노벨 물리학상 수상자 : 양자란 정확히 무엇입니까? 한 번에 알아 보는 양자 역학 이야기

양자 역학의 많은 실험과 이론이 상식과 상충되기 때문에 사람들을 양자를 신비롭게 느끼기도 하고, 약간은 “신뢰할 수 없다”라고 느끼기도 합니다. 예를 들어 “양자 얽힘” 현상은 양자 역학에서는 너무나 흔하지만 실제 세계에는 유사한 사례 조차도 전혀 없습니다. 과학자들도 이에 대해 매우 이상하게 생각하는데, 이는 마치 인간 삶 속의 거시 세계와 미시 세계 사이에 보이지 않는 벽이 있어서 두 세계가 서로 간섭하지 않는 것과 같습니다. 연구가 심화되면서 과학자들은 사실 양자 역학이 우리의 우주에 중요하지 않다는 사실을 발견했습니다. 왜냐하면 이러한 보이지 않는 양자가 끊이 없이 우주의 진화에 영향을 미치고 있기 때문입니다. 양자 역학의 마법이 없다면 우주는 존재할 수가 없습니다. 소위 “양자”는 무엇입니까?  
양자 역학은 다양한 기본 입자와는 다르며 엄밀히 말하면 양자 역학은 실제 존재하는 입자가 아니라 일종의 “개념”입니다. 양자 역학은 모든 “물리량”의 기본 단위를 말합니다. 물리량이 다시 분할되는 것보다 작을 때 양자 역학은 양자화가 되었고 그 가장 작은 단위는 바로 “양자”입니다. 양자 역학은 일종의 “존재 상태”를 말하는 것이지 실제로 존재하는 입자는 아닙니다. 양자 역학의 이런 개념을 이해했다면 양자 역학의 관련 개념을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.  지난 세기부터 과학자들은 뉴턴의 고전 역학이 양자 역학의 특정 현상을 설명할 수 없다는 사실을 점점 더 알게 되었습니다. 사람들은 새로운 이론 시스템으로 마이크로 세계의 모든 현상을 설명하기를 절실하게 바라고 있습니다. 양자 역학은 바로 이런 배경에서 탄생한 것입니다. 많은 유명한 물리학자들의 공동 노력 덕분에 양자 역학은 오늘날 인류의 가장 성공적인 이론이 될 수 있었습니다. 양자 역학의 네 가지 표준 모델이 있습니다. 중력 외에 세 가지 기본 힘이 있습니다. 만약 과학자가 “중력자”를 발견하면 인간은 양자 역학을 사용하여 우주에서 상호 작용을 하는 4가지 힘을 설명할 수 있습니다. 양자 역학의 출현은 물질의 구조에 대한 인류의 인식을 완전히 바꾸었고, 우주의 네 가지 기본 힘에 대한 인식도 새롭게 했습니다. 양자 역학은 인류 역사상 가장 성공적인 이론 중 하나라고 말할 수 있습니다. 그런데 사람들은 지금 양자 역학에 대해 언급을 하면 왜 “신뢰할 수 없다” 라고 느끼는 것일까요?
 
최근 몇 년 동안 소위 “양자 기술”이 끝없이 등장하고 있습니다. 가장 어이 없는 것은 소위 “양자 파동 속독”입니다. 이러한 소위 “양자 파동 속독”은 사실 교육 기관에서 만들어 낸 사기극입니다. 이 사람들은 “양자 얽힘” 현상을 이용해서 아이들에게 눈을 감게 하고 책을 빨리 넘기면 책 속의 내용이 머리 속에 들어갈 수 있다고 합니다.  의심할 여지 없이, 양자 파동 속독 판독은 속임수 이며, 최고의 과학자들도 양자 얽힘을 이용하여 지식을 뇌로 전달하는 것은 불가능합니다. 하물며 신뢰할 수 없는 교육 기관은 더 말할 것도 없습니다. 많은 사람들이 “양자 역학”이라는 기치 아래 속임수를 쓰고 있기 때문에 많은 사람의 마음 속에 양자 역학은 신뢰할 수 없는 것이라고 생각을 하게 되었습니다. 
 
많은 사람들은 “해결하지 못 하는 일은 양자 역학이 해결한다”라고 말하고 있습니다. 사실 이 문장은 많은 공상 과학 작품들이 일시적으로 설명할 수 없는 것들을 설명하기 위해 양자 역학을 임시로 사용하는 것을 좋아한다고 조롱하고 있습니다. 시간이 지나면서 이 최첨단 용어인 “양자 역학”은 그렇게 첨단이 되지 못 했습니다. 사실, 양자 역학은 우리가 생각하는 것만큼 신뢰할 수 있는 것이 아닙니다. 이것은 현재 인류 물리학에서 가장 중요한 이론 중 하나인데, 상대성 이론과 함께 전체 물리학을 유지하는 빌딩과 같습니다. 
  “불확실성”은 양자 역학에서 가장 놀랍고 신기한 부분입니다. 이것은 또한 양자 역학과 고전 역학의 가장 큰 차이점 이기도 합니다. 상식적으로 “측정”은 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다. 그러나 양자 역학에서 “측정”은 측정 결과에 영향을 미치므로 100% 정확한 결과를 얻을 수가 없습니다. 우리가 직접 측정을 하지 않으면 관찰 시스템에 영향을 미칩니다. 
 
양자 역학의 불확실성으로 인해 많은 사람들은 우주의 본질에 대해 의구심을 가지고 있습니다. 전통적인 인식으로 보면 데이터가 충분하기만 하면 사람들은 계산과 측정을 통해 사물의 결과를 예측할 수 있습니다. “예측”의 결과는 비록 충분히 정확하지만 양자 역학에서는 데이터를 사용하여 우주의 모든 것을 예측하는 것은 거의 불가능합니다. 이 외에 항성이 오래도록 안정을 유지할 수 있는 이유도 바로 “양자 터널링 효과”와 관련이 있을 수 있습니다. 이러한 양자 이론이 존재하기 때문에 우리의 우주는 지금의 모습이 된 것입니다.