 1위 태양 중심설, 2위 진화론에 뒤따라 3위에 올랐다. 얼핏 봐서는 살아가는 데 미시 입자들의 존재 이론이 어떤 점에서 중요하냐는 의문을 가질지도 있겠다. 하지만 여기서 주목할 점은 미시 세계를 잡고 있는 양자론은 현대 우리의 생활에서도 큰 역할을 차지하고 있다는 점이다. 컴퓨터나 휴대전화를 비롯한 IT기기, LED와 같은 반도체 기술을 이용한 제품들은 양자론이 없었다면 생활에서 볼 수 없었을 것이다. 뿐만 아니라 화학, 생물학에서도 양자론으로 설명이 되는 양자화학, 양자생물학 등의 분야로 나누어져 활발한 연구가 진행되는 중이다. 화학1 교육과정에 있는 수소의 선스펙트럼 현상도 바로 양자론으로 설명이 가능한 파트이다. 


 

양자론을 말하기 전 우선 양자의 정의에 대하여 정확히 알 필요가 있다. 양자란 연속적인 값이 아니라 띄엄띄엄한 불연속적인 물리량을 갖는 것을 의미한다. 인공위성의 예시를 들어보자. 우리는 인공위성의 궤도 1000km에서 1001km...1002km...1003km... 이렇게 고도를 연속적으로 바꿀 수 있다. 하지만 양자론에서는 그런 연속적인 값을 가지지 않는다. 양자론을 인공위성 궤도에 비유를 하자면, ‘인공위성은 1000km의 궤도는 취할 수 있으나, 그 다음 허용되는 궤도는 4000km 뿐. 그 중간의 궤도는 취할 수 없다.’라고 할 수 있다. 에너지가 양자화 되어있다는 말의 의미는 에너지가 연속적인 값이 아니라 불연속적인 에너지의 값만을 가질 수 만 있다는 것이다. 그런 의미에서 양자는 영어로 quantum,작은 덩어리 또는 불연속적인 덩어리라는 뜻이다.
 
 

양자화되어있는 에너지의 대표적인 예시는 수소의 선스펙트럼이다. 수소의 전자 하나가 가질 수 있는 에너지의 값은 불연속적이어서 그 값들 외의 다른 에너지 값은 전자가 취할 수 없다. 이것이 바로 불연속적인 파장을 보여주는 수소 선스펙트럼을 관찰할 수 있는 이유이다. 수소의 전자가 높은 에너지의 궤도로부터 에너지가 낮은 다른 궤도로 옮겨갈 때 그 에너지의 차이를 빛의 에너지로 방출하는데, 전자의 에너지 궤도는 불연속적으로 양자화되어있기 때문에 선스펙트럼에서 방출되는 빛의 파장이 불연속적이므로 선스펙트럼의 색도 불연속적으로 나타나는 것이다.




 

전자가 왜 불연속적인 궤도에만 존재할까 라는 의문이 생길 것이다. 1923년 프랑스의 물리학자 루이 드브로이는 빛이 파동과 입자의 양면성을 갖는다면(광양자설) 입자로 생각되어 왔던 전자도 파동의 성질을 가진 것으로 생각했다. 바로 전자가 파동의 성질을 가지면, 존재할 수 있는 궤도가 한정된다는 것이었다. 드브로이는 전자가 존재할 수 있는 궤도는 전자의 파동과 ‘꼭 맞는 길이’ <그림1> 여야한다고 했으며 이 관계가 어긋난다면 <그림2> 전자의 파동은 안정되게 존재할 수 없고, 그와 같은 궤도에는 전자가 존재할 수 없다고 하였다.

 

 

     

이때 파동은 공간적인 크기를 가지고 존재하는 것이고 입자는 공간적인 크기를 갖지 않고 공간의 어느 한 점에 존재하는 것인데 어찌 이 두 개를 가진 존재가 있다는 모순적인 말이 있을까 하는 의문이 들 수 도 있다. 이에 과학자들은 전자가 모순없이 양면성을 가진다는 근거로 '관측자의 유무'를 제시했다. 전자는‘관측하지 않을 때’에는 파동의 성질을 유지하면서 공간에 퍼져 존재하지만 전자의 파동에 빛을 비추는 등의 방법으로 그 위치를‘관측하면’전자의 파동은 순식간에 수축돼 집중되어 있기 때문에 입자처럼 보인다는 것이다. 즉, 전자를 관측하면 관측 전에 파동으로 퍼져 있던 범위 내부의 어딘가에 나타나는 것이다. 그러나 전자가 어디에 나타날지 정확히 알 수 없으므로 전자의 위치는 오직 확률적으로만 알 수 있다. 전자의 존재 확률을 나타낸 오비탈 함수가 대표적인 예가 될 수 있겠다. 이는 전자와 파동의 양면성은 전자의 파동을, 전자의 발견 확률을 나타내는 파동으로 생각하는 코펜하겐 해석으로 이어진다.


