[물리/논문요약] 量子力學의 史的인 考察 : 과학자의 생애를 중심으로

量子力學의 史的인 考察 : 과학자의 생애를 중심으로

2301 김아진

1. 들어가는 글

 과학적 사실과 법칙이 발견되기까지의 과정을 살펴보는 것을 통해 과학에 대한 흥미를 유발하고 과학자들에 대한 이해도를 높일 수 있다. 이를 위해 양자 가설을 중심으로 과학사를 살펴본다.

2. 양자 가설

 막스 플랑크는 독일 물리학회에서 흑체에서 나오는 복사 에너지가 특정 상수의 정수배가 되어야 한다는 주장을 제기하였다. 빈, 레일리와 진즈는 맥스웰의 분포 곡선을 해석하면서 각자의 결과가 제한된 영역에만 적용된다는 것을 알게 된다. 이는 고전 물리와는 다른 새로운 아이디어가 필요함을 제시하는 것이다. 플랑크는 복사열이 연속적인 흐름이 아닌 양자의 불연속적인 단위라는 양자 가설을 처음으로 제시한다. 그는 고전 물리학자였으며 빛의 파동설을 믿고 있었으므로, 본인이 가설을 세웠음에도 믿으려 하지 않았다. 그 5년 후 아인슈타인이 광전효과를 설명하면서 양자 개념을 빛 고유의 성질까지 확장시켰다. 보어는 새로운 원자모형을 제안하여 양자론을 원자모형 문제와 연결시켰다. 이는 화학원소의 주기율적 성질을 설명하는 데에 큰 역할을 하게 되었다. 좀머펠트는 보어의 원자 모형을 보완했다. 하지만 이 원자 모형이 2차원인데다가 헬륨 이상의 원소를 설명할 수 없게 되자 고전양자론에 위기가 닥쳐오게 된다.

3. 양자 역학의 성립

 드 브로이는 물질파의 존재를 주장하며 이중성은 빛만이 아니라 모든 입자와 파동에 적용되는 일반 원리라고 하였다. 후에 보른의 확률의 파가 드 브로이의 물질파라는 것이 밝혀진다. 하이젠베르크는 학생 때 '이분된 양자수'를 제시했고, 슈뢰딩거가 행렬역학과 완전히 다른 파동역학이라는 새로운 양자역할 체계를 만든 일 년 후인 1927년에 불확정성원리를 제창한다. 파울리는 배타 원리를 주장하였고, 페르미는 이상 기체 상태 방정식에 이를 적용하여 새로운 통계 법칙을 유도하였다. 채드윅은 중성자를 발견한다. 이듬해인 1933년 앤더슨은 최초로 반입자인 양전자를 발견하고, 1938년 한, 슈트라스만은 우라늄 분열을 발견한다.

4. 양자 역학과 현대과학

 양자역학은 입자의 스핀을 기술할 수 있는 언어를 제공해 줌으로써 스핀 때문에 생기는 현상들을 설명해 주었다. 양자역학에서 물질이 가지는 양자도약이라는 특이한 거동은 트랜지스터의 발명으로 연결된다. 또한 양자광학은 레이저, 광섬유에 관련한 공학들을 가능하게 했다. 헬륨 이상의 원자들을 설명하는 것도 가능하게 만들어 지금은 공유결합을 설명할 수 있게 발전하였다. 최근에는 양자생물학이라는 단어까지 등장하였다. 원자의 오비탈 모형은 모두 양자역학에 의해서 가능한 것들이다. 특히 오비탈의 등장은 유기화학의 발전에 큰 기여를 하였다. 양자역학은 비단 과학 분야만이 아니라 인문학 분야까지 번져서, 양자 논리학이라는 학문이 등장하기도 했다. 이는 양자역학과 논리학이 결합한 분야로써 양자암호학, 양자컴퓨터 등과 같은 양자정보과학이 이 분야의 한 예이다. 양자심리학은 의식의 존재를 전제하고 이것이 물리현상에 어떻게 연루되어 있는지를 서술하며 상태붕괴가 의식을 야기한다고 본다. 최근의 과학사들은 양자역학에 집중되어 탐구되어 왔고, 철학자들은 양자역학을 통해 형이상학적 탐구를 촉구했다. 이러한 양자역학에 관련된 모든 연구와 관심들을 '양자메타물리학'이라고 칭하며, 이는 학문의 통합적 기능 회복에 중요한 역할을 하고 있다. 

 

출처 : 김종옥, <量子力學의 史的인 考察 : 과학자의 생애를 중심으로>, 순천대학교 교육대학원 학위논문(석사), 2002