최근 수정 시각 : 2019-05-18 20:18:05

양자역학

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1. 개요2. 역사3. 반응4. 양자역학의 해석5. 곡해
5.1. 불가지론5.2. 양자역학을 오독함5.3. 대중문화적 오용5.4. 사이비의 변명으로 이용
5.4.1. 연예인과 양자역학
6. 여담7. 공부하기 위해 필요한 선행 지식
7.1. 수학7.2. 물리학
8. 교재9. 관련 문서


量子力學 / quantum mechanics

1. 개요

원자분자 크기 단위 이하의 세계(미시 세계)를 다루는 역학. 동의어로는 양자물리학이 있다.

양자역학이 일상 세계에 적용되지 않는 것은 아니다. 양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에서도 적용할 수 있고, 일상 세계에 양자역학을 적용하면 고전역학과 똑같은 결과가 나온다. 그러니까 고전역학보다 양자역학이 적용 범위가 더 넓고, 보편성의 관점에서 볼 때 더 좋은 이론이다. 다만, 일상 세계를 기술할 때는 굳이 더 복잡한 양자역학을 사용하지 않고, 충분히 정확한 고전역학을 이용하는 것뿐이다.

양자역학은 미시 세계뿐만 아니라 일상 세계에서도 적용 가능하지만, 빛처럼 빠른 세계, 그리고 중력이 매우 중요하게 작용하는 세계(예: 우주, 블랙홀 등)에서는 문제가 생긴다. 예를 들어 원자 속 전자를 다룰 때는 미시 세계이므로 양자역학을 써야 하지만, 전자가 아주 빠른 속도로 움직인다면 문제가 생긴다. 또한 블랙홀의 특이점이나 빅뱅의 시작이 일어난 공간은 크기가 아주 작으므로(미시 세계) 양자역학을 써야 하지만, 동시에 그곳은 중력이 아주 큰 곳이므로 문제가 생긴다.

빠른 세계를 다루는 특수 상대성 이론과 양자역학은 디랙에 의해 통합되어 상대론적 양자역학이 탄생되었다. 명확하게 말하면 전자(electron)에 한하여 QED를 통해 디랙이 양자역학과 상대성이론을 묶는 것에 성공했다. 그러나 중력이 매우 중요하게 작용하는 세계를 다루는 일반 상대성 이론과 양자역학의 통합한 이론, 즉 양자중력 이론은 아직 없다. 초끈 이론이 제시되어 있지만, 실험적 검증은 기술적으로 어려워서 아직 이루어지지 않고 있다.

상대성이론과 함께 우주에 기본적으로 작용하는 법칙을 설명하는 이론이다. 현대 물리학은 양자역학과 상대성이론이라는 두 개의 기둥에 의해 지탱되고 있다고 보면 된다.

양자라는 것은 에너지양이 언덕처럼 연속적이지 않고 계단처럼 불연속적이라는 것을 의미하는데, 미시 세계의 핵심 특성이다. 어떤 에너지나 물질이 계(system) 내에서 불연속적이라는 주장은 현대 물리학 등장 이전에도 있었다, 가령 원자론도 실은 물질이 공간 상에서 불연속적이라는 주장이기도 하다. 루트비히 볼츠만은 이 문제로 마흐나 오스왈드와 오랫동안 논쟁을 벌였다. 쉽게 말하자면 우리가 생각하는 에너지 등은 사실 점묘화처럼 가까운(미시 세계) 거리에서 볼 때(양자역학)는 점으로 보이지만 멀리서(거시 세계) 볼 때(고전역학)는 이어져 있는 것처럼 보인다.

양자역학에 대해서 설명하고 있는 영상 유튜브 영상

우리는 양자 샌드위치에 살고 있는 것일까? 유튜브 영상(영어)

2. 역사

양자역학을 설명하고자 할 때 처음에 역사적 흐름에 따라 설명하는 경우가 많다. 그만큼 여러 사람이 기여한 이론이기도 하고, 생소한 개념이 많이 등장하기 때문이기도 하다. 양자역학 발전 순서대로 시행착오를 그대로 반복하면서 이론을 이해하는 방식인데, 무지에서 시작하는 역사적 흐름을 따라가기에 이해가 쉬운 면은 있지만 체계적이지는 않다. 따라서, 보다 체계적인 연역적인 스타일[1]로 설명이 시도되기도 하지만, 아직 양자역학에 대해 모르는 점이 많이 남아 있다는 점이 걸림돌로 작용하곤 한다.

양자가설은 물리학자들이 자신들이 모든 것을 밝혀냈다며 자만하고 있을 때, 독일의 막스 플랑크흑체복사를 '빛에너지는 연속한 게 아니라 덩어리로 되어있다'는 내용의 가설로 설명해내면서 처음 등장했다. 물론 본인은 이를 별로 대수롭지 않게 여기지도 않았고, 아무도 중요하게 생각하지 않았다. 오히려 결정적으로, 물리학에서 볼츠만의 통계적 방법을 썼다는 걸 더 골치로 여겼다. 플랑크가 양자역학의 지평을 연 것은 맞지만, 정작 그는 끝내 양자역학을 거부했다.

몇 년이 지나 알베르트 아인슈타인광전효과를 설명하기 위해서 빛에너지가 진동수에 비례한다는 플랑크의 아이디어를 사용했다. 드 브로이의 물질파 가설로 빛뿐만 아니라 다른 물질에도 적용된다고 주장했고, 닐스 보어가 불연속적인 스펙트럼을 위해 수소 원자 모델을 만들어냈다.

