양자 이론과 양자물리학 그리고 아인슈타인

양자 이론이란 매우 작은 입자와 복사에너지의 특이한 움직임을 설명하는 이론입니다. 아인슈타인은 광자를 실재하는 물체로 다뤘고, 드브로이는 입자가 파동의 성질을 가진다고 제안했습니다. 1927년 하이젠베르크는 아원자 세계를 지배하는 불확정성의 원리를 발견했습니다.

 

 

 

양자 이론은 우주를 현대적 관점으로 이해하기 위한 핵심적인 이론입니다. 양자 이론은 보통 매우 작은 스케일에서 작동하지만, 물질과 에너지가 상호작용하는 방식에 대한 양자역학적 기술은 우주를 이해하는 데 아주 중요합니다.

 

20세기 초반의 양자 혁명

 20세기 초반의 양자 혁명은 1800년대 후반의 위기로부터 생겼는데 그 시기에 과학자들은 고전 역학의 다양한 측면, 특히 전자기 복사 현상이 앞뒤가 맞지 않다는 것을 알게 됐습니다. 예를 들어 전자기 복사의 파동으로서의 성질은 당연한 것이지만, 그것을 운반하는 것으로 여겨졌던 에테르는 존재하지 않는 것처럼 보였습니다. 백열전구의 발명 덕분에 천문학자들은 어떤 온도에서도 빛을 반사하지 않는 에너지 방사체가 만들어내는 파장의 범위와 같은 '흑체복사'에 대한 실험을 할 수 있었지만 아무도 실험 결과를 정확히 기술할 수 있는 이론적 모형을 만들어 내지 못하고 있었습니다.

 

 1900년 독일의 물리학자 막스 플랑크는 흑체 문제에 대한 독창적인 해법을 찾아냈습니다. 광원에서 방출되는 에너지는 그 원자들의 진동에서 기인한다는 사실로부터, 그는 이 진동이 마치 바이올린 현들이 화음을 이룰 때와 마찬가지로 불연속적인 진동수를 가진다고 가정했습니다. 따라서 그 상태를 변화시킬 때 방출되는 복사에너지는 불연속적인 에너지, 주파수, 파장을 가질 것이었습니다. 플랑크의 모형을 통한 기술은 실험을 통한 측정값과 잘 들어맞았지만, 그 당시에는 누구도 그것이 빛의 본성에 대한 근본적 진실까지 밝혀낼 것이라고는 예상치 못했습니다.

 

 1905년 알베르트 아인슈타인은 그의 논문에서 광전효과 문제에 대한 해법을 제시했습니다. 빛이 불연속적인 패킷, 즉 각각이 자신만의 파동적 성질인 에너지, 주파수, 파장을 가지는 '양자'로 나눠진다고 가정함으로써 적은 양의 고 에너지 청색광은 전류를 만들어내는 반면 많은 양의 저 에너지 적색광은 전류를 만들어 내지 못하는 이유를 밝혀냈습니다.

알베르트-아인슈타인

 오늘날 광자로 알려진 빛의 양자가 존재한다는 것은 현대 천문학에서 매우 중요합니다. 멀리 떨어진 별, 은하 그리고 성운의 화학 성분을 확인하는 데 사용되는 스펙트럼 선들은 궁극적으로 닐스 보어와 볼프강 파울리가 묘사한 것처럼 전자가 원자 핵 주위의 궤도를 변경할 때 방출하거나 흡수하는 빛의 광자로부터 기인하기 때문입니다. 흑체복사에 대한 플랑크 모형은 별 표면에서부터 우주 창조 그 자체의 잔광에 이르기까지 다양한 현상들을 설명해냅니다. 빛이 광자의 형태로 이동한다는 사실은 매질로서 에테르의 필요성을 제거해 버렸다는 것에서 아주 중요합니다.

 

양자물리학

양자물리학은 단순한 빛의 본성을 넘어선 훨씬 넓은 영역을 아우릅니다. 1924년 프랑스 물리학자 루이 빅토르 드브로이는 만약 빛의 파동이 때때로 입자처럼 행동한다면, 입자도 파동처럼 행동할 수 있을지도 모른다는 제안을 했습니다. 그러나 수년 내에, 과학자들이 특정한 실험에서 전자가 실제로 빛처럼 회절하고 서로 간섭할 수 있다는 사실을 보여주었습니다.

 

 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 파장이 입자의 에너지 분포를 나타낼 것이라고 생각했고, 1926년 '파동함수'로 알려진, 그 성질을 계산할 수 있는 방법을 개발했습니다. 슈뢰딩거는 파동함수가 모든 입자들이 본질적으로 에너지파라는 사실을 말해 준다고 믿었지만, 독일의 베르너 하이젠베르크와 같은 다른 과학자들은 파동함수는 입자가 특정 시간에 특정 장소를 점유할 확률을 기술하는 수단에 불과하다고 주장했습니다.

 

 

 하이젠베르크는 파동함수의 의미에 대해 생각하다가 불확정성의 원리를 발견했는데, 그 의미는 다양하게 짝 지어진 입자들의 성질을 정확하게 측정하는 게 불가능하다는 것입니다. 우주론적 관점에서 보면 불확정성의 원리는 매우 중요한데, 그 이유는 이것이 전체 시공간을 무작위의 변동에 민감하게 만들기 때문입니다.

 

 미시적인 양자 세계가 천문학자들이 관심을 가지는 더 전통적인 영역인 거시 세계의 고전 물리학과 상호작용하는 방식을 설명하기 위해 다양한 이론들이 제시됐습니다.

 

 

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