[양자역학 찍먹 1편] 그래서 '양자'가 뭔데?
안녕하세요~
오늘부터 아주 야심 차게,
문과생도 "아, 그게 대충 그런 거였어?" 하게 되는
<양자역학 찍먹 시리즈>를 시작해 보려고 합니다.
어려운 공식? 없습니다. 수학은커녕 산수도 안 나옵니다.
그냥 친구가 썰 푸는 거 듣듯이 편하게 따라오세요.
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
#1. 결론 : 세상은 ‘양자’로 이루어져 있다.
양자역학은 "도대체 이 세상은 무엇으로 만들어져 있을까?" 라는 질문에 대한
인류의 최신판 답변입니다.
제대로 된 도구가 없던 옛날 시절에는 온갖 썰이 돌았습니다.
고대 그리스의 물, 불, 바람, 흙 4원소설부터
동양에서는 좀 더 디테일하게 음양오행 (따지자면 음양2 x 5행 = 10원소설) 어쩌고 했죠.
그러다 기술이 발전하고 물질을 점점 더 잘게 쪼개면서
(대충 분자설, 원자설, 쿼크 등등을 지나...)
2025년 최신 업데이트 버전 패치 노트는 현재 이렇게 말하고 있습니다.
"이 세상은 '양자(Quantum)'로 이루어져 있다."
#2. 그래서 '양자'가 뭔데?
자, 냄비에 라면 물을 끓여봅시다. 온도가 서서히 올라가지요?
우리는 경험상 물의 온도가 ‘미끄럼틀’처럼 아주 부드럽게 올라간다고 느낍니다.
근데 "막스 플랑크"라는 아주 꼼꼼한 독일 과학자 아저씨가 실험을 하다가 아주 기괴한 사실을 발견합니다.
"어라? 열...이라는 게... ‘개수’가 있어? 헤아릴 수 있는 거였어?!"
열 1개, 열 2개, 열 125개, 열 3,265개...
아무리 정밀하게 실험을 해도 열 0.5개, 열 반의반 개 같은 건 없었습니다.
조금 더 통통한 열, 조금 더 홀쭉한 열도 없습니다.
열은 ‘전 우주 글로벌 동일 규격의 알갱이’였습니다.
열을 포함한 모든 에너지는 하나둘 ‘개수’를 셀 수 있었던 거죠.
이제 우리는 “정말 이상적으로 양이 규격화된 알갱이”를 부를 호칭이 필요해졌습니다.
여기서 ‘양자’라는 말이 탄생하게 됩니다.
영어 단어 퀄리티(Quality)가 '질, 품질'이지요?
반대말은 퀀티티(Quantity), 바로 '양, 수량'입니다.
‘규격(양)이 이븐(even)한 입자’ = ‘양자’ = “Quantum(퀀텀)”
다시 아까 끓이던 라면 물을 볼까요?
우리가 보기에 물의 온도는 부드럽게 오르는 것 같지만,
사실은 층층이 뚝, 뚝, 끊겨서 올라가고 있었던 겁니다.
모든 열 계단은 정확히 규격화되어 있고,
몇 개인지 손가락으로 접어가며 헤아릴 수 있습니다.
단지 그 계단이 너무 작아서 우리 눈에 미끄럼틀로 보였을 뿐이지요.
물론, 끓인 라면이 식을 때도 규격에 맞추어 떨어집니다.
▲ 우리가 경험적으로 느낀 것과는 다르게, 모든 물체의 온도는 불연속적으로 올라가고 내려온다.
# 다음 화 예고!!
더 살펴보니, 열 에너지뿐만 아니라 생각보다 많은 것들이 ‘개수’를 헤아릴 수 있었습니다.
다음 화에는 그 유명한 아인슈타인이 나옵니다.
상대성이론으로 우주 대스타가 된 분이지만,
놀랍게도 이 아저씨가 노벨상을 받은 건 상대성이론이 아닌 '이것' 때문이라는데요.
