고전물리학과 양자의 차이점은 무엇일까.

 우리가 물리학이나 화학을 생각해보게 된다면 흔히 양자역학이라는 얘기를 자주 듣기는 한다. 하지만 이중에서 양자약학에 어떠한 영역을 공부하는지에 대해서 잘 이해를 하지 못하는 사람들이 많이 존재하며 애초에 양자역학에서 양자가 무엇을 의미하는지도 잘 이해를 못할 수도 있다. 물리학에서의 고체역학은 고체에 대해서 탐구를 하는 것이고 유체역학은 유체에 대해서 탐구를 하는 것이며 전자기학은 전기와 자기를 학습하는 학문이라는 것을 알 수 있듯이, 도대체 양자역학은 어떻게 생기게 된 것이고, 이것이 어떻게 발전을 하였을까?

 양자역학이 등장하기 이전 물리학은 뉴턴이 제안하였던 운동법칙으로 거의 모든 이론들이 확립이 되고 있었다. 뉴턴의 영향으로 인하여 역학이 정립이 되기 시작하였으며 그와 동반하여 전자기가 19세기 중후반에 발전을 하게 되었다. 이로 인하여 20세기가 들어갈 때에는 멕스웰 방정식까지의 내용 등이 발표가 되었다.

 이전까지의 뉴턴물리학에서는 신기한 점들이 존재하게 된다. 만약에 초기의 물체의 조건 (질량, 힘)을 정확하게 알 수 있게 된다면 특정한 시간에 그 물체의 위치, 속도, 가속도 등을 예측을 할 수 있게 되는 것이다. 그렇기에 우리는 초기 조건만 정확하게 알고 있게 된다면 미래에 이 물체가 어떻게 행동을 하게 될 것인지 정확하게 예측을 할 수 있는 것이다. 그렇기에 이 논리에 바탕하여 당시에는 이 세상의 움직임을 이해하려고도 하였다. 만약에 우주가 처음 생겼을 때의 초기 조건을 정확하게 알고 있게 된다면 우리의 인류는 모두 설명이 될 수도 있을 것이며 미래도 예측이 가능할 것이라는 것이다. 하지만 우리는 모두 알고 있다시피 현재까지 우리는 정확하게 미래를 예측하는 것은 불가능하다. 내일의 날씨조차 ahtqakwcnsms rud우도 존재하는데, 먼 미래의 일을 정확하게 예측하는 것이 가능할지는 의문이다. 물론 내일의 날씨를 예측하는 것 등의 예상보다는 ~~억년 뒤에 우주가 멸망할 것이라는 예상 등은 가능하게 될 것이다. 하지만 이것에 대한 시간적인 범위가 너무나도 크다. 예를 들면 약 100억년 뒤에 어떠한 초자연적인 현상이 일어난다고 사람들이 결과를 내놓았다고 하자. 약 100억년이라는 것이 정확하게 100억년을 의미하는 것은 아닐 것이다. 그렇기에 이들에 대한 시간의 불확정성은 상당히 크게 되는 것이다. 그렇기에 우리는 미래에 대한 정확한 예측을 하였다고 보기는 어려울 수도 있을 것이다.

 그렇다면 우리는 현재 우리 주변의 많은 현상들을 설명할 수 있는 고전 물리학 대신 다른 물리학을 사용하고 있는 것인가? 그렇다. 그리고 그것이 바로 양자역학이라고 할 수 있을 것이다. 양자역학에서 양자화라는 것은 에너지가 연속적이지 않다는 것이 가장 큰 핵심이다. 사실 에너지라는 것은 아주 작은 단위가 자연수가 존재하게 되면 에너지가 만들어지게 되는 것이다. 이러한 에너지의 준위에 의해서 원자들의 모양이 결정이 되고, 우리가 이를 추론을 할 수 있게 되며 이를 통해서 근사적으로도 분자들의 개형 또한 예측을 해보는 것이다.

 앞으로 양자역학에 대해서 많은 사람들이 관심을 가지고, 이에 대한 연구가 지금보다 더욱 더 많이 진행되어 현재까지 밝혀지지 않은 여러 문제들을 해결할 날이 오면 좋을 것 같다.

출처 : David W. Oxtoby, H.P. Gillis, Alan Campion - Principles of Modern Chemistry-Cengage Learning (2012)

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