양자역학은 분자,원자,기본입자(전자,소립자) 원자핵 등 미시적인 계의 현상을 다루는 물리계의 작은 입자들을 연구하는 물리학의 분야입니다.
양자역학은 현대 물리학의 기초 이론
양자역학은 현대 물리학의 기초 이론은 아원자 입자 및 입자 집단을 다루는 이론이라고 볼 수 있습니다.'아무리 기이하고 터무니없는 사건이라 해도 확률이 0이 아닌 이상 반드시 일어난다'는 물리학적 아이디어에 기초를 하고 있습니다.양자역학의 양자는 물리량에 기본 단위가 있으며,그 기본 단위에 정수배만 존재한다는 뜻을 담고 있습니다.현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주고 운동이 본질적으로 비결정론적인가?"라는 의문을 제기하며 과학기술 등 다방면에 큰 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가되고 있습니다.
19세기 중반까지의 실험은 뉴턴의 고전역학으로 설명할 수 있었습니다.그러나 후반부터 20세기 초반까지 이루어진 전자 등의 아원자 입자와 관련된 실험의 결과는 고전역학으로 설명을 시도할 경우 모순이 발생하여 이를 해결하기 위한 새로운 역학 체계가 필요하게 되었습니다.
양자역학은 20세기에 이루어진 학문
이 양자역학은 플랑크의 양자 가설을 계기로 하여 슈뢰딩거 등에 의해 만들어진 전적으로 20세기에 이루어진 학문입니다.양자역학에서 플랑크 상수를 0으로 극한을 취하면 양자역학이 고전역학으로 수렴하는데 대응 원리라 합니다.미지의 세계를 탐구하는 양자역학에서 물리량은 기본적으로 이론이고 거시세계를 탐구하는 고전역학에서 물리량은 연속적이었습니다.다루는 이는 관찰 기준의 차이이며 돕기 위한 간단한 비유로 우리가 모래사장을 멀리서 바라본다고 하면 이는 우리가 물리현상을 거시세계에서 보는 것이라고 할 수 있습니다.
이 관찰에서 모래사장의 표면은 연속적으로 보이며 거시세계에서 우리가 관찰하는 물리현상에서 물리량이 연속적으로 관찰된다는 것에 비유되고 있습니다.만약 우리가 점점 모래사장에 가까이 다가가 모래사장을 관찰한다면 이는 거시세계에서 미시세계로 관찰의 단위를 줄인 것이며 가까이서 모래사장을 관찰한다면 모래사장의 표면은 불연속적으로 관찰될 것입니다.
이는 미시세계에서 물리현상에 물리량이 불연속적으로 관찰된다는 것과 비슷합니다.즉 특정 물리량을 관찰하면 그 물리량의 불연속성이 미시세계의 관찰 기준에 비해 너무 미세해 마치 그것이 연속적인 것처럼 보이지만 단위가 거시세계보다 작은 미시세계에서 대상을 관찰하면 그 불연속성이 보이더라'라는 것입니다.
양자역학은 고전이론 일반화
양자역학은 모든 역학 포함하는 고전 이론을 일반화하고 있습니다.양자역학은 고전역학으로 설명되지 않는 현상에 대한 정확한 설명을 제공하고 있습니다.양자역학의 효과는 거시적으로는 관측이 어렵지만 고체의 성질을 연구하는 과정에서 양자역학 개념이 필수적이라 합니다.예를 들어 드라스-판을 펜 효과는 양자역학을 통해서만 설명이 가능하며 또는 그보다 작은 영역에서는 분명해지고 있습니다.
양자역학이라는 용어는 독일의 물리학자 막스 보른이 처음 제시했습니다. 독일어 '(퀀텐메카닉)'고 번역되었고 일본에서 이를‘量子力學(료오시리키가쿠)’라 번역했는데 이것이 한국에 그대로 들어와 ‘양자역학'이라 부르게 되었습니다. 양자역학이란 말을 이해하려면 ‘양자’와 ‘역학’을 각각 살펴보는 것이 좋습니다.‘양자(量子)’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로,무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이라 할 수 있습니다.
‘역학(力學)’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있습니다.간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이며 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있습니다.
양자역학 역사
◎형성기
제1차 세계 대전의 종료와 평화의 회복과 더불어 물리학의 발전이 시작되었습니다.1918년도의 노벨상은 패전국 독일의 물리학자인 막스 플랑크에게 수여되었으며 중심으로 하여 양자론이 진전되었습니다.그 주요 중심지는 1921년 이론물리학 연구소가 개설된 코펜하겐을 비롯하여 뮌헨 밖에 취리히의 에르빈 슈뢰딩거 알베르트 아인슈타인이 가담하였습니다.이 형성기는 또한 젊은 세대의 활약이 특징적이었습니다.
양자역학 형성의 길은 두 갈래로 되어 있으며 보어의 원자 모형에서 출발하여 대응원리에서 행렬 역학으로 통한 길이라고 할 수 있습니다.또 한쪽은 아인슈타인의 광자로 비롯하며 드브로이의 물질파를 거쳐서 도달하는 파동역학의 길이었습니다.이 둘은 그 형성 과정이나 수립된 이론이 전혀 달랐지만 얼마 안 가서 실은 같은 내용이라는 것이 판명되고 양자역학으로 간추려졌습니다.그리하여 양자역학의 형성이 일단락될 무렵 재차 새로운 단계에 이르렀습니다.
◎성립기
행렬역학과 파동역학은 다른 관점에서 출발하였고 다른 형태를 갖추고 형성되었으나 이룩한 결과는 일치했습니다.이것을 우연이 아니라고 생각한 에르빈 슈뢰딩거는 파동역학에서 행렬역학의 유도를 시도하여 양자의 동등성을 증명하는 데 성공하였습니다.폴 디랙과 파스 큐알 요르단은 변환 이론을 수립하였으며 두 개의 이론은 하나로 통합되어 1926년경에는 양자역학이 성립되었습니다.양자역학의 형식은 성립되었어도 물리적 해석에는 아직도 많은 문제가 남아 있었습니다.
예컨대 파동의 개념에 대하여서도 파동역학의 창시자 슈뢰딩거는 이것을 실재하는 것으로 보았지만 아인슈타인의 반론을 받고 확률해석이 이에 대체되었으나 이것도 불충분하여 많은 모순으로 유도되는 것이 판명되었습니다.이리하여 결국 낡은 물리학의 사고방식으로는 양자론의 개념은 어떻게도 설명할 수 없음이 차차 확실해졌고 1927년에 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 등장하였습니다. 파와 입자의 두 개의 상을 결부시킴으로써 발생하는 이 관계는 세계에서는 일상 경험에서 만들어진 관념은 이미 통용되지 않는다는 것을 강조하는 것입니다.
보어는 이 생각을 다시 자연 인식 일반에 펼쳐 양자역학의 일관된 해석을 수립하려고 하여 해 상호보완성 원리를 제창하였습니다.현상의 시 공적인 기술과 인과적 관계와는 서로 보충하는 동시에 서로 배제한다는 것이 되고 있습니다.아인슈타인은 이와 같은 새로운 양자론의 해석에 찬성하지 않고 일관하여 EPR 역설 등 의문을 계속 제출하였지만 기묘한 양자역학의 주장은 당시의 사상계에도 큰 영향을 주어 부정이나 주관주의·실증주의 경향의 세력을 향상하는 기초가 되기도 하였습니다.