2010/02/22 13:02

양자[量子, quantum] 이야기 - 양자의 정의와 그 시작 과학이야기

 안녕하세요, 커티군입니다.

오랫만에 다시 포스팅을 하게 되었습니다. 예이 예~


 "과학이란 무엇인가"에 대한 시리즈 포스팅을 끝내고, 연장선상으로 "초끈이론의 허구"를 다룰 생각이었으나

현재 초끈이론의 끈 한가닥을 잡고 허우적대고 있습니다. 끈이론에 등장하는 수식이나, 계파를 구분하는 수학

이론들이 제 수준을 훌쩍 뛰어 넘는 바람에, 진도가 나가지 않는군요.


 책에 있는 내용을 이해하지 않고 그대로 올려도 괜찮겠지만, 이왕이면 앵무새 포스팅을 삼가자는 취지에서 

"초끈이론의 허구" 포스팅은 무기한 연기... 사실 조금있으면 개학이라 힘들어요 ㅠ


 그래서 대신 양자에 대한 포스팅을 하기로 했습니다. 초끈이론에 허우적대고 결국 이리 되는군요. 어흑;










            양자[量子, quantum]의 정확한 정의 -


 저를 포함한 많은 분들은 양자에 대한 정확한 정의보다는 대략적인 개념이 더 친숙할 것입니다. 아주 아주 작은 물질에

대한 것이 양자라고 생각하는 것이지요. 하지만 양자는 물질과는, 특히 양성자와는 더욱 다른 개념입니다. 네이버에서

긁어오자면



어떤 물리량이 연속값을 취하지 않고 어떤 단위량의 정수배로 나타나는 비연속값을 취할 경우, 
그 단위량을 가리키는 용어이다


 이것이 양자에 대한 정의입니다. 즉, 최소 단위량을 양자라고 표현하는 것이지요. 일상 생활을 예로 들어보겠습니다.

우리나라 동전의 양자값은 10원입니다. 동전으로 11원을 만들 수는 없으니까요. 1원짜리 동전이 있다고 태클걸지 마세요.

아날로그를 디지털로 바꾸는 것도 양자화 한다고 표현을 하지요. 연속적이 아니라 최소 단위, 즉 가장 작은 벽돌이

존재하는 것이라면 모두 양자화 되어 있다고 하며, 그 벽돌의 크기를 양자라고 합니다.



 물리학에서 가장 유명한 양자값을 찾으라면, 전하량이 되겠지요. e=1.60×10-19가 전하의 기본 전하량이 됩니다.

모든 전하량은 기본 전하량의 정수배만 될 수 있지요. 또한 전자기파의 에너지도 양자화 되어 있지요. 독일의 막스

플랑크라는 물리학자가 전자기파의 양자화를 처음 입증했는데, 그것이 양자역학의 출발이었습니다.








            양자 역학의 시작


 물리학에서 흑체[黑體, Black Body]는 매우 흥미로운 물질입니다. 흑체는 자신에게 바춰진 복사선을 반사 없이

100% 흡수하여 열로 전환시키는 물질을 말합니다. 전자기파가 복사선의 일부이고, 가시광선은 전자기파의 일종인데, 

흑체가 전자기파, 즉 가시광선 조차 반사하지 못한다면 인간의 눈에는 흑체가 아주 까맣게 보이겠지요. 이 물질의 

이름이 흑체인 이유가 그것입니다.


 그렇다면 흑체가 흡수한 전자기파, 즉 흡수한 에너지는 흑체의 온도를 올리기 시작할 것입니다. 그리고 흑체는 당연히

열 복사선을 방출하겠지요. 그렇다면 물체가 100도씨일 때 어떤 복사선을 방출하는데, 200도씨일 때는 어떨지 알고

있다면 좋겠지요. 아니, 물리학자들은 아무 이유 없이 알고싶어합니다. 얼마 지나지 않아 각 온도별로 방출되는 

전자기파의 파장 등을 알아내는데 성공합니다. 이제 실험 그래프에 어울리는 이론, 즉 공식을 만들어 내면 또 하나의

과학 지식이 탄생하게 됩니다.


 물리학자들은 연구를 계속했고, 마침내 실험을 설명할 수 있는 공식을 개발했습니다. 그러나 이 공식은 반쪽짜리 

공식이 되었습니다. 왜냐하면 실험 그래프와 절반 정도만 일치했기 때문이지요. 나머지 절반은 이론값이 무한대로 

치솟는 경의로운 그래프를 그리게 됩니다. 즉, 흑체가 내뿜는 에너지가 무한대라는 이야기지요.




공기 엔진을 뛰어넘는 흑체 엔진의 발견!



 당황한 물리학자들은 이런 저런 가설을 내세워서 공식을 수정하려 했습니다. 복사되는 열 에너지의 그래프가 흑체 

내부에 존재하는 분자들의 에너지와 비슷한 것이 아닐까, 혹 빛의 파장의 모양에 따라 에너지 값이 다른건 아닐까 

등등 많은 가설이 세워졌다가 사라지기를 반복했습니다.


