양자역학의 시작 : 양자역학 등장 배경에 관한 설명

이제 양자역학에 대한 이야기를 시작해 봅시다. 이 글을 읽고 계시는 분들은 어떻게해서라도 양자역학이라는 말을 들어본 적이 있을 것입니다. 대략적인 양자역학의 개요나 의미에 대해서는 일반물리학에서도 설명을 하고 있기 때문에, 자연계 학생이라면 한번 쯤 어떻게 해서든지 접해본 적이 있습니다.

 

양자역학은 이제 우리가 사용하는 일상의 물건, 기술 등에 무수히 많이 적용되어 있습니다. 이러한 말도 지겹게 들었을 수도 있습니다. 그렇지만 어떻게 그것이 적용된 것인지, 의미하는 바는 무엇인지에 대해서는 조금만 깊게 들어가도 전문적 지식을 갖추지 않았다면 설명하기가 난해해질 것입니다.

 

이 블로그는 진심으로 수학이라는 도구를 통해서 양자역학을 공부하고자 하는 독자들을 대상으로 글을 쓰고 있기 때문에, 앞으로 진행할 양자역학의 글들은 모두 전공자나 전공자에 준하는 분들을 위한 것입니다. 그렇다면 '나는 단순 호기심을 가지고 들어왔는데 양자역학이 무엇인지 궁금하다!' 라고 생각하시는 분들도 있겠지요.

 

저에게 일반인한테 양자역학을 아주 쉽게 한 마디로 규정하기 위해서 어떠한 말을 해줄 수 있는지를 묻는다면, 저는 '우리가 생활하는 거시세계와 달리 미시세계에서는 모든 물체가 입자성과 파동성의 성질을 모두 띠는, 이중성(duality)이 나타난다'라는 말로 설명할 것입니다.

 

 

 

위의 그림을 봅시다. 광전효과(Photonelectric effect)는 빛의 입자성을, 영의 이중 슬릿 실험(Doulble slit experiment)는 빛의 파동성을 증명하는 실험입니다. 즉 빛은 입자성도 가지고 파동성도 가집니다. 하지만, 이중성(Duality)의 의미는 빛에 대해서(그리고 전자와 같은 물질에 대해서도) 파동성과 입자성을 동시에 확인할 수 있다는 것이 아니라, 파동성을 보고자 하면 파동성을 확인할 수 있고, 입자성을 보고자 하면 입자성을 확인할 수 있다는 것입니다. 그림을 정말 잘 만들었다고 생각하는데, 두번째 줄을 보면 'Wave'를 읽고자 하면 Particle 이 보이지 않고, 'Particle'을 읽고자 하면 Wave 가 보이지 않습니다.

 

양자역학의 배경과 탄생에 대해서는 다음과 같은 여러가지 현상 및 실험들이 있었습니다.

 

1) 흑체복사(Black body radiation) : 1900년, by Planck

2) 광전효과(Photonelectric effect) : 1905년, by Einstein

3) 수소 원자 모형(Hydrogen model) : 1913년, By Bohr

4) 콤프턴 효과(Compton effect) : 1923년, by Compton
5) 물질파(Matter wave) : 1924년, by De Broglie

 

이것들이 무엇인지에 대해서는 흑체복사를 제외하고는 일반물리학과 물리1, 물리2에서 다루는 부분이 상당하므로 일일이 설명하지 않겠습니다. 그리고 이 내용에 대해서 일말의 지식이 없다면 양자역학을 시작할 수 없으니, 현대물리 책이나 일반물리학 책을 꼭 한 번 공부한 뒤에 오시는 것이 좋습니다. 단, 흑체복사에 대해서는 고교 과정에서 지구과학1에서 짤막히 소개되고 물리학1,2에서는 더이상 직접적으로 다루고 있지 않습니다. 일반물리학 책에서는 아주 간단히 다루고 있습니다. 흑체복사만큼은 정량적인 계산을 해보는 것이 양자역학의 도입부와 연결되기 때문에 다음 글에서 진행할 예정입니다.