[양자 정보 과학] 막스 플랑크와 아인슈타인, 양자역학

그리스 시대 철학자의 근본 질문은 "이 세상은 대체 무엇으로 이루어져 있나?" 였습니다. 이에 자연 철학자인 데모크리토스는 " 이 세상은 원자로 이루어져 있다. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자이며, 항상 운동하기 때문에 다른 원자와 늘 충돌한다. 또 원자는 모양이 각기 다르고 성질도 제각각 다르다. 약 2,500년 전, 현미경도 없던 시절에 생각해낼 통찰력이라곤 믿을 수 없을 만큼 놀랍습니다. 아리스토텔레스는 데모크리토스의 원자설을 받아들이지 않고, 엠페도클레스의 '4원소설'을 받아들입니다.

4원소설은 " 이 세상은 불, 흙, 공기, 물 4가지 원소로 이루어져 있따. 각 원소는 가벼운 것은 공중으로 무거운 것은 땅 아래로 이동한다." 입니다. 아리스토텔레스의 4원소설은 1808년 돌턴이 원자를 발견하기 전까지 약 20세기 동안 과학계를 지배합니다. 이 기간을 물리학의 암흑시기라고 부르기도 합니다. 

1899년 톰슨은 전기가 흐르는 것은 알겠는데, 무엇이 흘러서 전기 현상을 일으키는지에 대해서는 알지 못했습니다. 이 과정에서 톰슨은 전자를 발견하고 생각합니다. "원자는 중성(전기적 성질을 띄지 않음) 이고, 전자는 음극(-)이니 양극(+)을 띠고 있는 물질이 원자 안에 있어야 한다."

어니스트 러더퍼드는 톰슨을 찾아가 원자를 함께 연구합니다.

러더퍼드는 제자들을 동원한 끈질긴 실험 끝에 원자의 중심부에 있는 원자핵을 발견합니다. "원자핵이 양극(+)을 띠고 있다. 그리고 전자는 원자핵 주변을 돈다."

원자의 구조는 태양계 구조와 매우 닮아 있습니다. 양자역학은 우리 몸을 이루고 있는 원자, 우주를 이루고 있는 모든 물질인 원자 운동을 기술한 학문입니다. 

노벨물리학사을 받은 리처드 파인만은 원자에 대해 이렇게 말했습니다.

"외계인이 침공해 지구가 멸망하기 직전, 인류의 문명을 이어가야할 남학생 10명, 여학생 10명에게 물리학자로 한마디 남겨야 한다면 1초의 망성임도 없이 이세상 모든것은 원자로 이루어져 있다. 라고 말하겠습니다.

그만큼 인류의 위대한 발견중 한가지라 할 수 있습니다. 이 세상에 있는 모든 것들은 모두 원자로 이루어져 있습니다. 때문에 원자를 이해하는 것은 자연을 이해하고자 하는 인류에게 가장 중요한 학문이라고 할 수 있습니다.

막스 플랑크는 흑체실험에서 원자의 세상에서는 에너지의 흐름이 '불연속적이다'라는 사실을 밝혀냅니다.

원자가 갖고 있는 근본적 특징을 밝혀낸 것입니다. 또한 아인슈타인은 광양자설로 빛이 광자라고 주장했습니다. 뉴턴은 빛이 입자라고 주장하였고, 그 후 빛의 회절 실험 등으로 비은 파동이라는 사실이 밝혀졌지만, 아인슈타인이 다시 입자라고 주장한 것입니다.

즉 빛은 입자이자 파동, 두자기 특징을 갖고 있다는 것입니다. 막스플랑크와 아인슈타인은 양자역학의 문을 열었습니다. 여기에 양자 물리학에서 가장 중요한 인물 한명이 더 있습니다. 닐스 보어입니다.

그는 "전자는 원자핵 주위를 도는데 왜 원자핵으로 끌여 들어오지 않을까?" 라는 점을 발견합니다. 뉴턴의 질문인 "달은 지구 주변을 돌면서 왜 지구로 떨어지지 않을까?" 이 질문이 원자 세상에서도 똑같이 발생하게 되는 것입니다. 그리고 그는 원자의 모델을 만드는 데 자신의 전부를 걸기로 합니다.