사람은 일반적으로 영화 엑스맨에서와 같이 벽을 통과하거나 사물과 겹쳐질 수 없습니다. 하지만 이론적으로는 사람도 벽과 같은 물체를 통과할 수 있는 방법이 있다고 합니다.
양자역학이라는 물리학 이론을 아는 사람은 알 것입니다. 양자역학은 우리가 사는 세상 중에서도 아주 미세하게 작은 세계에서 일어나는 일들을 기술하기 위한 이론입니다. 그럼 그렇게 작은 세상 이야기는 우리가 알 필요 없지 않냐고 반문하는 사람도 분명 있을 것입니다. 특히나 이과에 자신이 없거나 흥미가 없는 사람이라면 절대로 쳐다보기도 싫은 분야 1순위가 물리학일 지도 모르겠습니다. 하지만 우리 생활에 커다란 비중을 차지하는 이론임은 부정할 수 없습니다.
양자역학은 사실은 영화나 소설보다도 기묘한 체험을 할 수 있는 이론입니다. 이를테면 투명인간이 되거나, 물위를 걷거나, 벽을 통과하고, 순간이동을 하며, 하물며 차원이동을 하거나 시간을 거슬러 올라가기도 합니다. 말도 안되는 것 같지만 양자의 세계에서는 가능합니다.
1. 양자역학은 어디에 쓰이나?
우선 양자역학이 쓰이는 곳이 어디인지 보고 가도록 하지요. 앞서 말한 바와 같이, 양자역학은 작은 세계에서 일어나는 일들을 알아보기 위한 이론이며 학문입니다. 구체적으로는 전자(電子)와 같은 상태를 나타내기 위해서 쓰입니다. 전자는 전기를 담당합니다. 즉, 전자역학은 전기가 물질을 어떻게 흘러가는지 생각하기 위해 필요합니다. 예를 들어, 전기를 흐르게 하거나 흐르지 않도록 하는 반도체 등은 그야말로 양자역학 지식이 유감없이 발휘되는 분야입니다. 양자역학 분야에서 최근에 화제가 되는 것이 양자 정보통신입니다. 양자역학의 어떤 특성을 잘 이용하면, 누구에게도 방해 받지 않는 완벽한 통신이 가능해 질 것으로 기대되는 통신기술입니다.
양자역학은 물리학 분야에서 사용되며, 다양한 분야와 응용에서 중요한 역할을 합니다.
- 원자 및 분자 물리학: 양자역학은 원자 및 분자의 구조, 에너지 상태, 전이, 반응 등을 이해하는 데 사용됩니다. 원자 스펙트럼, 화합물의 안정성 등을 연구하는 데에 활용됩니다.
- 양자 컴퓨팅: 양자역학의 원리를 이용하여 양자컴퓨터를 구축하는 연구가 진행 중입니다. 양자 비트 또는 큐비트를 사용하여 병렬처리 및 특정 문제에 대한 효율적인 해법을 찾는 데 활용됩니다.
- 양자 통신: 양자역학은 양자 통신 분야에서도 사용됩니다. 양자 암호키 분배, 양자 텔레포트레이션 등의 원리를 이용하여 정보를 보안적으로 전송하는 데 활용됩니다.
- 고에너지 물리학: 입자 물리학에서는 입자의 움직임과 특성을 설명하는 데 양자역학이 사용됩니다. 가속기와 같은 장치에서 입자들의 움직임을 예측하는 데 활용됩니다.
- 양자 광학: 광학 분야에서는 양자역학의 원리를 사용하여 광의 성질, 광섬유 통신, 광 검출기 등을 연구합니다.
- 물질 과학: 물질의 전자 수준에서의 특성을 연구하는 데에 양자역학이 활용됩니다. 반도체 소자, 나노물질, 양자점 등의 소재 설계와 이해에 적용됩니다.
양자역학은 이러한 분야뿐만 아니라 더 넓은 범위에서 다양한 응용 분야에서 중요한 이론적 기반으로 사용되고 있습니다.
2. 전자는 관찰하지 않으면 게을러진다?
