박종진의 과학 이야기- 터널 효과

양자얽힘이란 것이 있다. 한쪽 입자의 상태가 변하면 다른 쪽 입자의 상태도 따라서 변하는 현상으로 직관적인 고전역학에 익숙한 우리에게는 무척 생소한 개념이다. 심지어는 두 입자 사이의 거리가 수억 광년 떨어져 있다고 하더라도 동시에 변하기 때문에 우주의 최고 속도인 빛의 속도를 위반한다고 반문할지 모른다. 하지만 양자얽힘은 속도와는 관계가 없는 현상이어서 천재 과학자 아인슈타인마저도 이해하지 못하고 그저 유령 현상이라고 했다. 아직도 신비하기만 한 양자의 세계에는 또 다른 이해하기 어려운 것이 있는데 바로 터널 효과 현상이다.   20세기 초반에 시작된 양자역학은 아직도 우리가 완전히 이해하지 못하고 있지만, 양자역학적 현상은 이미 여러 분야에 이용되고 있다. 여기 소개하는 양자 터널 효과 역시 직관적, 상식적으로는 이해가 되지 않는다.     쉽게 얘기해서 벽을 향해 던진 야구공이 벽을 통과하여 계속 날아갔다는 말이다. 쉬운 예를 드느라 억지를 부렸는데 공은 입자이기 때문에 벽에 부딪히면 당연히 튀어나와야 하겠지만 파동으로 행동한다면 확률적으로 그럴 수도 있다는 말이다. 물론 현실에서가 아니라 아원자 규모의 세계에서 벌어지는 일이다.     미시세계의 운동을 다룬 양자역학에서 입자는 입자처럼 행동하기도 하지만 파동의 성질도 갖는다. 파동의 좋은 예가 전자기파인데 전자기파는 유리 같은 장애물을 만나면 반사되지만, 일부는 투과하기도 한다. 아원자 규모의 세계에서는 물질파도 그런 식으로 사물을 투과할 수 있기도 한데 이를 터널 현상이라고 한다. 양자의 세계에서 벌어지는 신기한 일이다.   원자핵 속에는 양성자와 중성자가 있다. 그중 +전하를 가진 양성자는 자기끼리 서로 밀쳐내므로 강한 핵력이 그런 척력을 이기고 양성자를 묶어 놓는다. 그래서 양성자는 강력을 이기고 밖으로 빠져나올 수 없고, 그 때문에 원자는 자신이 가지고 있는 양성자 수에 따라서 고유의 성질을 갖는다.     이렇듯 양성자 두 개가 묶여 있으면 헬륨 원소이고, 양성자 여덟 개가 묶여 있으면 산소 원소가 된다. 양성자의 수에 따라서 자연계에 존재하는 기본 원소의 성질이 판이해진다. 그런데 어떤 경우에는 양성자가 핵력을 이기고 원자핵 밖으로 탈출하기도 한다. 입자가 파동의 성질을 보이는 경우인데 이를 알파 붕괴라고 하며 양자 터널의 한 예다.   뉴턴에서 아인슈타인으로 이어지는 고전물리학에 익숙한 우리로서는 이해하기 힘들다. 하지만 하이델베르크가 말한 불확정성의 원리에 의해서 양자 터널 현상은 존재하며 우리는 이미 실생활에 이용하고 있다. 부도체는 전기가 통하지 않는 물체를 말하는데 양자 터널 현상으로 전자를 통과시켜, 즉 전기를 흐르게 하여 반도체 역할을 하게 한다니 놀랍다. 심지어는 항성의 핵융합 반응도 양자 터널 효과에 의해서 가능하다고 한다. 현재 우리는 나노 기술과 반도체에서 양자 터널 효과를 이용하고 있다.   지금 우리의 과학 기술이 아직은 양자역학을 제대로 이해한 수준은 아니다. 마치 인수분해를 깨우친 중학생이 미적분 문제를 대하는 것과 같다. 수학은 수학인데 그 수준에 이르지 못해서 헤매는 꼴이다. 우리의 물리학의 현주소는 우주 대부분을 이루는 암흑에너지와 암흑물질이 무엇인지 알지 못하고, 블랙홀의 실체도 명쾌하게 밝혀내지 못하고 있는 형편이다. 갈 길은 먼 것 같지만, 큰 문을 열고 들어갈 전야에 와 있는 것도 사실이다.    (작가)     박종진박종진 이야기 양자역학적 현상 양자 터널 양성자가 핵력

