[쉽게 풀어쓰기] 전자의 운동을 어떻게 설명할까? - 양자역학, 슈뢰딩거의 고양이

고등학교 과정까지, 혹은 대학교 기초과정까지 원자를 배울 때 이렇게 배워요.

전자는 원자핵 주위를 돌고 있다! 

실제로 전자는 원자핵 주위를 뱅글뱅글 돌고 있을까요?

이 궁금증을 알기 전에 왜 이런 궁금증이 생겼나를 알아볼거에요.

앞에 기술한 것 처럼, 전자가 돌고있는걸 우리 눈으로 볼 수는 없어요.

(http://catmistry.tistory.com/38 - 불확정성 원리) 이걸 먼저 보고 오시는걸 추천해요.

과학자들은 원자를 발견한 후, 전자의 존재를 알게 되고 전자가 어떻게 운동하는지 알고싶어했어요.

하지만 전자가 존재하는 세상은 너무 작아서 흔히 하는 일반적인 생각들이 통하지 않았어요.

이때 일반적인 생각들이 통하는 곳을 거시세계 라고 해요. 우리가 실제 살고있는 공간이구요.

그리고 여기서 통하는 물리법칙들을 고전역학이라 해요. 

뉴턴이 떨어지는 사과를 맞고 중력을 생각해내는 그런 것들이요. 

물체를 얼마의 힘으로 밀면 얼마나 간다! F=ma 이런 것! 너무 명쾌하고 정확하게 맞아떨어져요.

근데 문제가 생겼어요. 우리 삶에서 고전역학은 너무도 잘 맞아 떨어졌지만 원자처럼 작은 세계에 관심을 가지고나니까

거기선 고전역학이 안통하는거에요. 이때 이런 작은 세계를 미시세계 라고 해요.

물체를 밀면 얼만큼 가야되는데, 미시세계에선 모든게 너무 작아서 생각해야 할 다른 요소가 너무도 많았어요.

탁구칠때 공을 라켓으로 받아내면 앞으로만 쭉 가야하는데, 막 물결을 치듯이 가기도하고, 어디로 갈지 몰라요. 

이런 현상을 이해하기 위해 과학자들은 기존의 물리법칙을 넘어선 개념이 필요해졌는데, 그게 양자역학 입니다.

즉, 양자역학은 미시세계의 물리법칙 이겠네요.

물론 과학자들이 처음부터, "야 양자역학이란걸 만들자! 그게 미시세계를 쩔게 분석해줄거야" 이런건 아니에요.

미시세계의 운동을 해석하려고 노력하다보니까, 이런 저런 이론들을 제시하게 되고 그게 모인게 양자역학 이지요.

과학자들은 미시세계의 움직임을 눈으로 못보니까 수학적인 개념을 이용했지요.

이때 행렬을 이용하거나, 파동을 이용하니까 꽤나 잘 맞아 떨어졌어요.

특히, 파동함수를 이용한 설명이 진짜 쩔게 맞아들어갔어요. 막 사인, 코사인 배우잖아요. 이런 물결치는 함수들이요.

미시세계에서는 입자 하나하나 보다도 전체의 흐름이 잘 먹혀 들어갔나봐요.

우리가 물에 돌멩이를 던질 때, 물분자 하나하나가 움직이기도 하지만 물결파에 더 관심을 갖듯이

미시세계에서의 운동은 파동을 이용해서 설명하니 설명이 잘 됐습니다!

그 유명한 슈뢰딩거 방정식이 여기서 나와요. 슈뢰딩거는 파동역학의 아버지 같은 사람이에요. 

파동을 이용해 원자들의 움직임을 설명해볼거야! 하고 슈뢰딩거 방정식을 빰 만들어버렸는데 이게 너무 잘먹혀버리는 거에요.

이런 상황이지요.

과학자 A : 아 내가 전에 실험을 하나했는데 원자가 왜 저기 가있는지 모르겠어

슈뢰딩거 : 그래? 내가 어쩌다 만든 식이 하나있는데 그거 써볼래? 니가 실험하던거 내 식 써서 해봐봐

과학자 A : OMG

이런 상황이 된건데 놀라운건 슈뢰딩거 자신도 그 식을 완벽하게 해석하진 못했다고 전해져요.

식을 만들어내고 써보니까 잘맞는데 왜 잘맞는지 100% 설명은 못하겠어... 이런 상황..

이후 슈뢰딩거 방정식을 해석하면서 다른 관점이 생겨나요. 파동함수는 사실 확률함수다! 하는 사람이 생겨났어요.

직관적으로 설명하자면, 원자가 거기 있을수도 없을수도 있습니다... 하는 사람이 생겨난거죠.

이런 확률적인 관점이 양자역학에 도입되자 슈뢰딩거는 반박했어요. "파동은 파동이지 무슨 확률이야!"

그때 제안한게 그 유명한 슈뢰딩거의 고양이 입니다.

고양이가 박스에 들어있는데, 거기엔 독약도 들어있어요. 독약은 5분후에 50% 확률로 퍼집니다.

고양이는 살아있을까요?

확률적인 관점은 "죽은 상태와 살아있는 상태가 공존하며, 관측자가 관측할 시 상태가 고정된다" 라고 말해요.

슈뢰딩거는 "살아있거나 죽었거나 반드시 둘 중 하나지 죽은 동시에 살아있는 고양이는 없다" 라고 말합니다.

확률의 어정쩡함을 삶과 죽음이라는 극단적인 예시를 들어 반박한거에요.

아인슈타인도 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다" 라고 말했어요.

양자역학의 유용함은 인정했지만 그게 정답이라는 의견엔 부정했지요. 물론 본인은 양자역학에 많은 기여를 했지만..

현대 과학에서는 확률적 해석을 받아들이고 있어요. 평범한 사람에겐 너무 기이한 현상이지만 과학적으로 쓰이지요.

"양자역학을 이해한다는 사람은 양자역학을 아는 것이 아니다" 라는 말처럼 

거시세계를 사는 사람들이 미시세계를 이해할 수 있는 날이 올지 궁금하네요!