양자역학 개론

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1. 개요
2. 역사
3. 주요 개념
4. 응용 분야
- 4.1. 기술적 응용
- 4.2. 일상생활 응용
참조

1. 개요

양자역학은 20세기 초 빛과 물질의 상호작용에 대한 실험에서 설명되지 않는 현상을 설명하기 위해 등장했다. 막스 플랑크의 흑체 복사 연구를 시작으로, 아인슈타인의 광자 개념, 보어의 원자 모형 등을 거치며 발전했다. 주요 개념으로는 에너지 양자화, 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 파동 함수 붕괴, 고유 상태, 파울리 배타 원리, 양자 얽힘 등이 있으며, 레이저, 트랜지스터, MRI 등 다양한 기술에 응용되고 있다.

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양자역학 - 광전 효과
광전 효과는 빛이 물질에 닿을 때 전자가 방출되는 현상으로, 빛 에너지가 광자라는 덩어리로 양자화되어 있고, 아인슈타인의 광양자 가설로 설명되며, 다양한 기술에 응용되지만 문제도 야기한다.
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양자역학 개론
개요
수소 원자의 확률 밀도. 더 밝은 영역은 전자가 발견될 확률이 더 높은 영역을 나타낸다.
학문 분야	물리학
하위 분야	원자 물리학 분자 물리학 광학 응집 물질 물리학 입자 물리학 핵물리학
주요 기여자	막스 플랑크 알베르트 아인슈타인 닐스 보어 루이 드 브로이 베르너 하이젠베르크 에르빈 슈뢰딩거 막스 보른 폴 디랙 리처드 파인만
기본 개념
파동-입자 이중성	물질은 파동과 입자의 성질을 모두 가진다.
불확정성 원리	특정 물리량 쌍을 동시에 정확하게 측정하는 데에는 근본적인 한계가 있다.
양자 얽힘	양자 시스템은 서로 연결되어, 한 시스템의 상태 변화가 다른 시스템에 즉각적으로 영향을 미칠 수 있다.
양자 중첩	양자 시스템은 여러 상태가 동시에 존재할 수 있다.
양자화	특정 물리량은 연속적인 값이 아닌 불연속적인 값만 가질 수 있다.
수학적 형식화
상태 공간	힐베르트 공간
상태 벡터	디랙 표기법
시간 진화	슈뢰딩거 방정식
측정	양자 측정
주요 실험
이중 슬릿 실험	파동-입자 이중성을 보여주는 대표적인 실험이다.
슈테른-게를라흐 실험	공간 양자화를 입증하는 실험이다.
관련 주제
양자장론	양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 이론이다.
양자 정보 과학	양자역학적 효과를 이용하여 정보를 처리하는 분야이다.
양자 컴퓨팅	양자역학적 효과를 이용하여 계산하는 컴퓨터이다.
양자 암호	양자역학적 원리를 이용하여 안전하게 암호 통신을 하는 기술이다.

2. 역사

제임스 C. 맥스웰이 19세기 후반에 전기, 자기, 빛을 지배하는 방정식을 통일하면서 빛과 물질의 상호작용에 대한 실험들이 이어졌다. 그러나 이러한 실험들 중 일부는 20세기 초 양자역학이 등장하기 전까지는 설명하기 어려웠다.^[5]

19세기 후반, 열복사는 실험적으로 잘 알려져 있었다. 그러나 고전 물리학에 기반한 레일리-진스 법칙은 낮은 진동수에서는 실험 결과와 일치했지만, 높은 진동수에서는 큰 차이를 보였다. 이에 물리학자들은 모든 실험 결과를 설명할 수 있는 새로운 이론을 찾기 시작했다.

뜨거운 금속 가공물. 노란색-주황색 빛은 높은 온도로 인해 방출되는 열복사의 가시광선 영역이다. 사진의 다른 모든 것들은 각자의 열복사로 빛나고 있지만, 인간의 눈으로는 감지할 수 있는 빛의 파장보다 길어서 덜 밝게 보인다. 원적외선 카메라로는 이 복사를 관측할 수 있다.

열복사는 물체의 내부 에너지 때문에 물체 표면에서 방출되는 전자기 복사이다. 물체가 충분히 가열되면 붉은 빛을 방출하며, 온도가 더 높아짐에 따라 노란색, 흰색, 파란색 순으로 빛의 파장이 짧아진다. 온도에 따라 이상적으로 빛을 방출하고 흡수하는 물질을 흑체라 하며, 흑체가 방출하는 복사를 흑체 복사라고 한다.

물질로부터 방출되는 빛의 서로 다른 진동수의 열복사량 예측. 플랑크의 법칙에 의해 예측된 옳은 값(초록색)과 대조되는 레일리-진스 법칙으로 예측된 고전적인 값(빨간색)과 빈 근사(파란색).