에르빈 슈뢰딩거는 파동의 형태를 가지는 함수(파동함수)를 바탕으로 고전역학에서 슈뢰딩거 방정식을 유도해냈다. 현재로서는 파동함수 그 자체는 아무 의미가 없으며, 파동함수의 크기의 제곱만 '발견 확률'의 밀도라는 의미가 있는 것으로 인정하고 있다. '존재확률'이라고 해도 크게 의미가 달라지지는 않는다. 영의 이중슬릿 실험을 잘못 해석해서 입자가 항상 모든 곳에 존재한다는 주장이 있었으나, 전혀 잘못된 이해이다. 한편 보어의 제자였던 베르너 하이젠베르크행렬 역학이라는 판이한 방식으로 양자역학을 기술하게 된다. 하이젠베르크는 양자역학을 기술할 때 행렬이라는 개념조차 몰랐으며, 처음에는 푸리에 급수를 이용한 무한수열끼리의 곱, 합, 미분을 통해서 계산했다. 이 행렬이라는 개념은 보른이 제안해서 하이젠베르크가 나중에 알게 된 것이라고 한다. 놀라운 점은 각기 다른 두 계산법에서 나온 단순 조화 진동에너지가 완전히 같은 형태를 가지게 된다는 것이다. 결국 이 둘은 같은 해석이라는 게 증명된다. 하지만 슈뢰딩거 역시 끝내 양자 역학을 인정하지는 않았다.

3. 반응

"당신이 달을 보기 전에는 달이 존재하지 않는 것인가?"
- 알베르트 아인슈타인 [2]

양자역학에 대한 이해의 까다로움은 비단 수식적인 복잡함에만 기인하지 않는다. 이에 대해서는 "상식"과 어긋난다는 주장이 많은데, 우선 그 "상식"이라는 게 무엇인지에 대해서 반문해 볼 필요가 있다. 3천 년 전 사람들에게 만일 지구가 해의 주위를 돈다고 이야기를 한다면 도대체 "상식"과 맞지 않는 이야기라며 웃음거리가 될 것이 틀림없다. 결국 상식이란 인간이 지각(知覺)할 수 있는 한계 범위 내로 한정되는 개념일 뿐이며, 우리는 이러한 상식의 한계를 벗어난 개념을 이해하는 것이 고대 이래로 새삼스레 처음 겪는 일도 아닌 것이다.

매우 비상식적인 내용들이 많아서 초기의 물리학자들 중에는 양자역학을 인정하지 않는 사람들도 많았다. 아인슈타인은 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"고 말했는데, 이는 우리가 확률적으로밖에 예측할 수 없는 이유는 숨은 변수들을 모두 알지 못하기 때문이라는 생각에서 나온 것. 소위 말하는 라플라스의 악마 같은 개념이다. 불확정성 원리 이전에는 이런 뉴턴역학에 기반한 사고방식이 주류에 가까웠다. 하지만 1960년대 Bell을 포함한 일련의 실험 결과 이러한 학파는 부정되었다. 적어도 국소적 숨은 변수 이론은 불가능하다는 것이 1984년의 실험에서도, 2016년의 실험에서도 증명되었다.

보어와 베르너 하이젠베르크를 필두로 한 코펜하겐 학파가 내놓은 코펜하겐 해석에는 양자역학에 대한 철학적 해석도 가미되어 있다. 파동함수의 붕괴가 평행우주들을 만들고 우리가 사는 세상은 그중 하나라는 다세계 해석이 제창되기도 했다. 이러한 학설들은 아직까지 이론과 식으로만 존재하지 검증할만한 방법이 없어 물리학으로 보지 않는 견해가 있다.

상식적으로도 말이 안 됨에도 불구하고, 양자역학은 실험결과만으로 이를 반대하는 과학자들을 꿀 먹은 벙어리로 만들고 현대 물리학의 주류로 올라섰다. 말도 안 되어도 실험 결과는 정확하게 나오니 인정할 수밖에. 보어-아인슈타인 논쟁에서도 보수적 성향의 아인슈타인이 진보적 성향의 보어에게 매번 논파당하다시피 했다. 당장 양자역학 초기에 수행되었던 전자의 파동-입자 이중성을 밝히는 이중슬릿 실험 결과조차 학계에서 논란을 일으켰는데[3], 하물며 일반 상식선은 더 이상 말할 필요가 없다.

양자역학은 굉장히 정확하나, 빠르게 움직이는 작은 입자에서는 양자 역학이 완전히 먹혀들지 않는다. 왜냐하면 빛의 속도에 가깝게 움직일 때는 상대성이론까지 적용되기 때문이다. 그래서 이걸 상대론적 양자역학이라 부른다. "특수 상대성 이론+양자 역학"인데, 뭐...이름만 봐도 알겠지만, 어렵다. 미치도록 어려운 이론 두 개를 섞어뒀으니 더 이상 말할 필요가 있을까. 이를 해결하기 위해 1960년대부터 양자 전기역학(Quantum ElectroDynamics)이 리처드 파인만이나 도모나가 등에 의해 시작되었다. 엄밀히 말해서 상대론을 적용시킨 양자역학은 양자장이 맞지만, QED도 결국 큰 틀에서 보면 양자장이론의 일부이다. 이러한 상대론적 양자역학은 빛과 물질을 완전히 동일하게 보는 이론으로, 수학적으로 불분명한 점이 존재하지만 현실을 거의 완벽하게 예측한다. 이에 대해 파인만은 다음과 같은 비유를 제시한 적이 있다. "(양자 역학의 정확도는)북아메리카 대륙의 폭을 측정하는 데 생기는 오차가 머리카락 굵기의 크기 정도로 나는 것과 같다."

