20세기가 시작할 무렵, 물리학자들은 미래사회에 그들이 할 수 있는 일이 더 이상 존재하지 않을 것이라고 예상했다. 흑체 복사, 광전효과와 같은 소소한 몇 가지의 문제들을 제외하고  자연현상을 완벽하게 이해한 현 시대와 자신들의 운명을 비관적으로 바라보았기 때문이다.
  하지만 아직 풀지 않은 소소한 몇 가지의 문제들이, 하찮은 대상이 아닌 물리학을 대표해왔던 뉴턴 역사의 결점임을 발견하게 되었다. 이를 통해서 현대 물리학의 두 주류인 상대성 역학(Relative Mechanics)과 양자역학(Quantum Mechanics)이 탄생하게 되었다. 변하지 않는 절대적 진리로 믿어왔던 과거 물리학의 약점이, 오랜 시간 동안의 실험과 연구를 통해서 해석의 오류를 찾아낸 것이다.
  현대 물리학의 발견은 과거의 오류에 대한 인간 지성의 승리인 동시에 옳다고 믿어온 신뢰에 대한 균열을 의미한다. 결국 이러한 상상할 수 없는 연구의 결과는 30년이라는 긴 세월을 지나 첫 증거로써 양자역학이라는 현대 물리학을 설명해 낸다.
  
  양자역학의 발단과 개념
  빛나는 과학의 힘이 만들어낸 오늘날의 경이로움은 처참했던 세계대전의 참상 속에서 번영된 비극의 이력으로 시작된다. 1919년 오스트리아(Austria) 황태자 부부가 사라예보( Sarajevo)에서 저격을 당한 시점으로 일어난 제1차 세계대전은, 현대의 훌륭한 과학의 성과를 만들어 낸 역설적 배경을 지닌다. 현재까지도, 지구 안에서 끊임없이 자행되는 분쟁의 위험성은 과학을 발전시킬 수 있는 가장 큰 원동력이 된다는 점에서 지성이 이륙한 가장 씁쓸하고 위대한 업적이 된다.
  특히 전쟁과 함께 번영한 과학의 힘은 뉴턴이 주장한 이론이 현재에 와서 재해석될 수 있는 양자역학을 탄생시키고, 인생과 우주에 대한 인간의 사고방식을 변화시켰다.
  양자역학을 이해하기 위한 개념으로 ‘양자(Quantum)’는 에너지의 덩어리를 의미하는 말로, 띄엄띄엄 떨어진 양으로 되어 있는 무언가를 가리키는 말이다. 이러한 개념에 맞추어 양자역학은 ‘이런저런 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지를 밝히는 물리학의 이론’이라고 정의할 수 있다.
  이렇듯 양자역학은 보이지 않는 미세한 힘과 운동의 체계를 설명하고 있는 역학이다. 양자역학이 발견되기 이전 17세기 물리학자들은 거시적 현상을 기술하기 위하여 고전역학(Classical Mechanics)을 발전시켜 왔다.
  하지만 물체의 속도가 빛의 속도에 가까울 때의 현상을 설명할 수 없었던 고전역학의 한계점은 1905년 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)의 대안으로 상대성 역학이라는 새로운 역학체계를 제시하였다. 더불어 원자와 같은 아주 작은 물체인 극미세계를 이해하기 위한 인간의 탐험은 기존의 과학지식으로 제한적임을 발견하게 된다.
  띄엄띄엄 떨어져 있는 특정의 ‘양자’가 몇 개 있는지 세는 식으로 새롭게 힘과 운동의 관계를 증명하려했던 물리학자들의 시도는 기존 지식의 한계를 깨닫게 되면서, 1927년 아인슈타인, 닐스 보어(Niels Bohr), 아놀드 좀머펠트(Arnold Sommerfeld), 웨너 하이젠베르크(Werner Heisenberg) 등의 많은 물리학자들의 대안으로 양자역학이라는 새로운 역학체계를 제시하였다. 양자역학은 뉴턴역학이 보지 못했던 작고 세밀한 부분을 들여다보는 도구로 설명된다. 예를 들면, 주양자수, 궤도양자수, 자기양자수, 스핀양자수와 같은 전자의 운동으로 전자가 어느 상태에 있는지를 아는 것을 이야기 한다.
  1905년, 아인슈타인은 빛다발의 에너지의 양자화를 가정하였으며, 1911년 좀머펠트는 에너지의 양자화를 통해 위치와 속력의 관계를 연구하였다. 더불어 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 원자핵 발견 실험에 성공하여 원자의 모형을 알아냈으며, 1913년 보어는 수소 원자의 양자화 개념을 제시하였다. 
  이와 같이, 양자역학에서 허용된 값에 대한 연구는 하이젠베르크, 막스 보른(Max Born), 패스큘 요르단(Pascual Jordan)에 의해 행렬역학(Matrix Mechanics)의 정립과 더불어, 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)에 의해 양자역학의 파동함수 모형인 파동역학(Wave Mechanics)으로 다양하게 진행되었다.

  양자역학의 활용
  오랜 시간에 걸쳐 발견하게 된 양자역학의 개념은 일반인들과 더불어, 물리학자 사이에서도 이해하기 어려운 난해함을 가진다. 양자역학에 대한 설명을 담아내고 있는 책에서 조차도 양자역학을 이해하지 못하고 있는 것이 이상한 것이 아닌 지극히 정상임을 전제한다는 점에서 발견의 위대함을 재조명한다.
  21세기의 기술로 각광받는 나노기술 역시 그 근간에는 양자역학의 혁신들이 밑받침되어 있다. 특히 반도체나 초전도체의 기본 구조를 밝혀내는 일과 더불어 양자계산의 개념을 토대로 양자 컴퓨터를 구현하려는 노력이 끊임없이 진행 중이다.
  일반적으로 자연 현상은 연속적으로 변하는 것처럼 보이지만, 물질을 구성하고 있는 소립자에서는 에너지가 불연속적인 값을 갖는다. 미시 세계에서 입자들이 파동처럼 움직일 때 일어나는 양자화는 머리를 빗거나, 합성섬유로 된 옷을 입을 때 발생되는 정전기 현상으로 대표된다.
  아주 작은 세계를 이해하고 설명하려는 호기심에서 발견된 양자역학의 효과는 오늘날 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 자연과학에 더불어 철학, 문학과 예술 분야에서도 발현된다.  
  물리학에서 바라보는 우주의 힘은 강력, 약력, 중력, 전자기력과 같이 4가지로 나뉜다고 말한다. 이중에서 아직 발견해 내지 못한 중력의 힘을 전달하는 입자에 대한 연구 활동 역시 양자역학의 연구가 밑바탕을 이룬다.
  과학자들은 현대의 가장 중요한 이론에 대해 양자역학을 이야기한다. 과학이 발달하고 점점 힘과 에너지의 근본에 가까워질수록 우리가 만나게 될 미시세계는 결국 양자역학의 중요성을 강조한다.
 

양선미 대학원생 기자
ysm1024@cnu.ac.kr