개그

 
양자 역학이 알고보면 우리가 중학교때 원자 모델 배울 때부터 접하게 되는데
제대로 이해하고 설명하는 사람은 그렇게 많지 않은 거 같아.

 
특히 유튜브나 만화들은 '본다'는 표현을 잘못 이해해서 이상한 주장을 하는게 많더라고.
인간의 의지가 우주에 영향을 미친다!
라던지 영혼의 증거다! 라는 글 같이 말이지.
 
이걸 설명하기 위해 글을 쓸께.
 
 
세세한 내용은 틀릴수 있으니 감안하고 봐줘
잘 못 기술한 부분이 있으면 알려주면 고맙겠어
흑채복사 부분은 귀찮으니 생략하고 그낭 수소원자로 실험했다고 할께.
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1900년대 퀴리부인이 제자와 바람을 피며 아인슈타인이
"그 누나는 못생겨서 그럴일 없다!" 고 주장하던
물리학계의 전성기
이때 양자역학이 태동하기 시작해.
 
전자빔과 열로 여러 물체를 때리다 보니 다양한 빛이 나오는 걸 보고
프리즘으로 분리해서 스펙트럼으로 나타내는게 당시 학계에 유행이었지.

 
중학교때 배워서 알다시피 가장 뜨겁게 해준 부분은 보라색
덜 뜨겁게 해준부위는 붉은 색으로 나타났는데
근데 이상하게 수소원자는 연속스펙트럼이 아니고 한 두개의 줄로 나타나게 되었어.

(가장 위- 일반적인 스펙트럼/ 가장 아래 - 수소원자의 스펙트럼)
 
그래서 당시 학자들은 측정법에 문제가 있다 프리즘이 망가졌다 원래 자연이 그런거다로 많이 싸웠었는데
이때 플랑크란 대학원생이 이 부분에 대해 수학적으로 딱 정리를해서 
잘은 모르겠지만 대충
"플랑크 상수에 주파수를 곱한 형태"로 줄이 나타난다!
라고 발표한거지.

(상수에 자기이름 붙이는 대학원생의 패기)
 
 
후에 그 의미를 아인슈타인이 플랑크 상수의 의미를 밝혀냈는데
전자로부터 나온 빛이 가지는 에너지가 연속적이지 못하고
그 에너지는 플랑크 상수와 빛의 주파수의 곱으로 나온다는걸 광전효과 실험으로 확인한거야.
플랑크 상수는 전자의 에너지와 관계 있다!
를 발견한거지

(사실 아인슈타인이 유명해진건 이걸 계기로 플랑크가 천재가 나타났다고 홍보하고 다녀서 그래)
 
 
양자역학은 여기서부터 시작해.
그러니 양자역학의 시초는 플랑크랑 아인슈타인인거지.
 
다른 물리학자들은 수소 가지고 뭘 더 해볼까 고민하다가
수소원자에 전자석으로 자기장을 걸고 스펙트럼 측정 실험을 해보게 돼.
그랬더니 기존에 한줄짜리 스펙트럼이 여러게로 갈라지는걸 확인했어. (fine interaction)

모두들 화학을 배우며 했던 1s 3p 5d 7f 라는게 나오게 돼.
이를 궤도를 돌며 나온 자기장이라 해서 각운동량(Angular momentum)이라 이름 붙이게 돼.
 
이걸 통해서 에너지상으로는 같은 값을 가졌던게, 자기적 특성은 다르구나! 알게되고 이후
저온에서 약하게 자기장을 걸어보며 실험을 추가로 했더니

이를 자전에서 나온 자기장이란 의미로 스핀 각운동량(Spin angular momentum)이라 이름 붙혀.
 
즉 물질을 구성하는 전자는
주양자수 n [전자의 에너지(궤도 위치 에너지)] (플랑크상수/정수^2)
부양자수 p [전자의 각운동량(궤도에 따른 자기적 특성)] (플랑크 상수*정수배)
스핀 양자수 s [전자의 자전하는 각운동량(전자 자체의 자기적 특성)
을 가지고 있다는 것을 알게 되지.
 
문제는 왜 전자는 각각의 값이 나눠져 있는거지?라는 의문에 봉착하게 돼.
 
예를들어 전자 에너지가 1 이라면 약간 에너지를 가해주면 1.5도 만들 수 있어야 하잖아.
 
그걸로 고민중에 나온게 실험이 전자 이중슬릿실험이야.

 
진공에 암흑 공간안에 슬릿 두개를 형성하고 앞에 전자 총을 쏘게 만들어.
그리고 가장 끝에는 전자가 부딪히면 희게 점이 찍히는 감응판을 뒀어.
이렇게 하면 전자가 부딪히게 되면 스크린에 점이 찍히지.
만약에 전자가 입자였으면 야구공을 던졌듯이 그냥 구멍에 따른 점 두개가 나왔을꺼야.
근데 막상 해봤더니 줄무늬가 나온거지.
 

