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양자역학이란?

양자역학은 미시세계를 설명하는 이론이다. 미시세계는 아주 작은 세계라고 이해하면 쉽다.

파동-입자 이중성

일단 양자역학의 기본, 파동-입자 이중성부터 알아보자.
예전 물리학자들은 빛이 파동인지, 입자인지를 가지고 엄청 고민을 했다.
물론 위대한 뉴턴이 빛은 입자라고 했지만, 여러가지 실험으로 보통은 파동이라고 생각했다.
하지만 아인슈타인이 광양자 가설을 제시하며 상황이 바뀌었다.
이 이론은 광전효과를 설명한 이론이다.
광전효과란, 금속에 빛을 비추었을때 전자가 튀어나오는 현상이다.
빛을 파동으로 본다면 파동의 에너지가 전자를 금속에서 때어낸다고 설명할 수 있다.
그럼 빛의 세기가 셀수록 나오는 전자의 에너지도 클것이다.
하지만 아무리 센 빛을 비춰도 전자가 많이 튀어나올뿐이었다.
그래서 빛의 에너지는 연속적이지 않으며 광양자로 되어있다고 했다.
그리고 광양자라고 부른것이 오늘의 광자의 시초이기도 하다.
그리고 모르는사람들이 꽤 많은데 아인슈타인은 이 가설로 노벨상을 받은거지 상대성이론으로 받은게 아니다.
하지만, 광양자 가설이 나왔어도 아직 빛은 입자인지, 파동인지 결론이 안 났다.
파동설을 뒷받침하는 실험중 하나로 이중슬릿 실험이 있다.
두 직사각형이 있고 여기에 빛을 쏜다.
그러면 파동의 무늬(여러 줄)이 생긴다.
이렇게 빛의 성질은 미스터리로 남나 싶었으나...

드 브로이의 파동-입자 이중성

루비 드 브로이는 이상한 제안을 했다.
'빛이 전자라면 입자같은 전자가 파동 아닐까?'
이 말은, 빛은 파동이면서 입자라는 것이다.
하지만 우리가 왜 전자가 파동인걸 볼 수 없을까?
전자는 매우 작다.
그리고 우리는 빛이 사물을 때리고 우리 눈에 온 걸 보는것이다.
하지만 전자는 작다고 했다.
그러니 빛이 부딪치면 전자는 심하게 흔들린다.
이게 무슨 상관이냐?
이 관측이라는 행위 자체가 파동, 입자에 영향을 준다는 것이다.
그리고 드 브로이의 가설은 증명되었다.
이중슬릿 실험인데 관측기를 가져다두고 킬때와 껐을때를 형광물질을 발라두고 측정한다.
결과는 놀랍게도 드 브로이의 가설을 지지했다.
이제 양자역학이 얼마나 이상한 얘기를 하는지 알겠는가?
하지만 양자역학은 이제 시작이다.

보어의 원자모형

보어는 새로운 원자모형을 만들었다.
궤도 1(바깥궤도)과 궤도 2(안쪽궤도)가 있다.
이때, 전자는 궤도 1에서 빛을 흡수하고 궤도 2에서 방출한다.
여기서 가장 이상한게 궤도 이동 방법이다.
전자는 궤도를 순간이동하듯 이동한다.
미끄러지듯 이동하면 안되고 특정한 반지름을 가진 궤도만 갈 수 있다.
이것이 양자도약이다.

