원자? 양자?

 

지금으로부터 2,500여 년 전 그리스 철학자들은 만물의 본질이 무엇인가에 대해 서로 논쟁했다. 만물의 본질이 물이라고 말한 탈레스가 있었고, 만물이 4가지 원소 즉 물, 불, 흙, 공기로 이루어져 있다고 주장한 엠페도클레스도 있었다. 한편 데모크리토스는 만물의 근본이 더 이상 쪼갤 수 없는 원자 atom으로 되어 있다고 말했다. ‘쪼개다’라는 뜻의 그리스어 tomos에 부정을 뜻하는 접두어 a-가 붙어서 ‘더 이상 나눌 수 없는’이란 뜻의 atom이 원자다. 19세기에 들어와서 돌턴(John Dalton, 1766-1844)이란 과학자가 만물이 원자로 되어 있다고 주장하면서 원자가 다시 주목받기 시작했다. 그런데 과학자들이 관찰한 결과 원자는 양성자, 중성자, 전자와 같은 여러 입자들로 구성되어 작동하고 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 원자의 세계가 어떻게 움직이고 작동하는지에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것이다.

 

양자를 뜻하는 단어 quanta는 ‘덩어리’ 또는 ‘어느 만큼의 분량’을 뜻하는 라틴어로서 물질이나 에너지의 최소 단위를 말한다. 즉, 어떤 물리적 값이 ‘양자화’되었다는 것은 그 값이 불연속적이라는 뜻이다. 예를 들어 우리가 텔레비전에서 보는 영상은 사실 매우 작은 픽셀(pixel)이 세 가지 색을 서로 조합하여 만들어 내는 결과물이다. 우리의 눈에는 연속적인 색으로 보이지만 자세히 들여다보면 색은 ‘양자화’되어 있다. 마찬가지로 원자의 세계도 ‘양자화’되어 있는데 양자의 움직임을 연구하는 학문을 양자역학이라고 하고, 이것은 오늘날 현대물리학에 있어서 중요한 부분을 차지한다. 게다가 20세기에 들어서 발달하기 시작한 양자 물리학은 21세기 문명을 꽃피우는 데 결정적인 역할을 했다. 우리의 다음 세대가 누리게 될 22세기 초현대문명은 양자역학의 손에 달려 있는 것이 분명해 보인다.

 

양자역학은 사람의 눈으로 볼 수 없는 원자의 내부가 어떻게 작동하고 있는지 연구한다. 미국의 유명한 물리학자인 리처드 파인만은 모든 것은 원자로 되어 있다고 했다. 즉, 원자를 이해하면 모든 것을 이해할 수 있다. 보이지 않는 원자의 세계를 이해하게 되면 보이는 물질세상을 이해하게 된다. 20세기 초 등장한 양자역학은 뉴턴과 아인슈타인을 중심으로 발전해온 고전물리학을 대체하여 닐스 보어, 하이젠베르크, 드 브로이, 슈뢰딩거, 보른, 파인만 등이 주도하였다. 에너지의 연속성과 관측가능성, 결정론적 사고방식의 고전역학과 달리 양자역학은 양자의 파동-입자 이중성, 중첩, 얽힘, 불확정성 원리 등을 다룬다. 그 간략한 역사를 살펴보도록 하자.