(만악의 근원 같은 그림. 저 눈깔을 파버려야하는데...)
 
신기하게 전자는 분명 입자인데 무늬는 파동처럼 나온거야.
 
이 실험을 한 사람은
아! 그럼 전자가 알고보니 파동이었구나! 생각해서 투과되는 감응판을 앞에 겹겹히 놓았지.

 
그랬더니 이번에는 그냥 점 두개로 나타난거야.
이걸 파동과 입자성의 이중성이라 불렀지.
 
이 실험 때문에 학계는 난리가 났어.
이걸 위에 스펙트럼 실험과 묶어서 설명한게 현대 양자역학의 아버지인 하이젠베르크와 닐스 보어였지.

이들은 "Observation" 하기 전에는 파동으로 존재하는데 이를 "Observation"를 하게 되면 입자가 된다고 한거야.
 
여기서 많은 오해가 발생하는데
이걸 Observarton 이라 말해버려서 많은 사람들이 "본다"고 이해한거야.
 
정확한 의미는 사람이 보는 것과 상관없이 측정을 위해 뭔가와 상호작용을 시키면 그 파동은 사라지고 입자가 된다는 이야기야.
 
예를들어 전자의 위치 에너지가 파동함수일때 이를 측정하기위해 에너지를 가하게 되면 전자의 위치 에너지의 파동함수는 사라져버리고 하나의 에너지로 고정되어버리는거지.
 
즉 n 이 1.5는 없고 n이 1과 2일 확률이 각각 50% 인 상태로 전자의 에너지 확률 파동이 존재하게 되는거야.
 
그래서 입자의 파동은 OTP같은거지.
한번 측정하면 특정값만 남기고 사라져버려.
 
그럼 어떻게 옛날사람들이 저런 파동함수를 구했는가 하면
같은 실험을 여러번 반복하거나 (Time average)
여러 입자를 동시에 측정하는것으로 가능했어(Ensemble average)
이게 양자역학의 기본이야.
 
우리가 알고 있는 파동은 뭔가가 흔들리는거잖아. 물 표면이 일렁거리듯이 말이지.
 
"그럼 양자세계에서는 뭐가 흔들리는거야??"
라는 질문에 코펜하겐 학파가 주장한게
 
흔들리는 것은 "존재 확률" 이다!
라고 주장하는 코펜하겐 해석이 나와
 
"그럼 시X 니 말대로면 죽은 고양이랑 산고양이가 같이 존재하는거냐?"
라며 반론을 펴며 색마 슈뢰딩거 선생님의 슈뢰딩거 고앙이 이야기가 나오게 돼.

(NTR전문가 슈뢰딩거 선생님)
 
 
결론적으로 말하면 코펜하겐 해석이 지금 물리학계의 정설로 받아들여져.
 
전자는 n p s의 양자값을 가지고 있다.
다만 전자는 실제로 움직임을 가지고 돌지는 않고 확률 파동함수로 존재하돼.
이게 바로 오비탈(파동함수)과 전자구름 모델이 나오게 되는거지.
 
즉 본다는 건
사람이나 지나가던 연구실 쥐가 쳐다보는게 아니고
물질과 물질이 상호작용을 하는 걸 말하는거야.
 
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당시 아인슈타인은 측정 장비의 한계로 이런 부분이 불분명할 뿐 저런식으로 자연이 존재하지 않을꺼라 생각했고
"신은 주사위 놀이를 하지 않는다"
라고 주장하게 되지.
 
 
이후 칼텍 대학원생이던 리처드 파인만의 박사학위시험에 심사위원으로 아인슈타인이 가게되는데
발표한 내용이 문제인건지 아님 지도교수의 인성이 문제인건지
 "이놈 이상한거 발표하고 학위 날로 먹으려한다!!" 며
그 자리에서 자기 학생인 파인만에게 욕을 하기 시작해.
 
이때 조용히 듣고 있던 인성 갓 아인슈타인이
"여기서 확실한 것은 우리 모두가 양자역학을 제대로 이해하지 못했다는 겁니다"
라고 말하며 지도교수한테 까이던 리처드 파인만을 지지해주게 돼. 
 
그 이후 신이 난 리처드파인만이 맨날 저 이야기를 하고 다니면서
"양자역학을 제대로 이해한 사람은 아무도 없다"
로 퍼지게 된거지.

(MIT가 낳은 최고의 천재이자 문제아)
 
리처드 파인만은 양자장론을 발전시켜 파인만 다이어그램이라는 희대의 괴상하고 멋진 그림을 그리게 되고
차후에 노벨상을 수상받아.
이후 양자컴퓨터의 아버지가 되는데 이는 다음에 기술할께.
 
 
한줄요약
보는건 사람이 보는게 아니고 뭔가가 상호작용하는 것!!!