다음 편에서 계속됩니다!
#덧1. 플랑크: "나도 내가 뭔 소리 하는지 모르겠음"
재밌는 건, 이 '양자'라는 개념을 처음 도입한 막스 플랑크조차 자기가 발견한 걸 안 믿었다는 겁니다.
"에이, 설마 진짜 세상이 뚝뚝 끊겨 있겠어? 그냥 계산하기 편하려고 만든 가짜 개념이겠지 ㅋㅋ"
본인도 반신반의했죠.
왜냐? 당시 상식으로 '빛'이나 '열‘은 당연히 파동(물결)이어야 했거든요. 알갱이라는 건 말이 안 됐으니까요.
#덧2. 세상은 초고화질 픽셀 게임이다?
우주는 (인간 기준) 슈퍼 초고화질이기 때문에 우리 눈엔 아날로그로 보입니다.
근데 현미경으로 확대하고 또 확대해서 우주 끝까지 줌인(Zoom-in)을 당겨보면
사실 이 세상은 픽셀과 프레임으로 이루어진 디지털 세상으로 추정됩니다.
물리학에서는 이걸 '플랑크 길이', '플랑크 시간'이라고 이름 지었습니다.
시간, 공간조차도 1개, 2개 헤아릴 수 있는 최소 단위가 있다는 거죠.
세상은 정말이지 상상 이상으로 ‘양자’로 이루어져 있습니다.
# 진짜 마지막 TMI
물리학자분들은
1) 양자담론 2) 양자역학 3) 양자장론
이 세 가지를 엄밀히 구분하여 언급하십니다.
하지만 우리는 그냥 가장 유명한 말인 ‘양자역학’으로 퉁치자구요.
사실 이 시리즈는 끝까지 ‘양자담론(썰)’에 가까울 겁니다.
우리는 수학은커녕 산수도 하지 않을 거니까요~ ㅎㅎㅎ
- 양자역학의 조상 막스 플랑크의 일생이 궁금하다면? [여기]를 클릭!
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
소수의견
2025.11.27 09:55키키
2025.11.26 19:06현미경 같은 도구로 본 건가요? 그냥 눈으로는 열이 안 보일텐데 어쩌다 발견하게 된 건지가 궁금합니다!
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INTP 진현
2025.11.27 10:47안녕하세요 키키님, 질문 감사합니다!
제가 글에서 생략한 배경을 정확히 궁금해하시네요~!
먼저 오해를 풀어드리자면, 플랑크가 '열'이라는 존재 자체를 처음 발견한 건 아닙니다~
인류는 아주 옛날부터 경험적으로 뜨겁다, 차갑다를 느끼며 '열'이라는 개념을 알고 있었고, 그걸 수치적으로 정확히 측정하기 위해 '수은 온도계' 같은 도구도 이미 쓰고 있었지요.
플랑크가 한 일은 "이미 있는 데이터를 수학으로 뜯어본 것"에 가깝습니다.
당시 과학자들은 용광로(본문에서는 라면 물로 비유)의 온도를 정밀한 온도계로 재고, 거기서 나오는 빛의 색깔 등을 아주 정밀하게 기록해 뒀습니다. (데이터 수집)
그런데 기존 수학 공식으로는 이 데이터를 설명할 수가 없어서 다들 쩔쩔매고 있었죠.
이때 플랑크가 현미경으로 더 자세히 들여다본 게 아니라, 책상에 앉아서 계산기를 두들기다가 기막힌 발상을 한 겁니다.
"만약, 에너지가 덩어리져있다고 가정하고 수식을 다시 짜볼까?"
그랬더니 수학적으로 완벽하게 맞아떨어진 거죠!
즉, 눈으로 열 알갱이를 본 게 아니라, "실험 결과를 설명하려면 알갱이가 있어야만 한다"는 사실을 수학적으로 증명해낸 것이랍니다.
