물리) 퀀텀과 퀀텀매니아

퀀텀(quantum)이란 뭘까요? 자주 들어봤지만, 딱 뭐라고 대답하기가 어려웠습니다. 

마블의 영화 퀀텀매니아가 있습니다. 마블 열성팬인 아이가 퀀텀이 뭐냐고 질문하는데, 저도 바로 대답을 못하겠더라구요. 그래서 찾아보았습니다. 

퀀텀이란 양자를 말합니다. 물리학에서 나오는 그 양자입니다. 한자로는 量子, 영어가 퀀텀(quantum)입니다. 참고로 복수형은 quanta입니다. 양자는 물리량이 취할 수 있는 최소량을 의미합니다. 물리량이 양자화된다는 것은 최소량(양자가 최소량이므로)의 정수배로 값을 갖는다는 개념이라고 합니다.  

최소량의 정수배가 된다는 것은 무슨 말일까요? 
양의 정수는 1,2,3... 자연수, 0, 그리고 음의 정수는 -1, -2, -3.... 이런 식으로 이어지죠. 

 

어떤 값이 정수배를 갖는다고 생각해 보면, 연속적인 것이 아니라 띄엄띄엄한 값을 갖게 됩니다. 
이게 참 중요한 차이인데요.  물리량이 연속적인 값을 가지며, 0이 아니지만 임의로 작은 값을 가질 수 있다는 고전물리의 담론과 배치됩니다. 그래서 양자가설이 처음 나왔을 때 큰 저항이 있었다고 합니다.

양자(quantum)의 어원은 라틴어 quantus로부터 유래합니다. 의문대명사나 관계대명사의 양 또는 수로 ‘얼마나 큰(how great)의 뜻이라고 합니다. 

 

빛의 양자화 개념은 1900년 막스 플랑크의 흑체복사 실험에 대한 해석에서 시작되었습니다. 당시 물리학에서는 새로운 개념들이 쏟아지고 있었는데요. 슈테판-볼츠만 법칙과 빈의 (변위) 법칙이 발견됩니다. 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck, 1858­~1947)는 흑체복사 연구를 합니다.

흑체(黑體, black body)란 진동수나 입사각에 상관없이 모든 파장의 전자기 복사를 흡수하는 이상적인 물리적 물체입니다. 흑체는 방사선을 흡수할 수 있을 뿐만이 아니라 방출할 수도 있습니다. 플랑크는 흑체복사(black-body radiation) 실험을 하게 됩니다.

1900년에 플랑크가 앞선 두 가지 실험 및 이론을 완벽하게 정리한 복사법칙을 발표합니다. 막스 플랑크 법칙이  그것입니다. 그는 기존의 연구를 토대로 각 에너지의 진동자가 진동수의 정수배만큼의 에너지를 갖는다고 주장합니다. 이 가설을 플랑크의 양자가설(Quantum hypothesis)이라고 부릅니다. 

플랑크는 빈의 변위법칙을 수정하여, 실제 흑체 스펙트럼의 실험 결과와 가장 일치하는 공식을 만들어 냅니다. 여기에서 에너지 덩어리를 양자(Quantum)라고 부릅니다. 플랑크의 가장 큰 업적은 복사에너지가 연속적으로 분포된 것이 아니라, 불연속적으로 양자화 되어 있다는 가정이었습니다. 

당시로서는 쉽게 받아들여질 수 없을 정도로 획기적인 아이디어였습니다. 하지만 후대 물리학 연구가 지속되면서, 플랑크의 가설이 맞다는 것은 속속 밝혀지고 있습니다. 플랑크의 양자가설 발표 후 5년 후에는 이 양자가설을 토대로 1905년 아인슈타인(Einstein)이 광전자 효과(photoelectron effect)를 설명할 수 있게 됩니다. 양자물리학의 새로운 시대가 본격적으로 열린 것입니다. 그 출발은 막스 플랑크였습니다. 

이 퀀텀과 마블 영화의 퀀텀매니아가 어떤 관계인지는 아직 잘 모르겠습니다. 
아직 영화를 보기 전이라 영화를 보면서, 찾아보아야 겠습니다.  

 

대신 아이들과 이 영화를 보게 된다면, 퀀텀이 무엇인지 이야기를 나누게 될 것 같습니다. 양자역학은 어렵지만, 양자가 무엇인지 어떻게 출발했는지는 조금 이야기할 수 있을 것 같습니다.