양자 정보 과학 - 닐스보어의 퀀텀 점프

닐스 헨리크 다비드 보어(덴마크어: Niels Henrik David Bohr 닐스 헨리크 다비드 보르,  1885년 10월 7일 ~ 1962년 11월 18일)는 원자 구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 덴마크의 물리학자로서, 훗날 이 업적으로 1922년에 노벨 물리학상을 받았다. 보어는 코펜하겐의 그의 연구소에서 많은 물리학자들과 함께 공동으로 일하였다. 또한, 그는 맨하탄 프로젝트에 참여 하기도 하였다. 보어는 1912년에 마르그레테 뇌르룬트(Margrethe Nørlund)와 결혼을 한 후 몇 명의 아들을 두었는데 그 중에서 오게 닐스 보어는 그의 아버지처럼 세계에서 중요한 물리학자가 되었고 그 또한 1975년에 노벨 물리학상을 받았다. 보어는 20세기에 가장 영향력 있는 물리학자 중 한 명으로 일컬어진다.

닐스 보어는 러더퍼드가 발견한 원자를 보고 질문을 던집니다. 

"원자핵 주변을 도는 전자는 왜 원자핵으로 끌려들어가지 않을까?"

보어는 의문을 품고, 자신만의 '원자구조이론'을 만들어 갑니다. 그리고 다음과 같은 원자 모델을 제안합니다.

전자는 각 에너지에 맞는 궤도를 갖는다. 전자가 원자핵과 가까운 궤도로 이동시에는 에너지를 잃으면서 빛을 내고, 원자핵과 먼 궤도로 이동할 때는 에너지를 얻는다.

전자는 정해진 궤도에서만 존재할 수 있는데, 현재 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때는 연속적으로 이동하는 것이 아니라,  '팍' 하고 사라졌다가, '팍'하고 나타난다. 이를 '양자 도약(퀀텀 점프) 라고 브른다.

전자가 원자핵으로부터 가장 가까운 궤도로 내려오면 더 이상 갈 데가 없어진다. 원자핵과 가장 가까운 궤도가 가장 안정된 '정상 상태'이고 전자는 원자핵에 붙지 않는다. 이것이 보어의 양자도약 (퀀텀 점프)입니다.

이 이론의 발표는 커다란 논쟁을 일으켰습니다. 알베르트 아인슈타인은(Albert Einstein) 이 이론을 지지하였지만 고전역학과 양자역학적 개념을 섞은 것이라고 냉소적으로 다음과 같이 말하기도 하였습니다. "이론의 성과에 대해서는 겸손해야 한다. 이는 '오른 손이 하는 일을 왼손이 모르게 하라.'라는 수도승의 격언을 따라 얻어진 것이기 때문이다." 아인슈타인 뿐만 아니라 다른 물리학자들에게도 큰 반향을 일으켰습니다. 특히 윌리암 슈테른(William Stern) 과 라우에(Max Theodor Felix von Laue) 는 만약에 보어의 이론이 옳다면 본인이 물리학을 그만 두겠다고도 했습니다.

그 후 보어와 그의 동료들은 여러 가지 실험을 통하여 몇 개의 이론을 검증하였으나, 실질적인 발전은 1925년 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)가 발표한 배타원리가 나온 이후에 비약적인 발전을 하게 됩니다. 닐스 보어는 슬하에 여섯 명의 자식을 두었는데, 두 명은 일찍 죽었지만 나머지 대부분의 자식들은 성공을 할 수 있도록 잘 교육시켰습니다. 그 중 아게 닐스 보어는 그의 아버지처럼 유명한 물리학자가 되었는데 그 또한 그의 아버지처럼 1975년 노벨상을 받습니다.