살살 알려드림) 인류 역사상 가장 어려운 이론을 단 3분만에!! [과학찍먹 - 양자역학 편]

 

 

• 양자역학이 어려운 이유: 양자역학의 개념은 종종 우리의 일상적인 직관에 어긋납니다 [00:14].
• 보어 모델: 원자가 붕괴되지 않는 이유를 설명하기 위해 닐스 보어는 전자가 특정 양자화된 에너지 수준에서 핵을 공전하며 안정적인 궤도에 있는 동안에는 에너지를 방출하지 않는다고 제안했습니다 [00:58].
• 파동-입자 이중성: 유명한 이중 슬릿 실험은 전자가 파동과 입자 모두로 작용할 수 있음을 보여줍니다 [01:32].
• 관찰의 영향: 전자가 통과하는 슬릿을 관찰하면 전자의 행동이 바뀌어 파동이 아닌 입자처럼 행동하게 됩니다 [02:03].
• 코펜하겐 해석: 이 해석은 입자가 관찰될 때까지 확률 상태로 존재하며 관찰 행위가 입자의 상태에 영향을 미친다고 제안합니다 [02:18].
• 어려움에도 불구하고 수용: 직관에 어긋나지만 양자역학은 미시 세계를 설명하는 데 가장 정확한 이론입니다 [02:45].

 

 

 

과학 좀 안다, 이공계 학식 좀 먹어봤다 하는 사람한테도

자신 있게 안다고 말하기 힘든 것이

바로 양자역학이죠.

 

여러분을 위해 3분 만에

어디 가서 양자역학이 대충 뭔지 들어본 적은 있다 정도 수준으로

먹여드릴게요.

가성비 쩌는 과학 찍먹 시작합니다.

 

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일단 양자역학이 왜 어려운지부터 설명을 드릴게요.

양자역학에서 주장하는 개념들은

우리의 직관에서 한참 벗어나 있습니다.

 

하지만 유명한 물리학자 김상욱 교수님께서는 이런 말을 했습니다.

“인간은 우주를 이해하기 위해 만들어진 존재는 아니예요.”

 

교수님 클라스 맞습니다.

리처드 파인만도 대충 비슷한 얘기를 했어요.

 

그러니까 양자역학은 이해하는 게 아닙니다.

그냥 믿는 거죠.

믿으면 생각보다 재미있고 신기합니다.

어 그런데 벌써 40초가 지났네요.

이제 진짜 설명을 해 볼게요.

 

 

20세기 초에 과학자들은 만물을 구성하는 기본 입자인 원자의 구조가

가운데 원자핵이 있고

전자가 그 주변을 돌고 있는 모습이라는 걸 밝혀내죠.

 

근데 생각해 보니까

이런 식으로 돌다 보면

전자는 점점 에너지를 방출하고

언젠가는 양성자와 합쳐져야 되는데요.

실제 원자는 그렇지가 않은 거예요.

 

이를 해결하기 위해서 닐스 보어는

전대미문의 가설을 들고 옵니다.

1) 전자가 특정 궤도를 돌고 있을 때는 에너지를 방출하지 않는다.

2) 허용 가능한 궤도의 반지름은 띄엄띄엄 존재한다.

3) 하나의 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때

전자는 빛을 방출, 혹은 흡수한다.

 

아니 궤도가 이거일 수도 있고 이거일 수도 있고

그 사이에 어떤 지점일 수도 있잖아요.

그런데 아니래요.

이 중간 궤도는 존재할 수가 없대요.

 

그런데 소름 돋게도

수소 원자의 스펙트럼을 보면

정확히 얘네들의 차이만큼

에너지를 갖는 빛들 밖에 나오지 않습니다.

오마이 갓

 

전자의 기괴한 특징은 여기서 그치지 않습니다.

시간이 좀 더 흐르고

그 유명한 전자의 이중슬릿 실험이 등장합니다.

 

이렇게 생긴 2개의 구멍을 통해서

전자를 무수히 많이 던지면

벽에 전자 자국이 어떻게 남을까요?

 

이 두 개의 구멍 모양에 맞는 자국이 나야 되잖아요.

그런데 이렇게 여러 개의 띠 모양으로

자국이 나는 것을 발견합니다.

 

과학자들은 경악을 하게 돼요.

예전에도 이런 자국을 본 적이 있었거든요.

바로 파동의 특징이었던 거죠.

 

전자가 파동이라니

뭔가 이상합니다.

전자가 입자라는 증거는

이전에 많은 실험으로 이미 밝혀졌었거든요.

 

그런데 더 이상한 게 있어요.

이 전자 하나하나를 어느 구멍으로 지나가는지

관측을 해 봤는데요.

아까 전까지는 파동처럼 움직이던 전자들이

관측만 하면

갑자기 입자처럼 움직여서

자국이 정직하게 두 줄만 생기는 겁니다.

 

말이 안 돼요.

그런데 아무리 실험을 반복해 봐도

결과는 바뀌지가 않습니다.

 

또다시 보어가 등장해서

이를 설명하는 이론을 내놓게 됩니다.

-전자는 관측 전에는 파동처럼 움직이기 때문에

두 구멍을 동시에 지난다.

-하지만 관측하는 순간 입자가 되어

두 구멍 중에 한 곳으로만 지나가게 된다.

 

관측하는 행위가 물체의 상태에 영향을 준다.

이건 기존의 물리학을 통째로 뒤흔드는 이론이었어요.

 

물체의 상태가 근본적으로 불확실하다는 것을 의미하기도 하니까요.

이를 [코펜하겐 해석]이라고 하는데요.

당연히 그 당시에는 엄청나게 욕을 먹습니다.

 

하지만 시간이 흐른 지금

미시세계에서

이보다 완벽하게 들어맞는 이론을 찾을 수가 없었습니다.

 

단지 우리의 직관으로 이해를 할 수 없을 뿐이죠.

뭐 그런데 우리가 꼭 이해하는 게 중요할까요?

우주는 이미 양자역학의 원리로

완벽하게 잘 돌아가고 있으니까요.

 

3분 찍먹 과학의 정서방이었습니다.