양자 역학에 대한 일부 과학자들의 한마디.
나는 매우 늦은 밤이었음에도 불구하고 몇 시간이나 이어지다가 절망에 휩싸여 끝났던 보어(Bohr)와의 토론을 기억하고 있다. 토론이 끝나고 홀로 근처의 공원을 산책하면서 나는 나 자신에게 끊임없이 되물었다. 우리가 원자에 대한 실험을 할 때 보이는 것처럼 자연이 정말 그렇게 불합리하며 모순적일 수 있는가?
- Werner Heisenberg(베르너 하이젠베르크) 曰
I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics.
그 어느 누구도 양자역학을 이해하지 못한다고 말하는 것이 괜찮을 것 같은 생각이 드네요.
양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 말해도 별로 화내는 사람은 없겠죠.
- Richard Feynman(리처드 파인만) 曰
We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery. We cannot make the mystery go away by explaining how it works... We will just tell you how it works. In telling you how it works we will have told you about the basic peculiarities of all quantum mechanics.
우리는 고전적인 방법으로는 해석이 불가능한, 그러니까 절대로 불가능한 현상을 연구하려고 하고, 이 현상은 양자 역학의 핵심을 담고 있습니다. 사실 이 현상에는 수수께끼만이 있을 뿐입니다. 우리가 이 현상의 원리를 설명한다고 해서 그 수수께끼가 사라지게 할 수는 없습니다. 다만 우리는 그 현상의 원리를 제시할 따름입니다. 동시에 모든 양자 역학의 기본적인 특이점도 함께 말이지요.
- Richard Feynman(리처드 파인만) 曰
Anyone who can contemplate quantum mechanics without getting dizzy hasn't properly understood it.
양자역학을 연구하면서 머리가 어지럽지 않은 사람은 그걸 제대로 이해 못 한 겁니다.
- Niels Bohr(닐스 보어) 曰
While the theory agrees incredibly with experiment and while it is of profound mathematical beauty, it makes absolutely no sense.
이론이 실험과 믿을 수 없을 만큼 일치하고 동시에 심오한 수학적 아름다움을 가졌지만, 전혀 말이 되지 않습니다.
- Roger Penrose(로저 펜로즈) 曰

4. 양자역학의 해석

5. 곡해

곡해를 논하기 앞서 사실관계부터 정리한다면, 아래에 논할 내용과는 별개로 주류 물리학자들도 양자역학의 해석[4]을 위해 철학적으로도 논쟁을 벌였다. 논쟁의 질은 별론으로 하더라도 논쟁에 따른 결과물을 내지는 못했다.

이러한 철학적 논쟁을 사고실험으로 옮긴 것이 슈뢰딩거의 고양이인데, 입증은 둘째치고 이 실험이 현실로 구현되기 전에 이 논쟁이 과학을 벗어나 철학 쪽으로 옮겨가면서 자연히 과학의 관심에서 멀어지게 되었다. 2000년대 중반에 들어서야 이 사고 실험을 현실 규모에서 구현할 수 있게 되었고, 2010년대 중반에 들어서야 사고 실험이 의도하는 바를 입증할 수 있게 되었다.

5.1. 불가지론

양자역학을 완벽히 이해한 사람은 아무도 없다고 자신있게 말할 수 있습니다.
-Richard Feynman (리처드 파인만)

파일:external/pip.gist.ac.kr/thumb-2887391489_uCNh4dZt_EC9C84EB8C80ED959C_EBACBCEBA6ACED9599_EC97ACEBA1A0ECA1B0EC82AC_2015_0102_730x318.jpg
더불어 전문가들이 생각하는 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론 1위이다. 또한, 전체 이론 중에서도 3위라고 한다. 1위는 태양 중심설, 2위는 진화론이다. 4위는 상대성 이론, 5위는 특수 상대성 이론이다.

이론의 초창기에 이런 미시적인 세계에서 에너지나 각운동량 등 물리량이 양자화(불연속적인 값을 가짐, Quantization)되는 현상의 발견으로 인해서 붙여진 이름이다. 대중적으로 비교적 유명한 것이 광양자와 전하. 위치와 속도(운동량) 등 서로 다른 상태를 동시에 정확히 결정할 수 없다는 불확정성 원리에서 존재 가능한 상태들이 중첩되어 있다가 관측되는 순간 하나의 상태로 확정된다는 난해한 얘기 등이 있다.

관측하면 그것으로 인해 상태가 정해진다는 얘기. 그런데 이 관점은 이미 원인과 결과는 정해져 있는데, 마치 우리가 확률적으로 접근하여 오독이 생길 수도 있지 않냐는 이야기로도 볼 수 있다. 물론 이러한 근본에 대해 정확한 답은 세상 그 어떤 물리학자라도 줄 수 없다. 다만, 이런 현상이 정확하게 무엇인지를 이해하는 것을 접어두고, 양자역학을 통해 얻은 결과를 어떻게 바라보면서 현상을 설명해야할 것인가에 대해 주안점을 가지게 된다. 관측되기 전에는 어떤 상태로 존재할지의 확률만이 있을 뿐이라고. 슈뢰딩거의 고양이 참조. 이전 뉴턴의 거시물리학을 통째로 부인하는 내용인지라 양자역학 초반에는 이것 때문에 과학자들 사이에서도 욕을 엄청 먹었다. 아인슈타인마저도 까댔을 정도니까.(벨의 부등식 참조.)

모든 물질은 파동의 성격을 가지고 있다는 물질파 가설 등의 내용도 포함되어 있다.

이해가 안 되는 내용이다. 그런데 인간의 언어는 상식적인 것을 표현하는 데 맞추어져 있어서, 이런 내용을 표현하려고 하면 잘 안 된다. 간단한 예를 들면 지금 방에 누워 있는 당신이 갑자기 옆 방으로 순간이동, 실제로 벽을 뚫고 그 곳에 나타날 확률이 완전한 0%가 아니라는 이론인데(...),[5] 그래서 아예 물리학자들은 핵심 개념의 의미, 기본 원리부터 세부 사항까지 전부 수학으로 표현[6]해 놓았다. 미적분은 당연히 포함되어 있고, 선형대수가 많이 이용된다. 물리에서 수학을 언어로 사용한다는 예 중의 하나.

여담이지만 이점에서 자주 오해하는 부분이 그러니까 '수학자=과학자(물리학자)' 라는 걸로 생각하는 사람들이 많은데, 아무리 해봐야 물리에서 쓰이는 수학은 순수 수학에서도 일부분이며, 전체적인 수학으로 봤을 때도 극히 일부분이다. 물리학에서 쓰이는 수학은 대체로 19세기까지 발달한 수학이며, 미적분학+선형대수+미분방정식으로 커버가 가능하다. 20세기부터 발달한 현대수학은 대수학과 실해석학이 중심이며, 이런 것들은 물리학에서는 거의 쓰이지 않는다.[7] 그래서 19세기까지는 수학자와 물리학자의 경계가 모호했지만[8] 현재는 수학자와 물리학자는 노는 물이나 쓰는 "근육"이 전혀 다르다는 것을 명심할 필요가 있다. 사실 이건 케이스 바이 케이스다. 예를 들어 미국의 수학자 야우 싱퉁은 칼라비-야우 다양체 연구로 초끈이론의 중요한 역할을 하였고 초끈이론의 선구자인 에드워드 위튼필즈상을 받기도 하는 등 수학과 물리학 각 분야에서 많은 교류를 하고 있다. 비유를 하자면, 수학자들은 수식으로 논리를 풀어낸다면, 물리학자들은 수식과 물리적 실체를 대응시킨다고 할 수 있다.

