2025년, 양자역학 100주년🎂 고양이 상자 속에 숨은 과학의 비밀

 

"상자 안에 고양이가 있는데,

그 고양이는 살아 있으면서

동시에 죽어 있다?!"

 

조금은 엉뚱하게 들리는 이 말!

어딘가에서 들어본 적 있죠?

 

네, 바로 양자역학을 설명하는

대표적인 이야기예요. 

 

올해가 양자역학이 탄생한지 꼭

🎂 100년이 되는 해라고 해요. 

그래서 유엔은 2025년을

'양자의 해'로 지정했는데요.

 

세계는 왜 이토록 작고 보이지도 않는

양자의 세계에 주목하는 걸까요?

 

4월, 과학의 달을 맞아

<인문학 티타임>

☕

오늘은 100년 전

양자역학이 태어난 순간으로

함께 시간 여행을 떠나보려 합니다.

지금 바로 출발해 볼까요?

 

양자역학의 탄생

 

지금으로부터 100년 전, 1925년.

과학자들은 아주 작은 세계를

연구하다가 큰 충격을 받게 됩니다. 

 

"빛은 입자일까, 파동일까?"

"전자는 정확히 어디에 있는 걸까?"

"자연은 확률에 따라 움직이는 걸까?"

 

그전까지만 해도 대부분의

사람들은 뉴턴의 법칙이 모든 걸

설명할 수 있다고 믿었어요.

 

하지만 원자보다 더 작은 세계,

양자의 세계에서는 그러한 법칙들이

더 이상 통하지 않았죠.

 

 

이 '보이지 않는 세상'을

이해하고 싶었던 과학자들은

머리를 맞대기 시작했고, 마침내 

양자역학이라는 

새로운 과학이 태어납니다. 🔬

 

모두가 이 낯선 세계에

머리를 싸매고 있을 무렵,

이 미스터리를 풀기 위해

두 명의 천재 과학자가 나타나는데요,

바로 하이젠베르크와 슈뢰딩거입니다. 

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 ① 측정 가능한 것만 계산하라!
하이젠베르크의 행렬 역학

베르너 하이젠베르크 (1901~1976)

 

👨🏾‍🔬

"전자의 위치나 속도를 동시에 

정확히 아는 건 불가능합니다."

 

하이젠베르크는 눈에 보이지 않는 

전자의 궤도를 상상하기보다,

우리가 실험을 통해 실제로

측정할 수 있는 값에 집중했어요.

 

예를 들어, 전자의 위치와 운동량처럼

'입자'로서의 성질을 갖는 물리량들이죠.

 

그는 전자의 움직임을 파동처럼

퍼진 모습으로 보기보다는

관측 가능한 입자의 특성에 초점을 맞춘

수학적 방법을 택했고, 

그 결과 전자의 움직임을

 '행렬'이라는 특별한 수학 도구로

나타내게 되었습니다.

 

그런데 이 행렬은 좀 특이했어요. 

 

보통은 2 x 3 = 3 x 2 처럼

순서가 바뀌어도 결과가 같기 마련인데,

양자 세계에서는 계산 순서에 따라

결과가 달라지는 일이 벌어진 것이죠⁉️

 

많은 과학자들이 처음엔

"이게 뭐야?!" 하고 어리둥절했지만,

이 이론을 활용하면 원자 안의

전자의 에너지 상태나 전자 전이 현상 등을

정밀하게 예측할 수 있었어요.

 

이후, 하이젠베르크는 전자의 

위치와 운동량을 동시에 정확하게

측정할 수 없다는 불확정성 원리(1927)도

함께 발견하게 됩니다.

 

 그리고, 이 이론은 양자역학의

가장 중요한 기초 중 하나가 되었죠.

 

이걸 우리는 바로

행렬 역학 (Matrix Mechanics)

이라고 부릅니다.

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②전자는 파동처럼!
슈뢰딩거의 방정식

에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)

 

하이젠베르크가 측정 가능한 수치로

전자의 세계를 설명하자,

 슈뢰딩거는 전혀 다른 방식을 제시합니다.

 

👨🏾‍🔬

"전자는 마치 바닷물의

파도처럼 퍼져 있어요!"

 

하이젠베르크와 달리, 그는

전자의 움직임을 '파동'으로 설명했어요.

 

그리고 이를 수학으로 표현한

➗ 슈뢰딩거 방정식을 만들어냅니다.

이 방정식은 전자의 행동을

예측할 수 있게 해주었고 덕분에

과학자들은 원자의 구조를

더 명확히 이해할 수 있게 되었죠.

 

지금 우리가 쓰는 반도체, 레이저, 

MRI 같은 첨단 기술도 

이 이론이 없었다면 불가능했을 거예요.

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입자 vs 파동?
알보 보니 둘 다 옳았다!

