오늘은 먼저 양자물리학의 역사와 개념에 대해서 간략하게 설명을 해보도록 하죠.

고전물리학이 끝나고 현대의 양자물리학이 시작된 것은 바로 독일의 막스플랑크에

의해서입니다. 막스플랑크는 흑체복사에 대해서 연구를 하다가 중요한 사실을 알게

되었는데 그건 바로 에너지의 양이 연속적이지 않다는 것이었습니다.

에너지의 양이 연속적이지 않다. 이 무슨 뚱딴지 같은 소리인가 싶지만 아래 설명을

천천히 읽어보시길 바랍니다.

우리가 수학에서 배울 때 보면 실수는 연속적이라고 합니다. 실수가 연속적이라는

말은 간단히 말해서, 실수의 모든 수에 대응해서 그래프를 그려보면 끊김이 없이

혹은 빈틈이 없는 그래프가 그려진다는 얘기가 됩니다.

그에 비해서 정수는 불연속적입니다. 정수는 0, 1, 2, 3.. . 만 존재하지 그 사이의

숫자를 나타 내지 못합니다. 즉 0과 1사이는 서로 떨어져있다는 거죠.

아래 그래프를 보시면 y = x 그래프인데 정수집단을 대상으로 한 그래프는 점과

점으로 나타날 뿐 연속되지 않죠.



하지만 실수는 연속적이지만 아래 그래프와 같이 x가 실수 집단에 속한다면

y = x 그래프는 분명히 연속적이 됩니다.



이제 연속적이다 불연속적이다는 말이 이해가 되는지요.

그럼 다시 에너지가 연속적이지 않다는 말에 대해서 생각해볼까요.

에너지의 양이 연속적이라고 한다면 에너지는 무수히 작은 단위로 쪼개질 수

있다는 겁니다. 즉 0, 1, 2, 3, 4 이렇게도 표현되지만 0.000001, 0.000002..

이것보다 훨씬 더 작은 소수로 영원히 쪼개질 수 있다는 얘기입니다.

하지만 막스 플랑크가 흑체복사의 연구를 통해서 알아본 결과 그렇지 않다라는

거죠. 에너지의 양은 어느 숫자의 정수배로만 존재하지 그 이상으로는 쪼개지지

않는다라는 거죠.

그 어느 숫자를 h라고 표현한다면 에너지는 h, 2h, 3h, 4h… 의 양으로만 존재하지

0.1h, 0.01h, 0.002h 이런 식으로는 표현할 수 없다는 사실을 알게 되었죠.

이것은 기존의 물리학이 에너지는 연속적이라는 개념을 무너뜨린 혁명과도

같은 사실이었죠.

자, 그럼 우리는 에너지가 연속적이지 않고 불연속적이며 어느 특정한 숫자(h)의

배수로만 존재한다는 사실에서 유추할 수 있는 사실은?

예를 들어 사람을 헤아릴 때를 생각해볼까요.

사람은 사람은 1명, 2명, 3명… 이런 식으로 정수로만 나타낼 수 있습니다.

왜냐하면 0.5명이라는 건 사람을 셀 때에 불가능한 일이니까요.

사람을 0.5로 쪼개면?

그건 죽어버린 고기 덩어리이지 사람이 아니니까요. 사람을 쪼개서 표현할 수 없기

때문에 우리는 언제나 0과 자연수로만 얘기할 수 있지, 그 사이의 숫자로 얘기할

수가 없죠.

이게 뭔 소리냐... 사람을 셀 때에는 사람이라는 더 이상 쪼갤 수 없는 단위가

있기 때문에 불연속적이다라는 말이 됩니다.



이것과 마찬가지로 에너지는 h라는 양의 에너지를 갖고 있는, 더 이상 쪼개질 수

없는 입자로 이루어져 있다는 걸 추론할 수 있습니다.

더 이상 쪼개질 수 없는 입자로 이루어져 있기 때문에 그 입자의 1/2이라는

에너지의 양은 나타날 수 없다는 겁니다. 그 입자를 우리는 양자라고 하며

양자물리학이라는 이름도 여기서 출발하게 됩니다.

자, 에너지가 막연한 힘의 어떤 양이라고 알던 사람들에게 에너지가 양자라는

입자들을 통해서 이루어져 있다라는 건 무척이나 충격적인 일이었죠. 그리고

사람들은 한동안 믿지를 못했지만 여러 실험결과를 통해서 입증이 되자,

비로소 그 에너지의 입자, 양자를 연구하기에 이르게 된 것입니다.

그리고 양자가 발견될 무렵, 아인슈타인에게 노벨상을 안겨주게 되는 광량자

이론이 나오게 됩니다. (아인슈타인은 그 유명한 상대성이론으로는 노벨상을

받질 못했습니다. 증명하는 게 늦어졌기 때문이죠.) 뉴튼에 의해서 입자이지

파동이 아니라고 주장되었던 빛. 연구에 연구를 거쳐서 맥스웰의 전자기학 정리에

의해서 확실하게 파동이지 입자일 리가 희박하다고 명명되었던 빛이 다시

아인슈타인에 의해서 입자라는 사실이 밝혀지면서 양자물리학은 그 본궤도에

들기 시작합니다.
profile

이브리타, 나의 에뜨와르
너와 내가 공유하는 추억
너와 내가 만들 추억