양자 역학은 미시 세계에만 적용되므로 우리 일상과는 아무 관련이 없다고 오해받는 경우가 많은데, 과학기술의 발달로 인해 이미 우리 일상 생활은 미시 세계와 밀접한 연관이 있기 때문에 이는 잘못된 생각이다. 당장 컴퓨터만 해도 그 원리에 양자 역학 이론이 중요한 역할을 하고 있으며(예를 들어 CPU[9], 하드 디스크[10]), GPS[11]에도 양자 역학의 원리를 이용해 작동하는 것들이 포함되어 있다. 물론 그 근간을 이루는 과학을 이해하지 못해도 GPS나 컴퓨터를 이용하는데는 아무런 지장이 없지만, 양자 역학이 실용과는 무관한, 학자들의 지적 유희에 지나지 않는다는 생각은 큰 착각이라는 이야기.

5.2. 양자역학을 오독함

"(양자역학에 관하여) 비전문가, 철학자, 또는 고전물리학자들에게, 입자가 잘 정의된 위치 (혹은 운동량이나 스핀 각 운동량의 x 방향 성분, 혹은 무엇이라도.)를 가지고 있지 않다라고 말하는 것은 모호하게 들리거나 무능력하게 들리거나 혹은 (최악의 경우) 심오하게 들리기까지 한다."[12]
-그리피스, 자신의 책에서 양자역학이 무엇인지에 대해 다루며[13]

앨런 소칼과 장 브리크몽은 앨런 소칼의 지적 사기 사건을 일으키면서, 물리학자들의 이야기를 양자와 고전물리학을 전혀 모르는 채로 곧이 곧대로 들어서는 안 된다고 말한다. 그는 양자역학의 내용은 전혀 모르면서, 물리학자들이 하는 불평만 듣고 특이한 여러 철학적 개념을 만드는 것은 사람들을 현혹시키는 일일 수 있다고 지적한다. 그리고 이 점에서 물리학자들이 유사-종교적(quasi-religious)이었다고 비난하였다. 소칼과 브리크몽은 물리학자들 스스로가 혼란을 일으킨 분야에서 물리학자가 아닌 사람들을 이 문제에 대해서 비난하는 것은 불공정하다고 생각하였다.

5.3. 대중문화적 오용

양자역학의 관찰개념은 양판소 등에서 어떤 이능력을 설명하는 데우스 엑스 마키나로 쓰이는 경우가 많으며, 특히 재패니메이션에서 이런 경향이 두드러진다. 어떤 설명할 수 없는, 물리적 상식을 초월한 현상이 나타날 경우 연출에서 적당히 양자역학과 관련된 진술들을 섞는 식으로 활용되며, 아예 대놓고 사이비적 관점을 물리학 주류 이론인 것처럼 떠드는 경우도 태반이다. 대표적으로, 이 관찰자의 위치에 있는 인간의 의지가 모든 것들을 좌우할 수 있다는 식의 장광론이 그것이다. 물론 물리학적 가설들을 활용하는 장르물은 흔한 것이지만, 이 경우에는 어떤 참신함도 없이 간편하게 가져다 쓰는 것이 첫째 문제이며, 대중에게 잘못된 방식의 이해를 퍼뜨리고 있다는 것이 둘째 문제이다.

5.4. 사이비의 변명으로 이용

위와는 별도로 각종 사이비 과학이나 미신에서 변명으로 종종 나오는 것이기도 하다. "양자 역학은 기존 상식에 어긋나는 사실이니 내 말도 맞을 수 있지 않느냐?" 라는 식으로 나오는 게 다반사인데 이는 양자 역학이 "상식을 깨는 과정"을 통편집하고 하는 말이다. 거시세계에서의 수많은 실험과 관찰의 결과가 양자역학을 뒷받침하는 근거가 된다. 다시 말해 실험 결과에서 태어난 이론이며, 애초에 현대 물리학은 실험 중심적으로 패러다임이 이동한 지 오래되었다. 그러나 대다수의 사이비 과학이나 기타 미신들은 아에 실험 자체가 공정하지 못하거나, 관찰 되는 현상을 자기 멋대로 해석하거나, 관찰 자체가 불가능한 경우가 많다. 지동설은 현재는 상식이지만, 400~500년 전만 돌아가도 지동설은 세계적으로 그렇게 자리 잡지 못했던 학문이고, 몇 백 년 전까지만 해도 진화론도 당시에는 상식 밖의 주장이었다. 허나 당시에는 헛소리 혹은 이단 취급 받던 지동설이나 진화론은 숱한 실험과 관찰의 결과를 근거로 부정할 수 없는 사실의 영역에 들어서고 있다. 하지만 지동설과 진화론이 기존의 상식을 깼다고 다른 상식이 줄줄이 다 깨지는 것은 아니다. 양자 역학이 기존의 상식의 깨는 주장일 수 있으나, 그렇다고 다른 망상을 정당화할 근거가 되진 않는다.



