[지식보관소] SF물에 나오는 양자도약은 뭘까? 양자역학 3편

 

 

 

만약에 태양계가 움직이는 것처럼

원자핵 주위를 전자가 돌고 있다면,

그 궤도는 케플러의 궤도 법칙과 비슷한 법칙에 의해서

전자가 움직여야 되겠죠.

그런데 전자의 움직임은

우리가 전혀 이해할 수 없는 형태로 움직였던 거죠.

 

 

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혹시 전기에 감전돼 보신적 있으신가요?

110볼트나 220볼트의 손끝이 감전되면

엄청나게 짜릿짜릿한 고통과 함께

손끝이 끌어당겨지는 느낌을 받으셨을 텐데요.

 

우리에게 큰 고통을 주지만 전기는 일상생활에서 반드시 필요합니다.

만약 전기가 없다면 지금 제 채널을 보고 있는 것도 불가능했을 테니까요.

 

하지만, 아직도 왜 전기가 생기는지 모르는 분들이 많으실 텐데요

이건 18세기까지도 마찬가지였습니다.

사람들은 전기가 흐르는 건 알게 되었지만

전기가 왜 생기는지에 대해서는 전혀 알지를 못했죠.

 

그러다가 18세기 말, 톰슨은

진공관 양 끝에 강한 전압을 걸어주면

어떠한 빛이 발생한다는 걸 발견하게 됩니다.

 

이 빛을 음극선이라고 불렀는데요

우리가 아는 빛과는 차이가 있었습니다.

왜냐면 이 음극선에 자석을 가져다 대면 음극선이 휘어졌기 때문이죠.

 

네, 빛이 나오긴 나오는데 자성을 띠고 있다는 의미였습니다.

이게 바로 원자 안에 있는 전자를 발견한 것이었죠.

바로 이때부터가 전기가 생기는 원인이

원자 안에 있는 전자의 움직임이라는 걸 알게 된 거죠.

 

그리고 그 이후에는 1899년 러더퍼드에 의해서

알파선이라는 게 발견이 됩니다.

이 알파선은 방사능 핵분열 과정에서 나오는 방사능 물질인데요

이때까지는 이 물질이 양성자라는 걸 몰랐습니다.

 

그러다가 러더퍼드가 이 알파선을

미친 듯이 금박지에다가 쏘아 보내는 노가다성 실험을 하게 되면서

마침내 원자는 중앙에 있는 양성자와

그 밖에 전자가 있다는 걸 발견하게 됩니다.

 

이제 사람들은 우주의 모든 물질이 원자로 이루어져 있고,

원자는 양성자와 전자로 이루어져 있다는 걸 알게 됩니다.

 

그러면 이제 그 구성 물질은 알았으니까

사람들은 당연히 양성자와 전자가

어떤 모양으로 이루어져 있는지 궁금했을 텐데요.

 

이때부터 양성자와 전자가 서로 끌어당기기 때문에

우리 눈에 보이는 중력과 비슷하다고 생각해서

태양계의 모습처럼 중앙에 원자핵이 존재하고

그 주변을 전자가 돌고 있다고 추론하게 됩니다.

우주에서 가장 작은 물질인 원자의 모양이

태양계와 비슷하다고 생각하게 된 거죠.

 

그런데 여기서 문제가 생깁니다.

만약에 태양계가 움직이는 것처럼 원자핵 주위를 전자가 돌고 있다면,

그 궤도는 케플러의 궤도법칙과 비슷한 법칙에 의해서 전자가 움직여야 되겠죠.

 

그런데 전자의 움직임은 우리가 전혀 이해할 수 없는 형태로 움직였던 거죠.

약간 정확히 설명하자면,

전자는 가속을 하거나 움직이면

전자기파라는 형태로 빛을 방출하는데

에너지보존법칙에 따라서 이 빛이 방출될 때마다

운동 속도가 줄어들어야 합니다.

 

그러다 보면 당연히 전자의 궤도는

케플러의 궤도 법칙에 따라서 반경이 점점 더 작아지다가

원자핵으로 빨려 들어가겠죠.

 

하지만 현실에서 그런 일은 일어나지 않습니다.

만약 그런 일이 일어난다면,

주변의 모든 물질은 사라졌어야 할테니까요.

 

 

이때 양자역학계의 영웅 닐스 보어가 나타납니다.

보어는 이렇게 우리가 이해할 수 없는 원자의 움직임을 설명하기 위해서

물리학 역사상 말도 안 되는 이론을 내게 되는데요.

 

보어는 정상 궤도에 있을 때는

이동을 하지 않고 위치를 바꿀 수 있다는

말도 안 되는 이야기를 하게 됩니다.

 

그러니까 이게 무슨 말이냐면,

만약에 태양계의 태양을 원자핵이라고 하고, 지구를 전자라고 할 때

지구가 정상 궤도에 있을 때는

저 반대편까지 이동을 할 필요 없이

그냥 순간 이동을 한다는 겁니다.

 

잘못 들은 게 아니에요.

전자가 순간 이동을 하면서 위치를 바꾼다고 합니다.

 

이 말도 안 되는 소리를 설명하기 위해서

과학자들은 양자도약이라고 하는 간지라는 이름까지 붙여줬는데요.

문제는 실험을 하면 할수록 이 양자도약이

실제로 일어난다는 걸 알게 되는 겁니다.

 

결국 전자의 움직임은

연속적인 게 아니라 불연속적이다라고 정의하게 되는데요.

 

이제부터 소름이 돋는데

그러니까 이 현상을 이해하자면

우리는 우리가 사는 세상을 아날로그 세상이라고 생각을 했고

당연히 A에서 B 지점으로 이동할 때의 공간은

연속적이라고 생각을 했죠.

 

하지만 원자 내에서의 공간은

컴퓨터의 픽셀처럼 이동할 때마다

한 픽셀, 한 픽셀 순간 이동을 한다는 겁니다.

 

그러니까 전자의 위치가 양성자로부터

0.69, 2.65 이런 숫자로 떨어져 있는 게 아니라

1, 2, 3, 4라는 정확한 하나의 픽셀을 가지고 있다는 겁니다.

 

수학으로 따지면

소수점이 없는 정수와 같이

정해진 값에만 존재할 수 있다고 하는 겁니다.

 

그래서 우리는 전자의 위치가 정해져 있어서

양자화되어 있다고 부르게 되고

전자의 위치가 양자화되어 있는 현상을 연구하는 학문인

양자역학이 탄생하게 되는 겁니다.

 

심지어 이 양자화라는 말은

아날로그 신호값을 디지털 신호로 바꿀 때도 쓰이는 말인데요.

이건 소름 아닌가요?

 

그러니까 최소한 전자가 움직이는 공간은

연속적으로 되어 있지 않다는 겁니다.

전자가 있을 수 있는 궤도는

어떠한 정해진 위치에만 존재한다는 거죠.

 

그러니까 최소한 전자에 한해서는

우주가 디지털로 되어 있다는 것이죠.

 

마치 온라인 바둑 게임에서 돌을 놓을 수 있는 위치가 정해진 것처럼

또는 스마트폰이나 모니터의 픽셀의 위치가 정해져 있는 것처럼

전자가 있을 수 있는 위치는

특정 정해진 위치에만 존재한다는 겁니다.

 

이제 불확정성 원리를 다음 편에 설명할 건데

결국 불확정성 원리도 이렇게 디지털화

즉 양자화되어 있기 때문에 나타나는 현상이었습니다.

이 이야기는 다음 편에서 다루도록 하겠습니다.