행렬역학과 파동역학, 확률해석과 코펜하겐 해석

하이젠베르크가 양자역학을 수학으로 기술하는데 성공했다.
이것이 행렬역학이다.
하지만 행렬은 그때 물리학자들이 잘 쓰지 않는 수학이었고 계산도 복잡했다.
여기서 슈뢰딩거가 파동역학을 생각해냈다.
'파동에는 나름의 공식이 있고 전자가 입자면서 파동이면 전자의 파동을 기술하는 방정식도 있지 않을까?'
그리고 이것을 수식으로 완성해낸게 파동역학이다.
하지만 슈뢰딩거와 하이젠베르크의 방정식은 가정은 달랐지만 수학적으로 같았다.
이제 해석문제가 남은것이다.
이것을 해결한게 보른이다.
보른은 파동이 입자자체가 아니라 입자가 존재할 확률이라고 생각했다.
그리고 하이젠베르크가 불확정성 원리를 발표한다.
그게 무엇이냐?
요약하자면, 미시세계에서는 서로 대응되는 두개의 특성(위치, 운동량)을 동시에 아는것은 불가능하다는 뜻이다.
불확정성은 관측 자체가 관측 대상을 교란시켜 나타나는 현상이다.
전자는 매우 작기 때문에 빛을 맞으면 속도에 변화가 생기기 때문이다.
그리고 보어는 연구 끝에 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거의 파동역학, 보른의 확률해석을 포함하여 코펜하겐 해석을 만들었다.
1. 모든 에너지는 양자라고 하는 불연속적 다발로 이루어져 있다.
2. 물질은 점입자로 표현하지만, 입자가 발견될 확률은 파동으로 주어진다.
3. 관측이 행해지기 전에, 물체는 모든 가능한 상태에 동시에 존재한다. 이들 중 어떤 상태에 있는지 확인하려면 단 하나의 상태만이 관측결과로 얻어진다.

양자얽힘

양자역학은 두 물체가 우주 반대편에 있다고 해도 양자역학적으로 연결되어있으면, 즉각적인 영향을 받는다.

슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거는 코펜하겐 해석을 부인하기 위해 사고실험을 고안했다.
방사성 물질과 빛을 검출하면 망치를 작동시키는 검출기, 망치에 맞으면 깨지는 독극물 병, 고양이가 상자 안에 있다.
방사성 물질의 원자가 A 혹은 B 상태로 중첩되어있다.
A면 변화가 없고, B면 빛을낸다.
검출기는 빛을 감지하면 독극물병을 깨트려 고양이는 죽는다.
코펜하겐 해석에 따르면 원자는 A와 B의 상태에 중첩되어있으므로 독극물 병 역시 깨진상태와 멀쩡한 상태에 중첩되어있다.
그럼 고양이를 관측하기 전에 고양이는 살아있으면서 죽어있는 상태가 된다.
슈뢰딩거는 이것이 불가능하다는 주장이지만 이것은 지금은 양자역학을 잘 이해하기 위한 사고실험으로 남아있다.

결어긋남

마지막으로 미시세계와 거시세계를 나누는 경계를 알아보자.
이것은 결어긋남 이론에 해당된다.
이중슬릿 실험에서 관측하지 않은 전자는 벽에 간섭무늬를 나타낸다.
이 결과는 전자의 결이 맞아서 그렇다.
결이 어긋나면 파동도 간섭무늬가 나타나지 않고 입자처럼 두 무늬가 보인다.

외계생명체를 찾기 위한 노력

일단 페르미의 역설을 해결하기 전에 외계생명체를 찾기 위한 노력부터 알아보자.
우리는 과거부터 외계생명체를 찾기 위해 많은 노력을 해 왔다.
가장 유명한것으로 아레시보 메세지가 있다.
아레시보 메세지는 인류의 모습, 우리의 위치 등을 전파에 담아 우주로 보낸 메시지이다.
또한 우리가 메시지를 보내는게 아니라 외계생명체가 메시지를 보내고 있을수 있으니 그 메시지를 받는 프로젝트도 진행중이다.
그리고 메시지를 받는 프로젝트에서 실제로 성과를 낸적도 있다.

Wow 시그널 사건

그렇게 프로젝트를 진행하던 어느날, 강력한 주파수의 신호가 72초동안 노출되었다.
근데 왜 와우 시그널 사건이 되었냐면, 담당 관리자가 전파망원경에서 온 신호를 출력했고, 그 옆에 너무 신기한 나머지 빨간 펜으로 Wow! 라고 썼다. 그래서 이름이 와우 시그널 사건이 된것이다.
하지만 최근에 와우 시그널이 외계인이 보낸게 아니라고하는 사람들이 더 많다.
그때 혜성이 지나갔다는 기록이 있기 때문에 혜성에서 잡힌 신호라고 사람들은 보고있다.

