양자 이론은 원자의 에너지 레벨이 자기장에서 어떻게 갈라지는지 설명하는 데 도움이 되었는데, 이 현상은 제만 효과로 알려져 있습니다. 출처: Harsh Vardhan Dewangan/Shutterstock
과학적 아이디어나 이론이 현실에 대한 우리의 관점을 근본적으로 바꾸는 일은 드뭅니다. 그러한 혁명적 순간 중 하나가 2025년에 기념되고 있는데, 유엔은 이를 국제 양자 과학 기술의 해로 선언했습니다 . 이는 100년 전에 쏟아진 논문으로 시작된 양자 역학의 출현 100주년을 기념하는 해입니다. 찰스 다윈의 진화론 없이 현대 생물학을 이해하는 것이 불가능할 것처럼, 물리적 세계에 대한 우리의 근본적인 이해는 이제 양자 원리에 뿌리를 두고 있습니다. 현대 물리학은 양자 물리학입니다.
양자라는 단어는 물질이 에너지를 흡수하거나 방출하는 방식을 말합니다. 이는 이산적인 패킷 또는 양자로 표현됩니다. 물리학에서 이 단어는 라틴어로 '얼마나'를 의미하는 독일어 quant 에서 유래했습니다. 1900년경에 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인과 같은 물리학자들은 임시방편으로 아원자 영역의 여러 현상이 약 2세기 전에 아이작 뉴턴과 다른 사람들이 개발한 고전 역학을 사용하여 설명할 수 없는 이유를 설명하기 시작했습니다. 그런 다음 1925년에 양자는 완전히 새로운 형태의 역학의 기본을 설명하는 데 사용되었습니다. 이는 물리적 물체의 힘과 운동 간의 관계를 설명하는 물리학의 한 분야입니다.
100년 전 몇 달 동안의 혁명적 변화로 양자 역학이 등장한 과정
과학 역사가 크리스티안 카밀레리가 그 해와 그 이후의 놀라운 발전에 대한 에세이 에서 설명했듯이 , 물리학자 베르너 하이젠베르크는 1925년 여름에 심한 꽃가루열로부터 구제책을 찾아 북해의 독일 섬 헬골란트로 여행했습니다.그 직후, 그는 Zeitschrift für Physik 저널에 '운동학적 및 기계적 관계에 대한 양자 이론적 재해석에 관하여'( W. Heisenberg Z. Physik 33 , 879–893; 1925 )라는 제목의 논문을 제출했습니다.이는 하이젠베르크와 그의 가까운 협력자들이 그 후 몇 달 동안 추가 연구를 수행하도록 촉발시켰고, 에르빈 슈뢰딩거는 대안적 접근 방식을 사용하여 작업했습니다.
혁명은 물리학자들이 고전 역학의 법칙을 버리는 것으로 시작된 것이 아니라, 에너지와 운동량과 같은 고전적 개념을 근본적으로 재해석하는 것으로 시작되었습니다. 그러나 혁명은 그 창시자들이 소중히 간직하고 있던 상식적 아이디어, 예를 들어 입자와 같은 아원자 물체가 주어진 시간에 잘 정의된 위치와 운동량을 가져야 한다는 기대를 버리는 것을 요구했습니다. 대신 물리학자들은 자연 현상이 본질적으로 알 수 없는 본질을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 다시 말해 고전 물리학은 현실을 대략적으로 표현한 것일 뿐이며 거시적 수준에서만 나타납니다. 1세기가 지난 지금도 물리적 세계의 본질에 대한 이러한 통찰력은 여전히 똑같이 스릴과 혼란을 줍니다. 많은 Nature 독자들은 동시에 죽고 살아있는 양자 고양이가 제기한 철학적 난제와 양자 컴퓨팅을 중심으로 성장하고 있는 산업에 대해 알고 있을 것입니다 .
다른 사람들은 양자적 아이디어가 인터넷 케이블을 통해 정보를 전송하는 레이저와 전자 칩의 처리 능력을 제공하는 트랜지스터를 어떻게 탄생시켰는지 알 것입니다. 하지만 양자적 아이디어는 또한 모든 수준에서 자연에 대한 우리의 이해를 형성하여 고체 물체가 왜 무너지지 않는지, 별이 어떻게 빛나고 궁극적으로 죽는지 설명합니다.