사이비의 또 다른 예시다. 33분부터 물은 답을 알고 있다를 주장하는 내용도 나온다. 이 다큐멘터리가 사이비 과학이라는 비판을 받는 이유는 양자역학적 현상을 비과학적으로 해석하여 이상한 결론을 이끌어 냈기 때문이므로, 실험 결과가 정확하게 나오니까 섣부른 판단은 하지 말자는 소리 같은 게 있는데 이는 사이비 과학쪽으로 편향된 의견이다. 더군다나 이 다큐멘터리에서 사이비 과학적 주장을 하는 사람들은 학계에서 인정받는 저명한 교수들이 절대 아니다! 오히려 하버드 대학교 물리학 교수인 리사 랜들을 비롯한 저명한 과학자들은 이 다큐멘터리를 사이비과학이라며 인정하지 않는다. 누차 말하지만, 양자 역학은 인간 인지와 관련된 학문도 아니고, 원자 단위 이하를 다루는 학문이다. 자세한 내용은 영문 위키피디아를 참고하도록 하자.
이 다큐멘터리에 관해 이론물리학자가 책에서 적은 글이 있다.
그러한 잘못된 생각은 마크 비센테(Mark Vicente, 1965년~)와 가졌던 놀라운 대화의 중심 주제였다. 마크는 과학자들을 황당하게 만드는 다큐멘터리 영화 삐 소리가 무엇인지 아는가?(What tнē #$*! D̄ө ωΣ (k)πow!?)의 감독인데, 이 영화에 나오는 사람들은 인간의 존재가 실험에 영향을 미친다고 주장한다. (중략)
이 영화를 보고 내 강의에 와서 엉뚱한 질문을 던지는 사람들이 워낙 많았기 때문에 사실 나는 그의 영화가 낯설지 않았다. 마크의 대답은 나를 놀라움에 사로잡히게 했다. 그는 ‘전향’했던 것이다! 그는 자신이 처음부터 선입견을 가지고 과학이라는 주제를 다뤘으며 그 선입견을 별로 의심하지 않았다고 털어놓았다. 게다가 당시 그가 가졌던 선입견을 이제는 종교적인 것이었다고 평가한다고까지 이야기했다. 마크는 그가 영화에서 보여준 것은 과학이 아니라고 최종적으로 결론지었다. 인간 스케일 수준에서 일어나는 양자 역학적 현상들은 아마도 그의 영화를 본 사람들을 피상적으로 만족시켰겠지만, 과학적으로 옳은 것은 아니었다.
새로운 이론이 기존의 것과 근본적으로 다른 새로운 전제를 필요로 한다고 해도, 양자 역학이 확실히 그랬듯이 그것이 참으로 타당한 것인지 최종적으로 결정하는 것은 제대로 된 근거를 갖춘 과학적 논의와 실험뿐이다.
- 리사 랜들. 2015. 천국의 문을 두드리며 : 우주와 과학의 미래를 이해하는 출발점. 서울: ㈜사이언스북스. P36-37

5.4.1. 연예인과 양자역학

여담으로 가수 박진영이 양자역학 공부에 심취해있다고 한다. '우리가 왜 사는지'에 대한 답을 찾다가 절대자 존재 여부, 우주의 본질에 대해 관심을 가지게 됐으며, 그 결과 빅뱅이론 및 양자역학 등 물리학과 생물학 공부를 하게 됐다고 한다. 관련 인터뷰 1 관련 인터뷰 2 참고로 박진영은 원래 공대생이었다(지질학 전공). 2015년 11월 23일자 힐링캠프에 출연해서는 자신의 뇌구조를 설명하며 양자역학에 빠져 있다고 밝힌 바 있다.

파일:jyphealcampsbs1.jpg
파일:jyphealcampsbs2.jpg
파일:jyphealcampsbs3.jpg
파일:jyphealcampsbs4.jpg
19금이 저렇게 작을 리가 없는데 2016년 9월 11일 tvN 문제적 남자 방송 중 박진영에 대한 얘기가 잠시 나왔는데[14], 출연자 중의 한 명인 하석진이 박진영은 자신의 고등학교 선배라면서, 박진영이 양자역학에 빠져있다고 말하였다.
파일:JYP양자역학.jpg

2015년에 발표된 브라운 아이드 걸스의 앨범은 양자역학을 컨셉으로 잡았다고 밝힌 바 있다.
일단 이번 앨범 얘기부터 해볼게요. 양자역학 컨셉트. 이게 좀 어렵다는 평가가 있었죠.

나르샤 : "우리에게 어려웠던 음악이 맞아요. 공부 잘하는 미료만 좋아했죠. 하하."

미료 : "조영철 부사장님과 통했어요. 관심있던 주제였어요. 어떻게 대중음악에 녹일 수 있을까. 도전이었죠. 다른 멤버들은 ‘멘붕’이 왔고요."

제아 : "저는 일단 수록곡을 쓰니까, 양자역학 컨셉트를 듣고는 담이 왔어요. 노래를 어떻게 쓰라는 말이지. 너무나도 힘들었어요. 근데 그런 고민 속에서 한 단계 성장한 거 같아요. 남들이 하지 않은 주제잖아요. 정말 고민을 많이 한 앨범이에요. 트랙을 모두 듣는데 눈물이 나더라고요."
출처: [브아걸 취중토크①] "양자역학 컨셉 듣고, 담이 왔다." 일간스포츠. 2015.11.26.
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▲ 2015년 라디오 스타에 출연한 나르샤의 브라운 아이드 걸스 새 앨범 컨셉 설명

6. 여담

일반적으로 칭하는 양자역학은 물리학과와 화학[15] 학부 수준이고, 대학원에선 더 골치 아픈 것들을 배운다. 물론 재미도 있다. 재미? 학부에서는 주로 2~3학년 때 배운다.

학부에서 배우는 것은 맛보기에 불과하고, 대학원에서는 연구를 하기 위해 필요한 깊은 내용을 역시 맛보기하는 수준. 양자 역학에 대한 깊은 지식을 쌓으려면 직접 연구에 뛰어들고 수업에서 가르치지 않는 어려운 내용은 알아서 공부해야 한다. 학부에서 배우는 건 2체문제까지이지만, 대학원에서는 3체를 배우고, 박사과정에서는 확률론적 변분원리를 써야 하는데, 어렵다! 참고로 슈퍼컴퓨터로 해결가능한 것은 4체문제까지. 일단 양자 역학의 최첨단은 수많은 학설들이 중구난방하고 있는 상태라 제도권 교육에서 가르칠 통일된 학설이란 건 애초에 존재하질 않기 때문. '코펜하겐 해석'조차 30년 가까운 격한 논쟁(보어-아인슈타인 논쟁) 끝에 겨우 주류 학설로 받아들여졌으니 말 다했다.