한 가지 재밌는 점은, 플랑크 스스로도 이게 정답을 맞추기 위한 수식적 억지일 뿐이지 현실이 진짜로 이럴 리는 없다고 생각했답니다. 그런데 그게 진짜 현실이었던 거죠.
앞으로도 계속 나오겠지만, 양자역학에는 자기가 한 말을 스스로 못 믿는 천재들로 가득하답니다~소수의견
2025.11.27 11:41그럼 플랑크가 수학적으로 증명한 걸 실제로도 관찰한 방법은 무엇인가요? 플랑크도 당시에 이럴 리 없다고 생각했는데 그게 나중에 과학계에서 어떤 실험으로 확신으로 바뀌게 됐는지 궁금합니다.INTP 진현
2025.11.27 23:35너무너무 좋은 질문 감사합니다!!
이 질문 자체가 제 글을 성의있게 읽어주신 증거입니다.
제가 덧붙일까 말까 고민하다 분량 때문에 넘어간 간극을 아주 정확히 짚어주셨습니다!
결론부터 말씀드리면,
플랑크의 가설을 실제로 증명해 낸 실험이
바로 2화에 나오는 아인슈타인의 <광전효과> 실험입니다.
이걸 이해하려면 '빛'의 말 뜻을 살짝 넓혀야 합니다.
원래 '빛'이란 단어는 눈에 보이는 환한 것(가시광선)을 뜻하지만, 과학자들은 훨씬 넓은 의미로 쓰거든요.
적외선, 자외선, X레이 등 눈에 안 보이는 모든 '전자기파'를 통틀어 '빛'이라고 부르지요.
플랑크가 실험했던 '열'의 정체는 바로 '적외선'입니다.
우리가 일상에서 따뜻하다고 느끼는 열감은 대부분 이 '적외선'이라는 빛을 통해 전달됩니다.
물론 어떤 수준의 열은 눈에 보이는 빛으로, 어떤 수준의 열은 자외선으로 전달되기도 합니다~
(그런 의미에서 우리 눈은 '빛의 에너지 측정기'라고도 할 수 있겠네요!)
즉, [열 = 적외선 = 빛의 한 종류] 이기 때문에
아인슈타인이 "모든 빛은 양자(알갱이)다"라고 증명했을 때,
"열도 양자다"라는 사실이 동시에 증명된 것입니다.
여기서 진짜 소름돋는 포인트가 있습니다!
플랑크는 수학 계산을 위해
"만약 에너지가 불연속적인 알갱이라면, 어떤 고정된 숫자(상수)가 필요하다"라고 가정하고 그 숫자를 '플랑크 상수'라고 이름 지었습니다. (정작 만들어놓고 본인도 못 믿었던...)
그런데 두둥...!
아인슈타인이 광전효과 실험을 통해 빛의 에너지를 측정해 보니,
거기서 튀어나온 숫자가 정확히! 토씨 하나 안 틀리고! '플랑크 상수'와 똑같았습니다.
수학적 가정이 물리적 현실로 증명되는 순간이었죠.
그렇게 플랑크는 적외선(열)뿐만 아니라 우주의 모든 빛에 통용되는 절대 상수를 찾은 사람이 되었습니다.
INTP 진현
2025.11.27 23:06글을 잘 이해해주신 이후의 질문인 게 느껴져서 감사합니다~!
앞으로도 많은 관심 부탁드립니다.
궁금해하시는 3가지 포인트에 대해 정리해 드릴게요!
1. 열은 상대적이다? (정답!!)
정확합니다. 물리학에서는 물체 내부에 가만히 있는 에너지는 '내부 에너지'라고 하고, 한 물체에서 다른 물체로 '이동 중인' 에너지만을 '열'이라고 부릅니다. 즉, '발산(이동)'이 되어야 열이지요.
