어린이과학동아&수학동아 기사

여러분은 양자역학에 대하여 아시나요? 

양자역학이란 미시세계, 즉 눈에 보이지 않을 정도로 작은 크기의 현상을 연구하는 물리학의 분야 중 하나인데요,

양자역학에 대하여 이야기 하기 전에 여러분에게 문제를 하나 내보겠습니다.

"빛은 입자일까요? 파동일까요?"

정답은 '둘 다' 입니다.

17세기 뉴턴은 자신의 저서인 《광학》 에서 빛은 파동이 아닌 작은 입자의 흐름이라고 밝혔습니다.

작은 빛의 입자들이 이동을 하며 빛이 내리쬐는 것으로 보인다는 말이죠.

여기까지가 고전역학입니다. 모두가 그렇게 믿고 있었죠.

19세기 '토마스 영' 은 이중슬릿 실험을 하고 있었습니다.

아래 사진은 입자를 구멍으로 던졌을 때 생기는 무늬입니다.

입자를 공으로 생각하면 둘 중 하나의 구멍을 통과하며 2개의 줄무늬가 생기겠죠?

그리고 파동이라면 파장이 두개로 나뉘며 여러개의 반복되는 줄무늬가 생기는데 이것을 바로 간섭무늬라고 합니다.

그럼 뉴턴의 저서에 따르면 빛은 입자이므로 첫 번째 사진과 같은 결과가 나타나야 겠지만 결과를 확인해보니 간섭무늬가 있었습니다.

이에 이상함을 느낀 과학자들은 입자가 도대체 어떻게 간섭무늬를 만드는지 확인해보려고 들여다 봤지만... 

결과는 두 개의 선만 나타났습니다.

이로서 닐스 보어를 비롯한 많은 과학자들은 빛을 '관측' 하면 입자, '관측' 하지 않으면 파동이라는 결과를 도출해냅니다. 즉, 빛은 입자이자 파동인 '중첩상태' 라고 결론을 낸 것이죠.

하지만 반대로 이를 말도 안되게 보는 아인슈타인, 슈뢰딩거를 비롯한 많은 과학지들도 있었습니다.

이들은 과학자들은 1911년부터 지금까지 3년에 한번 하는 솔베이 회의에서 대립하기 시작합니다.

여기서 가장 윗 줄의 왼쪽에서 6번째의 사람이 바로 슈뢰딩거인데 그는 양자역학 반대파였습니다.

그래서 그는 양자역학이 완전하지 않다는 것을 밝히기 위하여 '슈뢰딩거의 고양이' 라는 사고 실험을 고안합니다.

고양이가 상자에 같혀있고 그 안에는 망치와 청산가리가 든 병이 있습니다.

망치는 기계에 의하여 50%의 확률로 청산가리가 든 병을 내리치고 병이 깨지면 고양이는 죽게 됩니다.

하지만 당신은 상자의 내부를 전혀 볼 수가 없죠.

그렇다면 고양이는 과연 죽었을까요? 살아있을까요?

여기서도 중첩상태가 나옵니다.

고양이는 죽거나 죽지 않은 상태를 모두 가집니다. 

슈뢰딩거는 이 사고실험을 이용하여 양자역학을 비판하려고 했지만 오히려 이것은 양자역학을 잘 나타내는 사고실험이 되었습니다.

양자역학을 알아서 뭘 하겠냐 라는 생각을 가지실 수도 있겠지만 그건 엄청난 오산입니다.

우리가 쓰는 전자기기들 모두 양자역학이 없으면 함께 없어지거든요.

또한 슈퍼컴퓨터에 대하여 아시나요? 슈퍼컴퓨터는 일반 컴퓨터에 비하여 상상도 할 수 없을 만한 성능을 가진 컴퓨터입니다.

하지만 0과 1로만 계산할 수 밖에 없는 한계가 있죠.

그런데 양자역학에서는 0과 1의 상태가 중첩되어 있습니다.

이 양자얽힘에 의해 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터에 비해 훨씬 더 엄청난 성능을 가질 수 밖에 없죠. 

기사를 다 보고 나서도 여러분들은 이해가 어려우실 겁니다.

게다가 양자역학은 이게 끝이 아니죠.

하지만 걱정하지 마세요. 당신은 양자역학을 이해함과 이해 못함 두 사건이 중첩된 상태지만 관측되면 이해 못하게 되는 것 뿐이니까요! 끝까지 봐주셔서 감사합니다.

"양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다."

-리처드 파인만-

사진 출처:

https://news.samsungdisplay.com/17732

https://allgo77.tistory.com/9

https://www.mk.co.kr/news/it/view/2019/05/320104/