 
 

 

 

양자역학을 연구하고 있었던 물리학자들중에서 파동과 전자 존재 확률을 설명한 코펜하겐 해석을 탐탁지 않게 본 사람이 있었으니 그는 바로 오스트리아 태생의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거였다. 그는 코펜하겐 해석(불확정성의 원리-관측 전에는 위치가 확정되지 않는다=위치가 요동하고 있다)을 비판하기 위해 한 고양이의 비유를 들었다. 하지만 너무나도 적절하게 양자론의 이중성에 대해서 비유하는 바람에 아이러니하게 오히려 양자론을 '설명하는' 비유로 유명해졌다. 슈뢰딩거는 이후 양자역학에는 별로 손을 대지 않고 다른 분야의 물리학과 생물학에 공헌했다고 한다. 슈뢰딩거가 고안한 사고실험은 아래와 같다.

  

 

상자 안의 원자 하나가 붕괴하는지 그렇지 않는지 라는 미시세계의 현상에 따라 고양이의 생존이라는 거시세계의 현상으로 확대한 것으로 양자역학적으로 설명이 되는 사고 실험이라 할 수 있다. 우리는 측정하기 전에는 고양이가 죽었는지 안 죽었는지 전혀 모르므로 관측하기 전의 고양이의 상태는 죽음과 삶이 중첩되어있다고 할 수 있다. 즉, 50% 확률로 핵붕괴하는 원자 때문에 50%의 확률로 고양이의 삶과 죽음이 존재한다. 어떠한 사건에 대해서 양자역학적으로 확답을 내놓지 못하고 그저 확률로만 말할 수 있는 흥미로운 실험이라고 말할 수 있다.

2011년, 캐나다에 본사를 둔 D-Wave Systems는 무려 한 대당 천만 달러라는 어마어마한 가격인 세계 최초의 상업용 양자컴퓨터 D-Wave One을 내놓았다. 이 시스템과 계약을 했던 구글, 나사, 그리고 대학 우주 연구 연합은 D-Wave Systems와 계약을 7년 연장하고 현재 구매한 시스템의 업그레이드 및 새로운 시스템 도입에 합의했다고 지난 9월 발표했다.

양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 응용한 컴퓨터이다. 양자컴퓨터는 정보최소단위로 일반 컴퓨터의 ‘비트’가 아니라 큐빗(양자비트)’을 사용하는 것이 특징이다. 현재컴퓨터의 정보의 최소단위인 ‘비트’는 정보를 오직 0또는 1로만 표현하는데 큐빗은 큐빗의 개수만큼 전자를 양자 상태로 만들 수 있다. 전자에는 방향이 있어서(2가지의 spin방향) 상향상태를 0, 하향상태를 1으로 정한다고 하면 전자는 다양한 지점에 ‘동시에‘ 존재할 수 있으므로 전자의 발견 확률에 따른 60% 상향상태와 40% 하향상태 라는 ‘중간적인 상태’ = ‘중첩상태’ 를 취할 수 있다. 일반컴퓨터는 정보 하나를 저장하려면 하나의 비트가 필요하다. 1000개의 정보를 저장하려면 1000 비트가 필요한 것이다. 양자컴퓨터에서는 하나의 큐빗이 0과 1의 중첩적인 상태를 취할 수 있으므로 큐빗 n개가 있다면 2의 n승 개의 정보를 저장할 수 있다. 따라서 연산능력이 기하급수적으로 커지게 되어 일반컴퓨터로는 몇억 년이 걸리는 계산을 순식간에 할 수 있다.


 
하지만 지금의 양자컴퓨터는 아직 기술적으로 부족한 점이 많다. 큐빗은 외부 환경 변화에 민감하여 외부의 전자기장을 모두 차단해야 하며 큐빗을 처리하는 회로를 15밀리켈빈의 초저온(절대 영도에 가까운 수준) 상태에서 작동시켜야한다. 양자컴퓨터의 가격이 매우 비싼 이유도 초전도체 사용과 극저온 냉각시스템 때문이기도 하다. 현재 양자컴퓨터 프로그래밍 언어까지 개발이 되었지만 한정적인 용도에서만 사용이 가능하다는 점에서 연구가 더 요해지는 상황이다. 하지만 지금까지 컴퓨터가 그래왔듯 양자컴퓨터도 빠른 속도로 발전되어 기존의 디지털 컴퓨터를 대체할 수 있게 된다면 복잡한 연구를 단숨에 해결하고 대용량 데이터를 분석할 수 있는 시대가 올 것이다.

 
양자론은 아직 미완성 분야이다. 리처드 파인만이 양자역학을 완벽하게 이해한 사람은 없다고 자신있게 말했듯 양자론 분야는 아직 사람의 발이 닫지 않아 개척되지 않은 지역이 더 많을 지 모르는 섬이다. 하지만 탄생 100년 이상이 지난 지금도 꾸준히 연구되고 있는 중인 양자론은 앞으로도 무궁무진하게 발전할 것이 틀림없는 학문이다.

동아리 과학잇슈 2015년 제 2호




 < 참고자료 , 이미지 자료 출처 모음> 


Newton 2013년 6월호 - 양자론
위키백과 - 양자역학, 슈뢰딩거의 고양이, 에르빈 슈뢰딩거
창조과학부 블로그-전자회로를 넘어 새로운 컴퓨터가 온다, 양자컴퓨터
사이언스올