전자의 전자역학적 성질을 알아보자려면, 대학이나 고등학교에서 수업을 들을 때를 생각해 보면 좋습니다. 작은 교실에서 강의를 들을 때는, 교수님의 눈이 항시 학생들을 관찰하고 있으므로 좀처럼 딴청을 피우기가 힘이 듭니다. 하지만 대강당이나 체육관 같은 넓은 공간에서는 이야기가 틀려집니다. 수백 명의 학생들을 일일이 주시하는 것은 불가능하고, 특히 끝과 뒤쪽에 앉아서 딴청을 피우거나 자고 있어도 좀처럼 걸리지 않습니다. 이상한 말이지만 전자도 마찬가집니다. 우리가 보고 있지 않을 때는 ‘게으름’을 피웁니다. (본다는 것은 관찰을 의미함)
보고 있지 않을 때는 놀고 있다가 우리가 관찰을 시작하는 순간 열공모드로 바뀝니다. 전자가 게으름을 부린다는 것은 전자가 파장이 된다는 것을 의미합니다. 혹자는 전자가 파장? 입자 아니었어? 하는 사람도 있을 것입니다. 그것도 맞는 말입니다. 하지만 전자는 우리가 보고 있을 때만 한 점으로 모여 입자가 됩니다. 이것이 가식적인 열공모드 상태입니다.
한편으로 파장 상태라는 것은 우리가 방바닥에서 뒹굴며 게으름을 피우듯, 전자가 공간상에 넓게 퍼진 상태를 말합니다. 전자는 아무도 보지 않을 때는 게으른 파장의 상태로 있다가, 전자가 관찰될 때 순간적으로 한곳으로 모여듭니다. 흥미롭지 않은가요?
우리도 수업시간에 자리에서 딴청을 피우다가 선생님에게 걸리면 순간적으로 자세를 바로 잡지 않습니까. 하지만 대부분 자신의 자리에서 벗어나지는 못합니다. 하지만 전자는 한 점에 집중 되어 입자가 될 때 어디에 모일지 파악이 불가능합니다. 단지 ‘이쯤에 30%, 저쯤에 40% 확률로 모이겠지’하는 식으로 확률로는 말할 수 있습니다. 이 확률은 파장일 때 그 파장의 높이에 비례합니다. 파장이 높은 곳에 모일 확률이 높으며, 파장이 낮은 곳에 모일 확률은 낮다는 말입니다. 전자를 보고 있지 않을 때는, 전자가 어디에 있을지 확률적으로 밖에 말 할 수 없다는 것입니다. 이것은 과학자들도 의문점으로 생각하는 문제이지만 실험적으로 맞는 것이라 이해하고 넘겨 버렸습니다. 왜 그렇게 되는 지는 아무도 모릅니다. 그냥 그렇게 되고 있다는 것만 인식한 상태입니다.
3. 양자역학적 사고로는 사람이 벽을 통과하는 것도 확률상 제로가 아니다.
양자는 파장일 때 낮은 확률로나마 벽을 통과할 수 있습니다. 이것을 터널효과라 합니다. 인간의 몸도 전자(소립자)로 이루어 졌다는 것을 가만하면, 만약 인체를 구성하는 모든 전자가 벽을 통과한다면, 우리가 벽을 통과 한 것이 되는 것입니다. 하지만 그 확률은 제로에 가깝습니다. 물리학에서는 확률이 극단적으로 낮은 현상은 일어나지 않는 것으로 취급하므로 실제로는 불가능 하다고 여겨지게 됩니다. 만약 미래에 이 전자의 파장 상태를 유지시킬 수 있는 기술이 개발 된다면 인간이든 사물이든 장애물의 제약이 없어질 것입니다. 일종의 유령상태가 되는 것이지요. 양자역학은 아직 이론적으로도 많은 시행 착오를 거치고 있는 학문입니다. 그래서 많은 가설이 나오고 허무맹랑하게 들리는 예시들이 등장하곤 합니다. 하지만 우리는 여기서 그 말은 그대로 듣는 것이 아니라, 그 속에 담겨진 의미를 잘 생각 해 보아야 할 것입니다.
1902년에 조르주 멜리에스는 ‘달세계 여행’이라는 영화를 만들었습니다. 그 때는 그저 허무맹랑한 웃음거리였지만, 인간은 실제로 달에 발을 디뎠습니다. 우리가 생각 없이 웃고 넘길 때 누군가는 그것을 실현하려 애쓴다는 것을 잊지 말도록 해야합니다.