그래서 온도를 잰다는 건, 이미 열 알갱이를 마구 쏘아내고 있는 물체의 표면에서 그 알갱이의 일부를 '샘플로 채취'하는 과정과 같습니다.
- 50도 물체: 적당한 양의 알갱이를 쏘고 있음.
- 100도 물체: 훨씬 많은 양의 알갱이를 쏘고 있음.
이 둘을 붙여놓으면, 서로 주고받다가 결국 쏘는 양과 받는 양이 같아지는 지점(열평형)에서 온도가 같아지게 되는 원리입니다.
같은 온도끼리도 알갱이를 안 주고받는 게 아니라, 주고받는 양이 똑같은 상태랍니다!
자연스럽게 다음 포인트로 이어집니다.
2. 우주 전역에 열이 퍼져있나요? (맞습니다!!)
말씀하신 것처럼 우주 전체 공간에는 눈에 보이지 않지만 은은하게 열 알갱이들이 퍼져 있고, (문자 그대로) 자연스러운 속도로 열평형을 향해 가고 있습니다.
3. 물체 안에 열 알갱이가 붙어있나요? (아닙니다~)
이게 가장 중요한 포인트인데요, 열 알갱이는 어디에 박혀 있는 게 아닙니다.
원자가 에너지를 받아 격렬하게 춤을 추다가, 진정하기 위해 에너지를 밖으로 버려야 할 때 그때그때 즉석에서 '생성'되는 입자입니다.
물리학자들은 이를 수학적으로 기술할 때 '생성 연산자(Creation Operator)'라는 무시무시한 이름을 씁니다. 말 그대로 입자를 창조한다는 뜻이죠.
4. 이해를 돕기 위한 팁
아마 '알갱이'라고 하니 질량이나 부피가 있는 돌멩이를 상상하기 쉬우실 텐데요. 열 알갱이는 질량도 없고 부피도 없습니다. 그야말로 '규격만 정해진 순수한 에너지 덩어리'입니다. 그래서 전자가 열 알갱이를 아무리 많이 받아먹어도 살이 찌거나 뚱뚱해지지 않습니다. 단지 에너지가 넘쳐서 더 격렬하게 움직일 뿐이죠!
소수의견
2025.11.28 01:43소수의견
2025.11.28 01:51INTP 진현
2025.12.01 01:11대중과 과학이 친해지는 느낌이 들어 기분이 좋습니다!
하나씩 살펴볼게요~
1. 액체나 기체도 표면에서만 나오나요?
네, 맞습니다! 고체든 액체든 기체든, 결국 내 열기가 밖으로 탈출하는 '최전방 국경선'이 바로 표면이니까요.
맛있는 죽(액체)의 온도를 재기 위해 죽 한가운데 온도계를 찔러넣어 볼게요.
죽의 중심부에 있어도 온도계와 죽의 접점은 '온도계의 표면'이자 '죽의 표면'이라 부를 수 있겠지요.
2. 원자 하나하나가 열 알갱이를 만드나요? 정답입니다!
원자 하나하나가 초소형 열 발전소입니다.
내부 깊숙한 곳에 있는 원자들은 열 알갱이를 만들어서 바로 옆 친구에게 던져주고(전달), 그걸 받은 친구가 또 옆으로 던집니다.
실제로 태양 중심에서 만들어진 열 알갱이가 수많은 친구를 거쳐 표면까지 나와서 탈출하는 데만 무려 2만 년이 걸린다고 해요. (정작 표면에서 지구까지 날아오는 건 8분이면 되는데 말이죠!)
3. 열을 내보내면 가벼워지거나 작아지나요? 아닙니다~
질량이 있는 알갱이를 뱉아내면 정확히 그 알갱이만큼의 질량이 줄어들어요.
우리가 '열'이라 알고 있는 알갱이는 '적외선'이라는 빛으로, 모든 빛은 질량이 없습니다.
그래서, 질량이 없는 '열 알갱이'를 내보내서는 '열'이 줄어들 뿐 '질량'이 줄어들지 않아요.