디랙 이후로 특수 상대성 이론까지는 양자 역학에 포함하는 것이 어느 정도는 가능해졌지만, 일반 상대성 이론까지 포섭하는 길은 아직도 멀기만 하다.

대안으로는 초끈이론이라든지 이것저것 대두되고 있는 듯 하지만 확실히 해결 본 것은 없다. '중력'의 문제가 아주 골치 아플 정도로[16] 가장 큰 탓이다. 실제로 아인슈타인은 중력문제를 가지고 양자 역학을 인정하지 않았고 반대로 보어는 아인슈타인의 실험근거를 중력의 작용으로 부정하기도 했다.

그런데 이 대안이라는 녀석도 시공이 11차원이라느니, 진동하는 끈에서 모든 기본 입자가 나왔다느니, 심지어는 시간과 공간마저 이 끈의 진동에서 나왔다고 주장하기도 한다. 어쨌든 골치 아픈 게 참 많다. 초끈이론은 양자역학과는 달리 아직 실험으로 단 한 번도 검증되지 않았다.

보어-아인슈타인 논쟁은 끝난 지도 벌써 반세기가 넘었지만, 오히려 이 때문에 양자역학이 길을 잃었다는 평가도 있다. 30년 가까이 병림픽이 벌어졌지만 양자역학에 대한 보어와 아인슈타인의 근본적인 견해는 달랐다. 이 견해 차이는 논쟁이 끝나도록 끝내 극복하지 못했다고 한다. 논쟁 자체의 승패는 보어의 판정승으로 평가된다.

양자통신을 이용한 암호 시스템이 연구 중. 실용화까진 좀 기다려야 할 듯.

양자컴퓨터라는 것이 개발 중이다. 자세한 사항은 문서 참고.

이 분야를 이용한 SF소설계의 걸작으로 그렉 이건쿼런틴이라는 소설이 있다. 배경이 이 모양이니 소설 내용도 카오스스럽다(…). 하드SF의 전통에 충실한 섬세한 기술 묘사는 물론, 후반부에는 소설의 시제 자체를 양자역학에 맞추어 변환하는 등의 실험적인 문법을 선보이기도 하는데… 어쨌거나 이런 사변론적 SF의 걸작 중 하나다. 양자역학과 관련된 관측[17], 자유의지, 확률, 결정론, 다세계 이론 등의 주제들을 큰 무리 없이 한 이야기에 몰아넣은 것만으로도 충분히 읽어볼 만한 걸작이다.

고등학교에서 이과, 그중에서도 물리Ⅱ를 선택하면 마지막에 배우게 된다. 그래도 아주 헬게이트는 아니고 개정 전 물리 2의 핵물리 단원처럼 기본적인 사고의 방향만 제시하고 끝난다...만 슈뢰딩거 방정식교과서에 적어놓은 게 문제. 갑자기 편미분이 튀어나온다. 애초에 고교과정에서는 심지어 수학 과목에서조차 미분방정식을 다루지 않는다(...). 지만 F=ma도 엄밀히 말해서 미분방정식이다 2015 개정 교육과정에선 이 내용이 삭제된다.

양자역학을 응용한 양자생물학에 관한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 그중 데이비드 봄의 양자역학에 대한 해석도 큰 역할을 하며 지금은 그 제자들이 데이비드 봄의 해석을 가지고 점점 양자역학의 주류가 되어가고 있다.

부산대 김상욱 교수 양자역학 오디오 강의
부산대 김상욱 교수 양자역학 오디오 강의 심화편

한양대학교 자연과학대학 양자역학 I 강의
한양대학교 자연과학대학 양자역학 II 강의

과거 수능 언어 영역 문제에 양자역학의 미스테리함을 다룬 지문이 출제된 적이 있었는데 사실상 출제 문제에 오류가 있었다.[18] 양자역학에 대한 지식이 없다면 완벽한 이해를 기반으로 풀 수 없는 문제가 있었기 때문. 다만 문제를 푸는데는 사실상 문제가 없었기에 들고 일어나는 사람이 없었다. 손 꼽히는 국어 강사가 실제 당시 의의제기를 신청했지만 논리적인 답변이 돌아오지 않았고 '이상 없음' (...) 이라는 답만 돌아왔다고한다. 심지어는 이대 교수가 소논문으로 해당 문제를 다시 비판했다. 이 논문에서는 한 발 더 나아가서 문제에만 오류가 있는 것이 아니라 아예 제시되어있는 지문 자체에 오류가 있었다고 지적했다.


7. 공부하기 위해 필요한 선행 지식

아래는 주로 학부 기준으로 쓰여 있다.

7.1. 수학

기본적으로 미적분학선형대수학 지식이 필요하다. 미적분이야 워낙에 기본적인 개념이고, 선형대수학은 행렬식, 벡터공간, 내적, 고유치 문제, 대각화 등의 개념을 알고 있어야 한다. 다만 수학과에서 요구되는 심화된 내용이나 수치해석에서 나오는 각종 decomposition, method들을 공부할 필요는 없으며, 수학과에서처럼 증명을 집요하게 물고 늘어질 필요성도 없다. 다만 기본적인 내용에 대한 증명은 어느 정도 필요하다. 가령 Hermitian인 연산자의 고유치가 왜 실수인지 등등... 각운동량을 표현할 때 군론이나 텐서의 개념이 들어가지만, 이는 보통 학부 수준을 넘어가는 주제이다. 하지만 군론양자역학, 고전역학에서 다루는 연산자의 중요한 특성에 관한 내용을 다루기 위해 반드시 심도있게 공부할 필요가 있다. 학부 수준을 뛰어넘는 주제이고 사실상 학부 커리큘럼에서 그룹에 관한 내용을 선수할 시간과 기회가 적지만 양자역학을 단순히 학점을 받기 위함이 아닌 이해를 목적으로 한다면 반드시 공부해야 하는 주제이다. 사쿠라이 Ch. 3에서 비교적 가볍게(SO(3), SU(2)정도만) 다루며 최근 개정된 Mathematical Methods for Physicists 7th edition(Arfken)의 Ch. 10에서 물리학에서 사용되는 군론에 대한 내용을 심도있게 다룬다.

