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개념[편집]

아주 작은 미시세계에서 물질을 구성하는 입자나 빛 등이 어떻게 움직이는지를 규명하는 이론 관련 문서로는 양자 역학이 있다.

미시 세계[편집]

일반적으로 미시 세계란 양자론 없이는 설명 불가능한 세계로 대개 1000만분의 1mm 이하의 세계를 말한다.

즉 원자나 분자들 혹은 그 이하의 쿼크, 전자들의 세계를 통칭하는 말로 눈으로 볼 수 있는 거시세계와 대비된다.

영화 앤트맨에 따르면 이 세계에 들어가면 시공간에 대한 이해가 뭐 어떻게 된다고 한다. 여기서 깨달음 얻으면 현자 되는 건가..?

우리가 일상적으로 바라보는 세계이다. 여기서 주의할 것은 양자론은 미시 세계에만 적용되는 것이 아니라 거시세계에도 적용된다는 사실이다.

다만, 뉴턴역학 등 고전이론들은 거시 세계에만 적용되고 미시 세계에서는 적용되지 않는다.

양자론을 거시세계에 적용하면 계산량이 엄청나게 많아지기 때문에 편의상 고전역학을 쓰는 것이다.

양자론이 탄생하기 전, 과학자들은 우주의 모든 운동은 뉴턴역학으로 설명 가능하다고 믿고 있었다. 즉, 모든 물체는 뉴턴 역학에 위배되지 않는 운동을 하고 있다는 것이다.

프랑스의 과학자 '피에르 라플라스'는 뉴턴 역학을 더욱 발전시켜 모든 물체의 현재 상태를 알 수 있다면 미래의 모든 일을 예측 할 수 있다.라고 생각하였고 현재 우주의 모든 물체의 현재 상태를 알고 있는 가상의 생물체를 "라플라스의 괴물"이라고 한다.

당시 종교계에서는 이 라플라스의 괴물=신이라고 여겼다.

이 이론에 따라 과학자들은 미래는 정해져 있다라고 생각하였다.

하지만 양자론이 등장한 이후로 이 이론은 와장창 무너졌다.

양자론에 따르면 가령 온 우주의 현재 상태를 알고 있는 「라플라스의 괴물」이 존재한다고 해도 미래를 예측하는것은 불가능하다. 즉, 미래는 정해져 있지 않다!고 한다.

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토머스 영이 1807년 이중슬릿 실험을 통해 빛=파동이라는것을 증명했다.

토머스 영은 광원(빛이 나오는 물체) 옆에 1개의 슬릿(매우 가느다란 틈)이 있는 판과 2개의 슬릿(이중 슬릿)이 있는 판을 놓고 뒤에 스크린을 두었다.

만약 빛이 단순한 입자라면 회절을 하지 않으므로 이중슬릿을 통과한 빛은 그대로 직진하여 스크린에 부딪혀서 스크린에는 단 두곳만 빛이 비춰질 것이다.

하지만 영의 실험에서는 스크린에 수많은 간섭무늬가 생겼다. 간섭현상은 파동에서만 일어나는 고유한 특성이다. 이를 통해 빛이 파동의 성질을 띈다는 것을 증명해낸 것이다.

이후 과학계는 오랫동안 빛의 파동설을 굳게 믿어왔다.

하지만 19세기 말, 빛을 단순히 파동이라고 생각하면 설명이 안되는 현상이 발견되었다. "광전 효과"가 발견된 것이다.

금속에 일정 진동수의 빛을 비추면 전자가 튀어나온다는 것을 발견해낸 것이다.

그런데 이상하게도 파장이 짧은 빛(진동수가 큰 빛)을 비추면 빛을 약하게 비추어도 전자가 튀어나오는데 파장이 큰 빛(진동수가 작은 빛)을 비추면 아무리 빛을 강하게 비추어도 전자가 튀어나오지 않는다는 것이다.

여기서 문과충을 위해 설명하자면 파장이 짧은빛이라는건 보라색쪽 빛을 말하는 것으로 가시광선보다 파장이 짧은 전자기파로는 자외선, X선, 감마선 등이 있다. 파장이 짧을수록 빛의 에너지는 커진다.

하지만 이 광전 효과는 빛을 단순한 파동으로 생각해서는 일어 날 수 없는 현상이다. 파동이란 단지 에너지만 전달 할 뿐 매질 그 자체는 그대로 있기 때문이다.

아인슈타인은 이 광전 효과를 보고 빛은 파동이지만 더이상 분해 할 수 없는 최소 단위가 있다고 생각했다. 그 최소단위를 광자(광양자)라고 부른다.

즉, 광자란 빛의 에너지 덩어리를 말하는 것이다.

밤하늘의 별빛 : 빛이 단순한 파동이라면 몇백광년 너머에 있는 별빛이 니 눈에 보이려면 꽤 시간이 필요하다. 즉각 니가 별을 볼 수 있는 이유는 빛이 입자이기 때문이다.

전기난로 : 전기난로에서는 적외선이 나오는데 만약 빛이 단순한 파동이라면 전기난로를 오래 쐬면 피부가 탄다. 하지만 빛은 입자이기 때문에 적외선 광자는 피부를 태울 만한 에너지를 갖고 있지 않아 니 피부는 안전한 것이다.

하지만 입자와 파동은 완전히 다른 개념이다. 과학자들은 이 둘을 가지고 존나게 씨름하다가 결국 둘 다 인정하고 빛의 양면성을 인정하였다.

그런데 놀랍게도 미시 세계에서는 전자나 원자, 분자 등 모든 양자가 양면성을 가진다는 것이 밝혀졌다. 입자의 크기가 커질수록 파동성은 줄어들지만 확실히 공존한다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다.

2019년 11월 11일 유기 분자를 이중 슬릿에 쐈는데 이중적인 모습을 보였다고 한다. 거시 세계에서도 사실상 양면성을 가진다는게 밝혀진 셈.

둘 다 비슷한 시기(19세기 말~20세기 초)에 만들어졌으며 두 이론 모두 기존의 상식을 송두리째 바꿔놓았다.

상대성 이론은 시간은 느려지고 공간이 휘어질 수 있다는 이론이고 양자론은 광양자나 전자 등 양자들의 움직임을 설명하는 이론이다.

즉, 상대성 이론이 시공간이라는 자연계의 무대를 설명하는 이론이라면 양자론은 그 무대의 배우들을 설명하는 이론이라 할 수 있겠다.

인류 역사상 최고의 천재는 물리학에 양면성과 불확실성이란 개념이 들어오는걸 탐탁치 않아 했고 결국 양자론 세미나에 혈혈단신으로 쳐들어가

신은 주사위를 던지지 않는다. 라는 명언을 남기고 수많은 여성편력과 함께 자신의 흑역사중 하나를 만들었다.