양자심리학

에너지는 불연속적이다?

에너지의 단위가 양자이다
양자역학의 역사는 그리 길지 않습니다. 1900년에 막스 플랑크가 흑체 복사 에너지 밀도의 주파수에 대한 함수를 도출하기 위해 에너지의 양자의 개념을 도입하면서부터 급격히 발전된 학문입니다. 양자역학이전에는 뉴턴역학이 자연의 움직임을 설명하는 이론이었지요. 

양자물리학자인 미치오 카쿠가 쓴 <마음의 미래>란 책의 부록에 양자역학에 대해 이해하기 쉽고, 흥미롭고, 더욱이 수식하나 없이 간결하게 정리된 글이 있으니 그래도 궁금하신 분은 읽어보세요. 그리고, <퀀텀 스토리>에서 주요 사건을 발췌한 글도 참고해 보세요. 양자역학 역사속의 수많은 사건과 발견된 현상 중에 흥미로운 부분을 몇가지 소개해 드리려고 합니다.

 

먼저, 양자역학의 불을 지핀 막스 플랑크에 관한 내용입니다.

20세기 초에 뜨거운 용광로의 온도를 잴수 있는 방법은 없었습니다. 그저 뜨거운 물체에서 나오는 색깔을 보고 경험적으로 고온이라고 판단할수 있었을뿐입니다. 장작불이 탈때, 빨간불보다, 노란불이 뜨겁고, 노란불보다 파란불이 뜨겁듯이 색깔로 온도를 유추듯이요.(원문이 문제를 해결하귀 위해 막스 플랑크는 흑체를 연구했습니다. 이 흑체(Blackbody)는 빛을 흡수하기만 하고, 전혀 반사하지 않는 이상적인 물체입니다. 즉, 흑체의 작은 구멍으로 빛이 들어가면 빛이 빠져 나올수 없는 검은 물체를 흑체라고 합니다. 막스 플랑크는 실험결과 아래와 같은 그래프를 얻었습니다.     

                                                 [출처]

 

위 그림은 흑체를 6000K도로 가열하면 다양한 파장별로 에너지가 전자기파로 나오는데 그 양을 측정한 그래프입니다. 이와 관련하여 한가지 신기한 것이 있습니다. 태양의 표면온도는 6000K도로 위의 그래프를 보면 가시광선 파장대(400-700nm)부분에서 가장 많은 에너지를 발산합니다. 우리는 신기하게도 가시광선에 최적화된 눈을 가지고 있습니다! 

막스 플랑크의 역사적 흑체복사 실험!

 

 

다시 원래 얘기로 돌아가면 이 그래프를 실험을 통해 얻었는데 이걸 이론적으로 수식화 하려고 보니 고전역학으로는 맞지가 않는 것입니다. 고전역학으로 설명했던 레일리-진스 이론이라는게 있는데, 이 공식으로 이 그래프를 설명하려고 보니 아래 그래프처럼 자외선 부근에서 무한대로 발산해 버리는 것입니다.

                                                 [출처]

 

한마디로 파장을 공식에 대입하면 에너지의 양이 위 그래프처럼 나와야 되는데 레일리-진스 공식에 대입하면 발산해버리고 실험으로 얻은 그래프처럼 나오질 않는 것입니다. 위 그래프를 보면 짧은 파장에서 더욱 많은 에너지를 발산할 것 같으나 실험은 그렇지가 않았습니다. 일정 파장 이하로 짧아지면 에너지는 0이 되어 버린 것입니다. 레일리-진스 이론은 파장이 짧아지면 에너지가 나와야 하는데 말입니다. 

파장이 매우 짧아지면 복사 에너지가 0이된다!

 

 

이 문제에 대해 새로운 방식의 생각 즉 에너지를 불연속적으로 생각한 사람이 바로 막스 플랑크입니다. 고전역학에서는 에너지를 연속적으로 생각하고 있었거든요(원문). 왜냐면 에너지가 연속적이지 불연속적이라고 생각하는 것 자체가 비현실적이었던거죠.

 

플랑크가 발견한 것은 물질이 가진 에너지는 연속적이지 않고 불연속적이라는 것입니다. 즉 에너지의 최소단위는 플랑크상수에 진동수를 곱한 값과 같다는 뜻이고, 더 나아가 에너지는 플랑크상수와 진동수를 곱한 값의 정수배로 존재한다는 뜻입니다. 다른 말로는 에너지가 ‘양자화’ 되어 있다고 할 수 있는 것입니다.  이렇게 연속하지 않고 단위량의 정수배로 나타나는 에너지 단위를 양자라고 합니다. 

진동자가 연속적으로 에너지를 내놓는 것이 아니라, 양자(quanta)라고 부르는 알갱이(packet)로 에너지를 잃거나 얻을 수 있으며, 복사선의 에너지 E=hv로 주어진다고 가정하여, 흑체복사 곡선전체를 설명할 수 있는 법칙을 유도할 수 있었다. (E는 에너지, h는 플랑크 상수, v는 진동수)

 

 

즉 플랑크가 발견한 것은 에너지의 흐름은 불연속적이라는 것입니다. 양자 세계에서는 모든것이 최소단위의 정수배로 존재하고 흐릅니다. 즉 모든것이 양자화 되어습니다.

모든 에너지는 불연속적이다!

 

 막스 플랑크는 그의 발견을 두고서 이런 말을 남겼습니다.

물질이 연속적이라는 가정을 보호하기 위해 언젠가는 반드시 폐기되어야 할 위험한 이론이다.”

 

본인도 말도 안되는 실험결과라고 생각했었나 봅니다. 흔히들 아날로그는 연속적이고 디지털은 불연속적인 것이라고 알고 있는데 에너지의 단위가 불연속적인데 진정한 아날로그는 존재하는 것일까요? 마치 우리 물질세계는 매우 정밀하게 설계된 시스템이란 생각을 떨칠 수가 없습니다.

물질세계는 매우 정밀하게 설계되었다?!

 

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