슈뢰딩거 방정식이 편미분방정식이기 때문에, 상미분방정식과 편미분방정식에 대한 이론은 어느 정도 알고 있어야 한다. 다행스러운 점은 그나마 슈뢰딩거 방정식이 선형이라는 점이다. 때문에 편미분방정식의 변수분리법과 각각의 상미분방정식의 풀이만 알고 있으면 이 이상으로 심화된 미분방정식 이론을 알 필요는 없다. 학부기준으로 슈뢰딩거방정식을 푸는 방법론 크게 두가지인데 첫째로 수소원자에서 전자의 운동, 헬륨이온에서 전자의 운동을 기술하는 슈뢰딩거방정식을 구한 뒤, 그 방정식의 해로서 특수함수를 배우고(이런 방정식은 이렇게 푼다라고 미리 풀이법이 정해져있다, 학부 양자역학과목에서 맛보기로 배우거나 대학원 수리물리학과정에서 한학기 내내 배운다) 둘째는 방정식을 적절히 근사시켜서 푸는법을 배운다. 그린함수 역시 근사의 한 방법. 다만, 슈뢰딩거 방정식을 미분방정식에서 '적분방정식'으로 바꾸는 과정에서 그린 함수(Green's function)의 개념이 들어간다.

한편, 슈뢰딩거 방정식을 풀다 보면 자연스레 괴상한 함수들이 마구잡이로 튀어나오는데, 너무 걱정할 필요는 없다. 이런 특수함수들은 양자역학 교재에 기본적으로 간략하게 표를 주거나 수리물리학 책에 자세히 설명되어 있다. 수소 원자 등을 표현할 때 나오는 구면 조화 함수 정도가 중요하게 여겨진다. 나머지 에르미트 다항식, 베셀 함수 같은 것들은 사실 표 없이 함수 자체를 쓰기도 힘들고 적분도 매우 힘든 함수들이라 굳이 수리물리학의 특수함수 파트를 빠삭하게 알 필요는 없다. 함수의 개형과 대칭성 정도만 알고 있어도 충분하다. 대학원과정의 수리물리학을 배우면 한학기내내 각종 슈뢰딩거방정식의 해를 공부한다. 다만 당신의 교수님이 완벽한 계산을 바란다면...

푸리에 해석에 대해서도 알고 있는 것이 좋다. 애초에 파동함수가 파동이고, 파속의 개념을 설명하기 위해 실공간에서 운동량 공간으로의(혹은 그 반대로의) 전환을 위해 푸리에 변환이 쓰인다. 또한 위에서 미분방정식을 풀 때 푸리에 급수가 쓰이는 것도 당연. 반면에 라플라스 변환은 아예 등장하지 않는다. 사실, 물리학과 과목 전체를 통틀어도 라플라스 변환을 볼 일이 거의 없다. 가끔가다 어떤 미방을 보고선 라플라스 변환을 쓰면 더 쉽게 풀릴것 같은데? 스러운 문제들이 있긴 하지만 그걸 위해서 라플라스 변환을 공부하는건 비효율적이라고 판단한건지 수리물리학 정도를 제외하면 찾기 힘들다. 수리물리학 책에서도 분량이 코딱지만하다.

복소해석학은 애매하다. 위에서 언급된 그린 함수를 구하는 과정에서 그나마 코시의 적분정리가 쓰이는 정도이고, 그 외에 복소해석학은 물리나 공학에서 어려운 적분을 하기 위한 테크닉에 불과한지라...

7.2. 물리학

고전역학전자기학의 개념을 알고 있어야 한다. 양자역학의 해밀토니언이 고전역학의 해밀토니언에서 출발하고, 양자 조화 진동자 또한 고전적인 조화 진동자 문제의 확장이고, 기타 여러 양자역학 계의 극한이 바로 고전역학이므로 (비선형동역학이나 비관성계, 강체의 복잡한 운동과 같은 주제들을 빼면) 고전역학의 기본적인 내용을 반드시 알아야 된다. 라그랑지언파인만경로적분을 배우게 된다면 필요할 수도 있다.

또한 쌍극자의 개념이나 스타크/제만 효과, 혹은 란다우 준위와 같은 것들을 이해하기 위해서 전기장이나 자기장, 벡터 퍼텐셜과 같은 개념들 또한 필요하다. 또한 전자기파가 무엇인지 알아야 시간 의존 섭동 이론으로 원자의 전자기파 흡수/방출에 대해서 분석할 수 있다.

콤프턴 산란이나 수소 원자의 에너지 준위 보정을 위해서 상대론적 효과가 필요하긴 한데, 단지 E2=(pc)2+(mc2)2E^{2} = (pc)^{2} + (mc^{2})^{2} 정도만 알고 있으면 되고 복잡한 텐서 표기법은 몰라도 상관없다...지만 만일 상대론적 양자역학을 학부 때 나간다면...

열역학은 굳이 필요없다. 아니, 오히려 양자역학이 열역학의 상위호환인 통계역학을 이해하는 데 필요한 도구가 된다.

이렇듯 양자역학을 공부하기 위해서 꽤나 많은 내용들이 필요하므로, 그 충격을 덜기 위해서 현대 물리학이라는 과목이 개설되어 있고 이를 통해서 양자역학의 기초 개념을 공부하게 되는 것이다.