양자년
앞으로 12개월 동안 전 세계적으로 기념 행사가 계획되고 있습니다. 여기에는 2월에 파리에 있는 유엔 과학 기구인 UNESCO 본부에서 열리는 유엔 연도 개막식 , 3월에 캘리포니아 애너하임에서 열리는 미국 물리학회 회의에서의 특별 행사, 6월에 헬골란트에서 열리는 물리학자 워크숍이 포함됩니다. 주최측의 공동 목표는 양자 역학의 100주년을 기념하는 것뿐만 아니라 지난 세기에 양자 역학에서 생겨난 과학과 응용 분야를 기념하고, 양자 물리학이 앞으로의 세기에 더 많은 변화를 가져올 수 있는 방법을 탐구하는 것입니다.
이 10억 달러 규모의 회사는 빛으로부터 거대한 양자 컴퓨터를 만들 계획입니다. 성공할 수 있을까요?
5월에는 UN이 2025년을 양자 과학의 해로 선포하자고 제안했던 가나가 쿠마시에서 이 주제에 대한 국제 컨퍼런스를 개최합니다 . 그리고 8월에는 과학 역사가들이 브라질 살바도르 데 바이아에서 양자 세기를 기념하기 위해 모일 예정입니다.
이 회의는 양자 이론의 발전을 재검토하기 위해 시작된 20년 연구 프로그램 의 하이라이트가 될 것입니다 . 미니애폴리스에 있는 미네소타 대학교의 역사학자 미셸 얀센은 그 작업의 주요 목표 중 하나가 과학자 집단의 공헌을 확립하는 것이라고 말했습니다. 과학자 집단 중 많은 사람(특히 여성)은 이 분야의 역사에서 인정받지 못했습니다.
캐나다 토론토 요크 대학교의 역사학자 다니엘라 모날디는 이러한 "숨겨진 인물"에는 하이젠베르크와 같은 그룹의 일원이었고 그의 양자 역학 이론을 처음으로 적용한 루시 멘싱이 포함된다고 말합니다. 올해 가장 주목할 만한 사건 중 하나는 16명의 여성에 대한 전기적 에세이인 Women in the History of Quantum Physics 의 출판입니다 .
독일 물리학자 Otto Stern(사진)과 Walther Gerlach는 1922년 유명한 Stern-Gerlach 실험에서 양자 스핀을 입증했습니다. 출처: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection
양자 혁명은 이미 가져온 모든 것에도 불구하고 아직 끝나지 않은 과제가 있습니다. 연구자들이 양자 역학의 기초를 쌓던 시절에 그들은 또한 전자기학 및 물질 상태 연구와 같은 물리학의 다른 분야를 양자 기초에서 재건하기 시작했습니다. 그들은 또한 이론을 확장하여 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체를 포함하려고 했는데, 이는 원래 양자 이론에서는 하지 못했던 것입니다. 이러한 노력은 양자 과학의 범위를 크게 확장했고 연구자들이 입자와 장의 표준 모델을 개발하게 했으며, 이 과정은 마침내 1970년대에 이루어졌습니다.
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표준 모형은 엄청난 성공을 거두었고, 2012년에 핵심 기본 입자인 히그스 보손을 발견하면서 정점을 찍었습니다. 하지만 이러한 확장은 양자 역학보다 덜 견고한 이론적 근거에 있으며, 더 넓은 우주에서 기존의 가시적 물질보다 훨씬 더 중요한 것으로 보이는 '암흑 물질'의 본질과 같은 여러 현상을 설명하지 못하고 있습니다. 게다가 중요한 현상 중 하나인 중력은 여전히 양자화에 저항하고 있습니다.
양자 물리학의 다른 개념적 문제는 여전히 미해결 상태입니다. 특히, 연구자들은 실험이 양자 객체의 모호한 확률을 하나의 정확한 측정으로 '축소'할 때 정확히 무슨 일이 일어나는지 이해하는 데 어려움을 겪습니다. 이는 우리가 살고 있는 - 여전히 무자비하게 고전적인 - 거시적 세계를 만드는 데 중요한 단계입니다. 지난 수십 년 동안 연구자들은 양자 현실의 이러한 기이함을 유용한 기술로 전환하는 방법을 개발해 왔습니다. 컴퓨팅, 초보안 통신 및 혁신적인 과학 장비에 대한 결과적인 응용 프로그램은 아직 초기 단계에 있습니다.
양자 이론은 계속해서 베푸는 것입니다. 올해는 양자 물리학이 대중의 삶에서 차지하는 역할을 기념하고 대중에게 알리고 미래 세대가 누구이든, 세계 어디에 있든 또 다른 양자 세기에 기여하도록 영감을 줄 수 있는 기회입니다.