2026.01.09. 14:41

[박종진의 과학 이야기] 양자 중첩

얼마 전까지는 전자가 과학의 화두여서 전자계산기, 전자현미경, 전자오븐, 전자공학과 등등 세상은 전자로 도배되는 것 같더니 이제는 양자역학 이야기가 넘친다. 이미 양자컴퓨터가 소개되었고 곧 일반화될 것 같다.   뉴턴에서 시작하여 아인슈타인까지 내려오는 고전역학은 모든 것이 예측 가능했다. 쉬운 예를 들자면, 시간당 10km를 가는 자전거를 이용하면 세 시간 후에 그 자전거는 출발지에서 30km 떨어진 곳을 지나게 된다. 그렇게 해서 대포알의 궤적을 계산할 수 있었고 결국 인류는 달을 디딜 수 있었다. 우주 정복은 시간문제처럼 생각되었다.   그런데 원자 규모의 미시세계에서는 고전역학이 들어맞지 않았다. 전자는 아무리 작다고 해도 질량을 가진 물질인데 고전역학적 계산으로 도저히 감을 잡을 수 없었다. 이때 등장한 것이 바로 양자역학이다. 결론적으로 말해서 거시세계의 움직임과 미시세계의 움직임에는 두 가지 다른 법칙을 적용해야 한다는 것이다. 같은 자연계 현상을 설명하는 데 두 가지 공식이 필요한 전례가 없어서 과학계는 당황했다.   양자역학적 현상에 양자 중첩이란 것이 있는데 이는 직관적인 지식을 가진 우리를 헷갈리게 한다. 예를 들어, 상자 속에 고양이를 넣고 그 고양이가 살아 있을지 죽었을지를 묻는다면 답은 딱 두 가지다. 살아 있는 고양이가 나오거나 이미 죽은 고양이가 발견되는 것이다. 그런데 양자역학적 답은 다르다. 상자 속 고양이는 삶과 죽음 두 가지 상태로 겹쳐 있다가 상자의 뚜껑을 여는 순간 고양이는 살아 있거나 죽은 고양이로 결정된다는 것이다. 원자핵 주위를 공전하는 전자의 위치는 태양 주위를 도는 행성의 궤도처럼 정해져 있는 것이 아니라 확률적으로 분포한다고 한다. 그래서 전자가 존재할 확률이 약 90% 정도 되는 곳을 전자가 있는 곳이라고 한다. 물은 100도에서 끓고 0도에서 언다고 배운 우리에게 과학이 확률 놀음이라니 말이 안 된다. 아인슈타인이 화를 내며, '신은 주사위 놀이를 하지 않는다!'라고 역정을 냈다는 일화는 유명하다.   아인슈타인이 밤하늘에 떠있는 달을 가리키며 저 달은 항상 저곳에 있는지 물었더니 양자역학을 주장하는 과학자의 말로는 관찰해보기 전에는 알 수 없다고 하자 아인슈타인이 먹던 컵라면을 집어 던졌다는 이야기도 있다.   상자 속 고양이는 이미 죽었든지 아니면 살아 있는 것이 과학적인 이야기인데 삶과 죽음이 중첩되어 있다가 뚜껑이 열리는 순간 생과 사가 갈린다는 말은 암만 생각해도 과학적인 표현은 아니다. 하늘에 달이 있으면 있는 것이고 없으면 없는 것이지, 있고 없고가 중첩되어 있다가 우리가 하늘을 쳐다보는 순간 비로소 결정된다는 것은 당연히 말장난같이 들린다. 아인슈타인이 화를 낼만도 하다.   빛은 입자이면서 파동이다. 입자와 파동이 중첩되어 있다가 관찰을 당하는 순간 입자의 성질을 보이기도 하고 파동의 특성이 나타나기도 한다. 이러한 양자 중첩 현상을 이용하면 엄청나게 빠른 컴퓨터를 만들 수 있는데 바로 양자 컴퓨터다. 우리가 천재라고 칭송하는 아인슈타인이 이해를 못 했을 정도니 일반인으로서 양자역학을 제대로 이해한다는 것은 불가능하다. (작가)   박종진박종진의 과학 이야기 양자 중첩 양자역학 이야기 양자역학적 현상 양자 중첩

2024.08.30. 13:33