양자물리학이란 현대물리학의 한 분야로써 대략 1900년 이후에 발견되어진 법칙들에 기반한 물리학을 가리킵니다. 1900년 이전에 발견되어졌던 물리학 법칙이나 원리는 ‘고전’ 물리학이라고 불립니다. 고전물리학은 일상적인 것들의 물리입니다. 테니스 공이나 소리가 나는 장난감, 가스레인지, 얼음, 자석, 전기 배선 등 육안으로 볼 수 있는 커다란 것들의 움직임은 고전적인 운동 법칙이 결정합니다. 고전 열역학은 어떤 사물을 가열하거나 차갑게 하는 물리현상이나, 엔진, 냉장고 등의 움직임을 설명합니다. 고전 전자기학은 전구나 라디오, 자석 등의 성질을 설명합니다.
현대물리학은 일상을 한층 넘어섰을 때 보이게 되는 우리에게 생소한 세계를 표현합니다. 이 세계는 1800년대 후반에서부터 1900년대 전반에 행해진 실험을 통해서 처음으로 드러나게 되었는데, 고전적인 물리학의 법칙에서는 설명할 수 없는 것이었습니다. 그래서 전혀 다른 룰을 가진 새로운 분야를 만들어낼 필요가 있었습니다. 현대물리학은 두 가지로 분리되어 각각이 고전적인 규칙과는 완전히 결별하게 됩니다. 하나는 상대론이라고 해서, 매우 빠르게 움직이는 물체나, 강한 인력이 있는 곳에 존재하는 물체에 관해서 다룹니다. 1905년에 알버트 아인슈타인이 제창한 상대성이론은 매우 매력적인 것이었습니다.
다른 하나는 양자물리학 또는 양자역학이라 불리우는 것이었습니다. 여기서 양자물리학, 양자론, 양자역학이라는 단어들은 대부분 서로 대체가 가능한 것들입니다. 빛을 시작으로 분자와 원자, 소립자 등 극도로 작은 것들을 다루는 현대물리학입니다. 1900년에 막스 플랑크가 ‘양자’라는 단어를 만들어 냈고, 아인슈타인이 처음으로 광양자설을 발표함으로 해서 노벨상을 수상하게 되었습니다. 아인슈타인이 노벨상을 받은 데에는 상대성이론의 구축도 많은 영향을 주었다고 할 수 있지만, 정식으로는 광전효과에 관한 양자론에 의한 것이었습니다. 양자역학 이론의 전모는 그 후 약 30년 정도의 기간 동안 많은 발전을 이루게 됩니다. 플랑크 그리고 처음으로 수소원자의 양자모델을 만들었던 닐스 보어와 같은 선구자에서부터, 리차드 파인만, 줄리언 슈윙거 등 현재의 ‘양자전기역학’을 만들어 낸 명석한 학자들까지, 양자역학을 구성해낸 사람들은 물리학의 거장이라 불리고 있습니다.
베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리며, 에르빈 슈뢰딩거의 고양이 페러독스, 휴 에버렛의 다세계 해석에 의한 평행우주 등, 양자론의 요소에는 물리학의 영역을 벗어나 일반인에게 흥미를 유발시키는 것들도 많았습니다. 현대의 생활은 실제로 많은 양자역학의 혜택을 받고 있습니다. 전자의 양자적 성질을 몰랐다면 컴퓨터에 쓰여지는 반도체도 만들 수 없었을 것입니다. 빛이며 원자의 양자적인 성질이 밝혀지지 않았다면, 광케이블을 통해서 메시지를 전달하는 레이저도 상용화 될 수 없었을 것입니다. 양자론이 과학에 미치는 영향은 실용적인 것에 국한되지 않습니다. 물리학자는 철학의 문제도 함께 고민해야 하는 것입니다. 양자물리학은 우주 그리고 그 안에 포함된 물질에 대해서 우리들이 알 수 있는 범위에 제한을 둡니다. 또한 우리들이 관측한다고 하는 의미를 뒤엎기도 합니다. 현실세계의 본질을 더욱 더 기본적인 레벨에서 다시 생각해 볼 것을 강요합니다.
양자역학이 다루는 것은 확실한 것은 아무것도 없으며, 관측이 되고 나서야 처음으로 물질의 성질이 확실해지는 이상한 세계인 것입니다. 이 세계에서는 멀리 떨어진 물체끼리도 기묘한 형태로 얽혀있으며, 우리가 살고 있는 우주 곁에는 또 다른 역사를 지닌 무수한 우주가 존재해서 ‘가상입자’가 텅 빈 공간에 나타나거나 사라지거나를 반복합니다.
마치 공상소설과 같이 이상하게 들릴지도 모르지만 양자물리학은 엄연한 과학입니다. 양자론으로 설명되는 세계는 마이크로의 척도로 보여지는 우리들의 세계인 것입니다. 양자물리학으로 예측되는 기묘한 결과는 현실이고, 현실에 영향을 불러일으켜, 현실에 반영됩니다. 양자론은 믿을 수 없을 정도의 레벨로 정밀함을 요하며, 과학 역사상 가장 정확하게 검증을 거치는 이론이 되었습니다. 한 없이 터무니 없는 이상한 이론도, 결국은 실험에 의해서 증명이 되고 있습니다.
이처럼 양자물리학은 굉장한 것입니다. 양자물리학을 받아들이기 위해서는 우선 선입관을 버리는 것이 도전 과제가 됩니다. 양자의 세계에서는 언제나 예상치 못한 결과가 기다리고 있기 때문입니다. 양자는 매일 같은 길을 가더라도 항상 다른 풍경을 보여주는 신비한 곳입니다.
양자역학이 인간에게 있어서 이해하기 어렵고 번거로운 이유는, 세상을 바라보는 자신의 상식적 예측을 혼란하게 하기 때문입니다. 만약 있는 그대로를 받아들일 수 있다면 그 이해도는 확연히 속도가 붙을 것입니다. 양자역학을 연구하는 사람은 사람을 이해시키기 보다 혼자서 거울을 보고 떠드는 경우가 효과적일 수 있습니다. 상대가 아무런 답을 해 주지 않는 경우가 더 혼란이 적기 때문입니다. 양자를 연구하는 사람은 어떤 새로운 것에 놀라지 않게 될 것이며, 또 새로운 것에 잘 놀라는 사람은 이 연구가 적성에 맞지 않게 될 수 있겠습니다. 놀란다는 것은 이미 자신이 어떤 특정 결과를 머릿속으로 규정짓고 있었다는 반증이기 때문입니다.