[카드뉴스] 어벤져스의 주요 이론 ‘양자역학’ 쉽게(?) 알아보기

[시선뉴스 이호 / 디자인 김미양] 우리나라는 물론 세계에서 큰 히트를 친 ‘어벤져스 : 엔드게임’.이 영화가 문제를 해결하는 핵심에는 ‘양자역학’이 있었다. 사람이나 물건을 늘였다 줄였다 하고 심지어 시간까지 여행할 수 있게 하는 양자역학은 과연 무엇일까?

먼저 양자(量子 : quantum)란 양을 의미하는 quantity에서 온 말로 무언가 떨어져 있는 양으로 있는 것을 가리키는 말이며 역학(力學)이란 힘과 운동에 대한 학문을 말한다. 즉 양자역학이란 서로 떨어져 있는 양자가 어떤 힘을 받아 어떤 작용을 하는지를 알아내는 이론이라 할 수 있다.

뉴턴은 만유인력의 법칙을 통해 힘이 정해지면 물체의 가속도가 정해지고 속도와 위치가 정해진다는 것을 밝혀냈는데 이를 고전역학이라 한다.

고전 역학은 대부분의 현상에서 맞아떨어졌다. 하지만 과학이 발달하면서 들여다보기 시작한 미시적인 세상에서는 통하지 않았다. 수소원자를 예로 들어보자. 수소원자는 수소핵(양성자)를 중심으로 전자 하나가 공전을 하고 있는데 이 거리가 일정하다. 이 거리를 다르게 하기 위해 에너지를 공급해주면 전자는 그 거리를 좁히거나 멀리하는 것이 아닌 다른 궤도로 옮겨갈 뿐이다.

즉 힘으로 전자의 속도와 위치를 정할 수 없기에 고전역학을 따르지 않는다고 하는 것이다.

반면 전자가 에너지를 잃고 높은 궤도에서 낮은 궤도로 떨어지게 되면 고유의 빛이 나오는데 이를 원자의 스펙트럼이라 하며 이처럼 원자가 고유한 스펙트럼을 갖게 되는 이유는 전자가 고유의 ‘파장’을 갖고 있기 때문이다. 전자의 개성적인 파장은 양성자와 전자의 특정한 공전궤도를 갖게 한다.

따라서 전자는 ‘파장’을 일으키는 ‘파동’이라 할 수 있는데, 왜 전자가 고유의 ‘파동’의 성질을 갖게 되는 것인지는 아직 설명할 수가 없다. 그저 자연현상에서 전자가 파동의 성질을 갖고 작동하는 것을 관찰한 것이 전부기 때문이다.

과학자들은 이런 전자의 알 수 없는 작동원리를 해명하기 위해 많은 연구를 하였고 그리하여 나온 결과가 바로 불확정성의 원리(uncertainty principle)이다. 불확정성의 원리란 독일의 이론물리학자 하이젠베르크가 원자 세계의 기본적인 특성을 표현한 원리로 양자역학에서의 기본 원리라 할 수 있다.  

불확정성의 원리는 입자의 위치와 운동량을 모두 정확하게는 알 수 없다는 원리다. 이를 수식으로 표현하면 (위치의 부정확도) x (운동량의 부정확도)> 0으로 할 수 있는데 여기서 운동량은 전자를 입자라 했을 때 전자의 움직임을 표현하는 양이다.

불확정성 원리는 전자가 일정한 공간에 갇히게 되면 운동량을 필연적으로 가지게 되고 전자는 정지할 수 없어 이리저리 움직인다. 그리고 전자를 파동으로 취급하게 되면 운동량은 파장의 역수를 표시하게 되는데 이 말은 즉 파장이 필연적으로 발생하게 된다는 말이 된다.

고전역학에 의하면 전자의 위치와 운동량은 전자가 어떤 상태에 있든지 항상 동시 측정이 가능하다고 생각했고 물리량의 측정값이 불확정한 것은 측정기술이 불충분한 것으로 여겼었다.

하지만 양자역학의 입장에서는 입자의 위치와 운동량은 동시에 확정된 값을 가질 수 없고, 쌍방의 불확정성에 의해 서로 제약이 되어 입자의 위치를 정하려고 하면 운동량이 확정되지 않고,운동량을 정확히 측정하려 하면 위치가 불확정해진다.

이 원리에 따르면 입자성을 특징짓는 위치의 확정성과 파동성을 특징짓는 파장의 확정성은 서로 제약을 받고 입자성과 파동성이 서로 공존한다는 것이다.

양자역학에서는 한 현상을 설명하는 데는 어느 범위 내에서는 입자의 측면에서 보고, 다른 범위 내에서는 파동의 측면에서 본다. 여러 물리적 양을 측정한 결과가 반드시 확정된 값을 가지는 것이 아니며, 서로 다른 여러 값이 각각 정해진 ‘확률’을 가지고 얻어진다는 것이다.

불확정성의 원리로 인해 원자 안에서 공전하고 있는 전자의 불확정성의 원리 때문에 우리는 원자 안에서 공전하는 전자의 위치를 정확하게 알아낼 수가 없어 원자나 분자 안에서 전자가 공전하는 궤도를 ‘확률 구름’으로 표시하게 된다. 구름이 짙으면 전자가 존재할 확률이 높고, 구름이 옅으면 전자가 존재할 확률이 낮다는 것을 의미한다. 해당 위치에는 전자가 있을 수도 없을 수도 있다. 위치가 확정적이지 않기 때문에 불확정성을 갖는다고 얘기할 수 있다.

전자는 이처럼 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 모두 갖고 있기 때문에 양자라고 부른다. 가속기에서는 전자들을 입자처럼 취급할 수 있고 전자현미경에서는 전자를 파동처럼 취급할 수 있다.

따라서 양자역학은 식으로 딱 떨어지는 고전역학의 사고방식을 벗어나게 된다. 다만 양자를 입자로 봤을 때는 파동으로의 성질이 나타나지 않고 파동으로 취급할때는 입자로서의 성질이 나타나진 않는다. 동전의 양면과 같은 이런 성질을 상보성(complementariry)이라 한다

보어가 주장한 이 원리는 모든 입자에서 보이는 공통적인 현상으로 이로 인해 물질의 본질은 고전적인 논리로 다룰 수 없고 불확정성의 원리를 이용한 양자역학을 적용했을 때 비로소 이해가 가능하게 된 것이다.

이처럼 양자역학은 미시적인 아주 작은 세상의 물질의 원리를 이해하기 위해 생겨난 학문이다.물질의 원리를 완전히 이해하게 되면 어떤 현상이든 해낼 수 있지 않을까.

어벤져스의 히어로 앤트맨이 마음대로 커졌다 작아졌다 할 수 있는 원리는 바로 핌입자를 이용하여 원자와 전자간의 거리를 늘리고 줄일 수 있기 때문이다. 물론 이는 상상에 근거한 내용으로 실현될 가능성은 매우 적다고 할 수 있다.

또한 시간여행 역시 ‘시간’을 물질로 봤을 때 이에 대한 ‘이해’를 양자역학으로 해결했기 때문에 가능한 것이다. 하지만 우리는 ‘시간’이 무엇으로 구성되어 있는지 전혀 모르기 때문에 이 역시 상상으로만 가능한 것이다.

아직도 걸음마수준인 양자역학의 세계. 과연 미래는 양자역학을 통해 영화에서 상상했던 것들을 실현시킬 수 있을까. 궁금하기도 두렵기도 하다.