 

두 과학자의 이론은 얼핏 보면

정반대처럼 보였지만,

놀랍게도 실험을 통해 두 사람 모두가

옳다는 사실이 밝혀졌어요. 💡

 

전자를 이용한 이중 슬릿 실험 시뮬레이션

 

전자는 어떤 때엔 입자처럼, ⚛️

또 어떤 때엔

 🌊 파동처럼 움직인다는 거죠.

 

이 놀라운 현상을 설명해주는 

대표적인 실험이 

바로  '이중 슬릿 실험'이에요.

 

'이중슬릿 실험'은 물질의 파동성과 입자성을 확인하는 실험. 즉, 어떤 물질이 두 개의 미세한 구멍(슬릿, slit)을 통과하는 것을 관찰하면 그 물질이 파동(wave)인지 입자(particle)인지에 따라 다른 결과가 나옴.

 

 

전자를 하나씩 쏘면 벽에 점처럼

찍히는데, 여러 개를 쏘면

마치 물결처럼 간섭 무늬를 만든다는 거죠.

 

더 놀라운 사실은 누군가가 

전자의  움직임을 관찰하는 순간,

그 전자가 입자인지,

파동인지의 상태가 결정된다는 겁니다. 

정말 너무 신기하죠?

 

상자 속 고양이, 살았나? 죽었나?
'슈뢰딩거의 고양이'

 

슈뢰딩거는 이 기묘한 양자의

세계를 설명하기 위해 

한 가지 상상 실험을 제안했어요.

 

양자 중첩 상태를 설명하기 위한 '슈뢰딩거의 고양이' 사고 실험

 

"상자 속에 고양이를 넣고,

독 성분이 든 병을 옆에 놓는다.

이 병은 전자가 움직이면 깨지는데,

전자는 '움직일 수도 있고, 아닐 수도' 있다."

 

그러면 과연...

고양이는 살아 있을까요?

죽어 있을까요?

 

정답은 '상자를 열기 전까지는

두 가지 상태가 동시에 존재한다' 입니다.

즉, 고양이는 살아 있으면서

동시에 죽어 있는 상태라는 거죠.

 

전자의 상태처럼, 고양이의 운명도

관찰되기 전까지는 확정되지 않는다는 것.

 

상상 실험이지만, 실제 양자 세계에서는

가능한 일이라는 게 참 놀랍죠?

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상자 밖으로 나온 양자의 힘,
현실이 된 과학

 

이처럼 상상에서 출발한

양자역학은

이제 우리의 현실을 바꾸고 있습니다.

 

양자 컴퓨터/ IBM Research 2019년, IBM에서 개발한 최초의 회로 기반 상용 양자 컴퓨터

 

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다

훨씬 빠른 계산을 가능하게

만들고 있고,

양자 암호 기술은

해킹이 불가능한 통신을 가능하게 하며,

양자 센서는 MRI보다도

더 정밀한 의료 진단을 꿈꾸게 하죠.

 

100년 전, 두 과학자의 머릿속에서

시작된 작은 아이디어가 지금은

🗝️ 미래를 여는 열쇠가 되어 가고 있답니다.

 

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자세히 보아야 예쁘다, 오래 보아야 사랑스럽다,
양자역학도 그렇다

 

2025년, 유엔이 '양자의 해'를 지정한

이유도 바로 여기에 있어요.

양자역학은 이제 

이론 속에만 머무르지 않고,

우리의 일상과 미래를 바꿔나가는

기술로 성장하고 있으니까요.

 

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📒

지금까지 양자역학에 대해

짧게 이야기 나눠보았는데요,

어떠셨나요?

 

여전히 어렵다구요?

사실...저도 그렇습니다..! 😅😅

 

하지만, 학창 시절

과학 수업 시간엔 더더욱 어렵게만

느껴졌던 양자역학을 이렇게

100주년이라는 특별한 계기를 통해

다시금 천천히 살펴보니

조금은 더 가까워진 기분이 들지 않으셨나요?

 

 

특히, 슈뢰딩거의

고양이 이야기는 참 인상 깊죠.

 

'상자 속 고양이는 살아 있으면서

동시에 죽어 있다.' 🧐

 

이 문장은 마치 과학이라기보단,

한 편의 문학 같기도 하고

철학 같기도 합니다.

 

어느 시인의 시에는 이런 문장이 있죠.

 

"자세히 보아야 예쁘다.

오래 보아야 사랑스럽다. 

너도 그렇다."

 

양자역학도 그와 비슷한 것 같아요.

 

한눈에 그 깊이를 다 알 수는 없지만,

곁에 두고 오래오래 바라보다 보면 

그 안에 놀라운 아름다움을

조금씩 발견할 수 있게 되니까요 :)

 

 

가끔은 바쁜 일상이지만

잠시 쉬어가며,

우리 주변의 세상을 조용히 관찰하고

눈에 보이지 않는 세계를

한 번쯤 상상해보는 건 어떨까요?

 

언젠간 놀랍고 멋진 세상이

우리 앞에 또다시 펼쳐질지도 모르니까요. 

그렇게 상상해보는 것만으로도

오늘 하루가 조금은 더 즐거워질 거예요. 😽💭