8. 교재

화학자와 물리학자들, 그리고 공학자들의 양자역학에 대한 관점과 적용이 각각 다르기 때문에 가르치는 포인트도 다르고, 그래서 교과서도 다르다. 많은 화학 학부과정 교과서는 앳킨스, 레빈, 맥쿼리가 쓴 책이 주로 쓰이고 그 외에 모든 물리화학 교과서에서 기초적인 내용을 가르친다. 물리학과의 경우 학부의 경우 Griffiths, Liboff, Gasiorowicz가시오가피 등과 대학원의 경우 Merzbacher, Sakurai, Messiah 등 수십 종에 이르는 걸출한 교과서들의 동시 공격을 견뎌내야 한다. 공학에서도 전자공학에서 보는 양자역학 책과 재료공학에서 보는 양자역학 책이 각각 다르다. 보통 전자공학에서는 물리전자 같은 과목을 통해서 양자역학 지식을 습득하며, 대표적으로 Streetman & Banerjee의 저서가 쓰인다. 반면 재료공학에서는 물리화학 같은 과목에서 McQuarrie의 책 등이 쓰인다. 양자역학 교과서에 대한 더 자세한 정보는 양자역학/교재 참조. 현대 물리학의 간판분야라 그런지 물리학 하위 분야 문서 중에 유일하게 별도로 교재 항목도 있다

이화여대 김찬주 교수의 양자역학 참고 서적 소개

9. 관련 문서


[1] 대부분의 이른바 '학문'이라는 체계가 이런 식으로 설명되어 있다. 간단한 내용부터 차근차근 논리적으로 조립한다는 느낌이라서 저자 편에서 설명하기도 편리하다.[2] 2018학년도 대학수학능력시험 9월 모의평가 국어 비문학 지문중 양자역학과 LP를 다룬 지문에서 인용된 바 있다.[3] 이의 반대 개념인 광전효과도 마찬가지. 아인슈타인이 노벨상을 타게 된 이론이지만, 논란 끝에 궁여지책으로 선정되었다는 일화는 꽤 유명하다.[4] 여기서는 광전효과와 전자의 이중슬릿실험이 무엇을 뜻하는지로 보아도 무방하다.[5] 물론 불확정성 원리에 따라 거시적인 세계에서는 이런 일이 일어날 가능성이 0%에 수렴한다. 다만 양자에 한해 눈에 띄는 현상이라는 소리다. 완벽하게 0이라고는 안했다.[6] 이것은 어떻게 보면 어쩔 수 없었는데, 앞서 글에서 설명한 것과 같이 고전역학이나 (조금은 힘들겠지만) 전자기학과 같이 과정과 결과를 보고 법칙을 구체화할 수 있는 방법을 사용할 수 없다. (당연히 전자와 같은 매우 작은 것들끼리의 현상이기 때문에 우리가 과정을 알 수 있는 방법은 아직까지 존재하지 않는다.) 적어도 수학은 논리학의 도구로써는 명제가 틀리지 않는 한 완벽하기 때문에, 마치 수학과 같이 명제를 전제로 두고 수학만을 사용하여 결과까지 도달하는 방법을 사용할 수 밖에 없었다. 그러나 다행히도, 여태까지 양자역학의 대전제에서 벗어나거나 잘못된 대전제를 설정하였다는 흔적이나 증거는 발견된 적이 없다.[7] 상대론이나 소립자 물리학에서는 현대수학적 요소가 약간 쓰인다.[8] 그래서 아이작 뉴턴, 라이프니츠, 라그랑주이나 파스칼의 경우 수학과 물리학에서 동시에 업적을 남길 수 있었다.[9] CPU의 핵심 소재인 반도체를 이용하고 개발하는 방법은 철저히 양자역학적으로 다루어지고 있다. CPU=컴퓨터라고 해도 과언이 아닐 정도로 중요한 부품이라는 점을 생각해보면, 오늘날의 컴퓨터 성능은 양자역학을 사용하지 않고서는 절대 도달할 수 없는 경지이다. 양자역학 없이 만들어진 컴퓨터가 있긴 있다. 현대 문명이 컴퓨터에 얼마나 의존하고 있는지를 생각해보면 양자역학이 실생활에 미치는 영향의 막대함을 짐작해 볼 수 있다.[10] 거대자기저항(GMR)이라는 양자역학적 자기저항의 이론을 적용함으로써 하드 디스크의 용량을 크게 증가시켰다. 당신이 이용 중인 하드 디스크가 테라바이트급의 대용량이라면 GMR 헤드가 탑재된 물건일 가능성이 높다. 여담으로 하드 디스크 메이커로 유명한 퀀텀은 그냥 회사 이름이지 양자역학 하드디스크만 만든다는 의미가 아니다...[11] GPS에는 상대성이론도 쓰여진다.[12] Griffiths, D. J. (1995). Introduction to quantum mechanics. (pp. 158-159). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 원문은 다음과 같다. To the layperson, the philosopher, or the classical physicist, a statement of the form "this particle doesn't have a well-defined position" (or momentum, or x-component of spin angular momentum, or whatever) sounds vague, incompetent, or (worst of all) profound.[13] Griffiths, D. J. Introduction to Quantum Mechanics, Intl.ed, 2/e (2005): 176-177. 저자는, 스핀의 각운동량의 특정 방향 성분이 고전 역학과는 다르게 측정할 때마다 '고정된 값'이 나오는 게 아니라든지, 스핀 각운동량의 두 방향 성분을 동시에 결정지을 수 없다든지(불확정성의 원리) 등의 지극히 양자역학적인 상황을 다루면서 이런 요지의 문단을 추가했다. 그러니까 다시 말하면, 양자역학을 '양자역학의 논리'로 이해해야지 이상한 방향으로 통밥 굴리지 말라는 내용에 가깝다.[14] 방송 중 박진영과 잠시 통화를 했었다.[15] 화학에서 자주 사용하는 분자궤도나 통계열역학에 대한 이해는 양자역학의 기초적인 이해없이는 불가능하다.[16] 중력과 관련되어 있는 것으로 중력자와 중력파가 있다. 중력파 발견 소식이 있었으나 성간 우주먼지에 의한 잡음으로 인해 관측이 잘못된 것으로 판명났다. 절치부심 끝에 결국 중력파가 발견되었다! 이제 남은 것은 중력자. 이제는 중력파가 갖는 의미를 해석하기 위한 세계 각국의 실험들이 진행 중이다.[17] 단 이 경우엔 다소 신비주의적 관점을 취하므로 주의해서 읽을 필요가 있다[18] 공교롭게도 이 수능은 수능 역사상 최초로 복수정답 사태라는 기념비적인(?) 사건이 벌어지기도 했다. 심지어 복수정답 사태가 일어난 과목도 똑같은 언어영역.