물론, 원자폭탄처럼 질량을 억지로 찢어서 에너지로 바꾸는 특수한 경우는 제외하고요!
일상에서는 열이 식는다고 가벼워지지 않습니다.
INTP 진현
2025.12.01 10:43사실 앞으로 천천히 다룰 내용이었지만
궁금증 해결을 위해 핵심 스포일러를 방출해 봅니다. ㅎㅎ
4-1. 부피가 없다. 정답입니다!
"부피가 없으면 존재하지 않는 거 아닌가요?"라는 질문, 너무 당연합니다.
하지만 양자역학에서는 현재까지 발견된 모든 기본 입자(16개)가
놀랍게도 모두 부피가 0인 '점 입자'입니다.
수학적으로도 실험적으로도요!
다만, 양자와 양자끼리 사이에는 '절대로 침범할 수 없는 간격'이 있고
해상도가 낮은 우리의 눈과 손은 그 '간격(공백)'을 가득찬 덩어리로 경험하게 됩니다.
(단, 말씀하신 '열(빛)' 같은 일부 양자는 완전히 겹쳐지기도 해서 부피에 전혀 기여하지 않습니다!)
흔히 길이, 면적, 부피으로 느끼는 경험은 양자간의 배타적 간격이지
양자 자체의 부피를 겹겹이 쌓아올린 것이 아닌 것이지요.
이 세상은 사실 부피가 전혀 없는 존재들이 '간격'을 벌려 형성한 '공백의 우주'입니다.
4-2. 질량도 없다. 정답입니다!
놀랍게도 16개의 양자 중 2개는 질량 조차도 0입니다.
그리고 '빛'은 질량이 0인 두 가지 양자 중 하나입니다.
그러나 여전히 에너지를 실어나를 수 있고 충돌도 하는 '실체적 알갱이'입니다.
'광전효과 실험'처럼 충돌실험까지 구현이 가능하니까요.
엄연히 '위치'가 있고 '운동'을 하고 '상호작용'을 하는 규격화된 알갱이입니다.
각 하나의 양자마다 '데이터'가 부여되어있다고 이해하면 좀 편하긴 합니다.
전자 : [질량: 1], [전하: -1], [스핀: 1/2]
빛 : [질량: 0], [전하: 0], [스핀: 1]
이렇게 딱 정해진 16종류의 양자가
이동하면서 때 자신에게 부여된 질량, 스핀, 전기 등등의 값을 같이 들고 다닙니다.
마치 게임 캐릭터가 움직이면서 힘, 지능, 아이템 등을 들고 다니듯이 말입니다.
'어떻게 HP가 0인 캐릭터가 존재하고 움직이고 공격도 하나요!'
살펴보니 버그는 아닌 것 같고, 그저 우리 우주가 그런 설정을 가지고 설계되어있는 걸 발견했다고 해야겠군요.
이제 과학자들이 '데이터 시뮬레이션 우주론'을 상상하는 게, 조금 이해가 되시지요?
4-3. 중력의 영향을 받나요? 네, 받습니다!
뉴턴의 중력이론에 따르면 질량이 있는 물체끼리만 서로 끌어당길 수 있지만
아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 한 쪽만 질량이 있어도 끌어당길 수 있습니다.
"질량이 없어도, 공간자체가 휘어져 있으면 방향이 휘어진다."
우리는 '빛'을 끌어당기는 '블랙홀'이라는 존재를 알고 있지요.
블랙홀은 아인슈타인이 맞고, 뉴턴이 틀렸다는 강력한 증거입니다!
무거운 별(블랙홀)이 있으면 주변 공간이 푹 꺼지는데,
빛은 질량이 없어도 그 휘어진 길을 따라가다 보니 빨려 들어가는 것처럼 보이는 거죠.
그래서 질량이 없는 열(빛) 알갱이도 중력의 영향으로 휘어진답니다!