 그리고 1899년이 달력 한장만을 남겨둔 12월, 막스 플랑크는 빛의 에너지가 연속적인 값이 아닐 지도 모른다

주장을 합니다. 즉, 빛이 양자화 되어 있다는 것이지요. 그리고 양자값을 표현하기 위해 새로운 상수를 과학계에

제안했습니다. 바로 플랑크 상수 "h" 의 탄생이었죠. 그리고 h를 사용한 새로운 식은 기존의 식이 무한대로 치솟는

문제점을 해결하고, 실험값을 멋지게 예측하는데 성공합니다. 다만 요즘은 h를 그대로 쓰지 않고 h를 2π(2 파이) 

값으로 나눈 h바(h 의 윗부분에 가로로 짝대기가 있습니다) 값을 씁니다.


 그 후에 아이슈타인의 광양자설, 드 브로이의 물질파, 슈레딩거와 하이젠베르크의 공식 등이 나타나면서 양자

역학이 시작되었습니다. 전기를 사용하는 거의 모든 제품들은 앙자역학으로 도출된 공식으로 만들어져 있으니,

현대 전기 문명의 대들보라 해도 과언이 아니겠지요. 주춧돌은 맥스웰 방정식 정도 될까요.





덧글

  • 오믈렛 2010/02/22 16:38 # 답글

    아..quantum이 양자였군요. 화학시간 quantum theory 부분에 좀 졸아서 그냥 넘겨버렸는데.. (....)
    혼자서 한 번 뒤적뒤적해봐야겠네요 ㅋ
  • 커티군 2010/02/22 20:57 #

    저도 화학시간에 양자를 처음 배워서 신기했습니다. 물리에서는 전공을 들어가야 겨우 배우는데 비해서 화학이 더 빠르더라고요 ~_~
  • 헐... 2010/02/22 16:54 # 삭제 답글

    [엘러건트 유니버스 Elegant Universe]라는 책에 이 부분에 대한 좋은 설명이 있습니다. 물리학을 전공하지 않은 사람도 쉽게 이해할 수 있는 예와 함께요. 일독을 권합니다.
  • 커티군 2010/02/22 20:56 #

    이미 구입해서 읽어봤습니다. 괜찮은 책이었죠 ~_~
  • insider 2010/02/22 20:22 # 답글

    사실 열 복사선에 대한 온도의 파악은 필요성에 의한 연구라고도 볼 수 있다 합니다. 예전 세계대전 때 일정한 온도의 쇳물을 얻으려고 했는데 그 온도를 잴 수 있는 온도계가 없어서 열 복사선에 의해 온도파악을 하려고 지원을 왕창 해준게 이 시기의 결과물들이라고 합니다. 과학사 책 어디서 봤는데 그 출처가 기억이 안나네요;;
  • 커티군 2010/02/22 20:59 #

    응용 불가능한 과학 지식은 거의 없겠지요 ~_~ 다만 필요에 의해서만 연구를 한다고 말하자니, 호기심에 의한 연구가 마음에 걸려서 저렇게 표현했습니다.
  • Kaltruhe 2010/02/22 21:14 # 답글

    잘 읽었습니다. 다음 편이 기대 되는군요.
  • 커티군 2010/02/24 23:27 #

    감사합니다 ~_~ 지금 흑체에 대한 자세한 글을 쓰는 중인데, 그래프 자료를 직접 만드려니 힘드네요...
  • ddd 2010/02/23 21:00 # 삭제 답글

    양자에 대한 오해를 막기 위한 질문 하나. 빛의 에너지는 nhv (n 자연수, h 플랑크 상수, v 빛의 진동수)라고 하는데, v는 0보다 크기만 하면 아무 값이나 가질 수 있습니다. 그럼 가장 작은 빛 에너지란 게 없는데, 빛의 양자란 게 뭐지요? 그리고 전하량도 쿼크에서 보듯이 e/3 이 더 작은 값이고, 기본 입자는 아니지만 분수양자홀효과에서는 아주 작은 분수값을 갖는 전하량이 존재하기도 합니다.
  • 커티군 2010/02/24 23:37 #

    에흣...그렇네요. c=λf 에서 f값은 λ에 따라 자유롭게 변하는데...아, [엘레건트 유니버스]에서 관련된 내용을 본 듯 한데, 기숙사에 들어와서 책이 없네요ㅠ 뒤에 나온 쿼크에 대한 내용도 제 지식으로는 답변이 힘듭니다ㅠ 내일 물리과 선배에게 넌지시 물어봐야겠습니다.
  • ... 2010/03/20 12:07 # 삭제 답글

    물리과는 아니지만 윗글에 답변해드리자면,

    에너지가 불연속적이라는 것과 -값을 제외한 모든 실수값을 가진다는 말과는 다른 말인 것 같습니다.

    전자의 경우, 전자의 파장 진동수가 제한될때 (고딩때 나오는 간단한 슈뢰딩거 문제 - 전자가 L의 길이를 가지는 공간에 구속되는 - 혹은 양전하로 인해 구속될때 - 보어 이론- ) 양자의 개념을 사용하는 것 아닐까요.

    광량자는 모든 값을 가질 수 있지만,

    f의 진동수를 가지는 광량자는 불연속적인 에너지를 가지죠,
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