외계인을 찾기 위한것? 또는 평화를 위한것? 골든레코드

보이저호의 골든레코드도 외계인에게 보낸 유명한 메시지이다.
하지만 골든레코드는 사실 외계생명체가 찾기도 어렵고 찾더라도 작동을 잘 시킬 확률도 매우 낮다.
그런데 보이저호에 왜 실었을까?
사실 그때는 전쟁이 많이 일어나던 시기였다.
전쟁이 많이 일어나다보니 사람들은 평화를 원했고, 그 장면이 골든레코드에 실렸다.
그러니까 이게 무슨뜻이냐면 진짜 외계인에게 보낼거였으면 핵폭탄같은 사진을 우리가 이런 과학기술을 가지고 있다는 뜻으로 넣었어도 될것이다.
하지만 실제 골든레코드에는 그런 내용이 전혀 담겨있지 않다.
사람들이 악수하는 사진, 미국 유엔 본부 등 평화에 관련된것들만 실었다.
사실 보이저호의 골든레코드는 어떻게보면 평화를 바라는 마음이 담긴것이 아닐까?

왜 지구에만 오면

이제 페르미의 역설을 해결하기 전에, 여러 외계인 목격담을 파헤쳐보도록 하자.
가장 유명한것이 하나 있다.
미국에서 외계인 우주선이 발견됐다는 목격담이 있었다.
미국은 기상관측선이 떨어졌다고 했지만, 외계인으로 보이는 시체 2구가 발견되었다.
그리고 비밀 유지기간인 50년이 지나고, 그 시체를 해부(두 사람이 생각나는건 기분탓일까)하는 영상이 공개되었고 당연히 조작이었다.
그 외에 다른 외계인 목격담도 많다.
하지만 그것들에는 공통점이 있다.
모두 지구에 추락했다는 점이다.
근데 우리가 보통 말하는 외계인들은 우리보다 똑똑하다.
그럼 우주선이 불시착할 확률도 매우 낮다.
근데 왜, 외계인들은 지구에만 오면 추락할까?
이것은 지구에 마가 낀게 아니면 거의 불가능하다.
또한, 외계인 우주선의 사진도 점점 정교해지고 있다.
그렇다는 말은, 누군가 조작했다는 또 다른 강력한 증거이다.

페르미의 역설

페르미의 역설을 해결하기 전에, 그것이 뭔지 알아보자.
페르미의 역설은 천문학자 페르미가 말한 역설이다.
그 질문은 이렇다.
"만약 우주에 외계인이 많다면, 우린 왜 그들을 못 만났을까?"
이 질문엔 15가지 이상의 대답이 있다.
그중 몇개만 살펴보자.
'이미 외계인은 지구에 와있고 우린 그것을 못 보고 있다.'
이 가설은 외계인이 이미 지구 곳곳에 존재하지만 우리가 못 알아차리고있다는 말이다.
'정부가 외계인을 숨겨주고 있다.'
이건 거의 음모론에 가깝다.
외계인과 소통을 하게되면 전 세계에 알려야 한다.
아니면 불법이다.
'지구가 동물원으로 사용되고 있다.'
외계인들이 지구를 동물원 삼아 인간들을 관찰하고있다는 가설이다.
'우리가 1번째 지적생명체다.'
우리가 첫번째 지적생명체이고 나머지 외계인들은 아직 이정도의 문명을 가지고있지 않다는 주장이다.
'우주가 넓어서 그렇다.'
이게 가장 유력한 가설이다.
우주가 넓어서 외계인이 우리보다 기술이 좋더라도 아직 우리를 못 찾았을거라는 가설이다.
우리는 사실 외계인을 찾더라도 어려운 것들이 굉장히 많다.
우리의 옆 별인 프록시마 센타우리에 있다고 하더라도 신호를 보내려면 약 4년이 걸린다.
또한, 언어도 문제이다.
외계인을 찾는것은 우리만 우주에 있다는 외로움을 달래기 위한것이 아닐까?

이오는 천문학과 물리학을 겁나 좋아하여 이 설명문들을 썼다.
이오는 소설을 프로젝트 헤일메리, 마션, 아르테미스 말고 안 본다. 작가인데도 소설을 안보는;;