2. 1. 초기 양자론의 등장

막스 플랑크는 1900년에 흑체 복사를 설명하는 모델을 제시했다. 이 모델에서 열복사는 조화진동자처럼 행동하며, 각 진동자는 특성 주파수의 정수배 에너지만을 방출한다. 즉, 에너지가 양자화되어 있다는 것이다. 이때 에너지 양자는 진동수에 비례하며, 그 비례 상수를 플랑크 상수(h)라고 한다.^[60] 플랑크는 이 공로로 1918년 노벨 물리학상을 수상했다.^[62] 그러나 당시 플랑크는 양자화를 근본적인 변화가 아닌 발견적 방법으로 여겼다.^[63]

1905년, 알베르트 아인슈타인은 광선의 에너지가 광자라는 개별적인 묶음으로 나타난다고 제안하며 양자화가 단순한 수학적 구성이 아니라는 것을 주장했다.^[64] 광자 하나의 에너지는 진동수에 플랑크 상수를 곱한 값이다. 당시 빛에 대한 파동 이론이 우세했기에 아인슈타인의 아이디어는 회의론에 부딪혔지만, 광전 효과를 설명하면서 광양자 모델이 선호되었다.

닐스 보어는 1913년에 원자 모형을 통해 전자의 궤도 반지름이 제한되어 있고, 에너지 차이가 흡수선의 에너지 차이와 일치한다고 설명했다. 즉, 원자에서 빛의 흡수와 방출은 에너지 양자화되어 특정 에너지만이 방출되거나 흡수될 수 있었다.^[6] 이는 리드베리 공식의 규칙성을 설명하는 데 중요한 역할을 했다.

2. 2. 양자역학의 발전

'''슈테른-게를라흐 실험''': 불균일한 자기장을 통과하는 은 원자 빔으로, 스핀에 따라 위 또는 아래로 편향됨; (1) 용광로, (2) 은 원자 빔, (3) 불균일한 자기장, (4) 고전적으로 예상되는 결과, (5) 관찰된 결과

1922년 오토 슈테른과 발터 게를라흐는 슈테른-게를라흐 실험을 통해 은 원자의 자기적 성질이 고전 물리학의 설명과 일치하지 않는다는 것을 증명했으며, 이 연구는 슈테른의 1943년 노벨 물리학상 수상에 기여했다.^[11] 슈테른과 게를라흐는 자기장을 통해 은 원자 빔을 쏘았는데, 고전 물리학에 따르면 원자는 연속적인 방향 범위를 가지며 분사되어야 했지만, 실제로는 빔이 두 개의 분리된 흐름으로 갈라졌다.^[5] 이는 당시 알려진 다른 양자 효과와 달리 단일 원자의 상태와 관련된 놀라운 결과였다. 1927년 T.E. 피프스와 J.B. 테일러는 바닥 상태의 수소 원자를 사용하여 유사한 효과를 관찰하여, 은 원자 사용으로 인한 의문을 해소했다.^[12]

1924년 볼프강 파울리는 이 현상을 "고전적으로 설명할 수 없는 이중성"이라고 칭하고, 최외각 전자와 연관시켰다.^[13] 1925년 사무엘 고우드스미트와 조지 어렌벡은 파울 에렌페스트의 조언을 받아 전자의 스핀 개념을 도입하여 이 현상을 설명하는 이론을 제시했다.^[14]

2. 3. 양자장론과 표준 모형

1928년, 폴 디랙은 특수 상대성 이론을 고려하여 스핀을 가진 전자를 설명하는 파울리 방정식을 확장했다. 그 결과, 전자가 핵을 공전하는 속도와 같이 광속에 상당하는 비율로 일어나는 현상을 제대로 다루는 이론이 탄생했다. 디랙은 가장 단순한 전자기 상호작용을 사용하여 전자의 스핀과 관련된 자기 모멘트 값을 예측할 수 있었고, 실험적으로 관찰된 값을 얻었는데, 이는 고전 물리학의 지배를 받는 회전하는 대전된 구의 자기 모멘트보다 훨씬 컸다. 그는 수소 스펙트럼의 스펙트럼 선을 풀 수 있었고, 조머펠트가 수소 스펙트럼의 미세 구조를 성공적으로 설명한 공식을 물리적 기본 원리로부터 재현할 수 있었다.

디랙 방정식은 때때로 에너지에 대한 음수 값을 생성했는데, 이에 대해 그는 새로운 해결책을 제시했다. 즉, 그는 반전자와 동적 진공의 존재를 가정했다. 이는 다체 양자장론으로 이어졌다.

입자 물리학의 표준 모형은 알려진 네 가지 기본 힘 중 세 가지 (전자기력, 약력, 강력 - 중력 제외)를 우주에서 설명하고, 모든 알려진 기본 입자를 분류하는 양자장 이론이다. 이는 20세기 후반에 걸쳐 전 세계의 많은 과학자들의 연구를 통해 단계적으로 개발되었으며, 현재의 공식은 쿼크의 존재에 대한 실험적 확인을 거쳐 1970년대 중반에 확정되었다. 그 이후로, 톱 쿼크 (1995년), 타우 중성미자 (2000년), 그리고 힉스 보손 (2012년)의 증거는 표준 모형에 더욱 신빙성을 더했다. 또한, 표준 모형은 약한 중성 전류와 W 및 Z 보손의 다양한 특성을 매우 정확하게 예측했다.

표준 모형은 이론적으로 자기 일관성이 있다고 여겨지며 실험적 예측을 제공하는 데 성공했지만, 일부 물리적 현상을 설명하지 못하여 기본 상호 작용의 완전한 이론이 되기에는 미흡하다. 예를 들어, 중입자 비대칭성을 완전히 설명하지 못하며, 일반 상대성 이론에 의해 설명되는 전체 중력 이론을 통합하지 못하거나, 암흑 에너지로 설명될 수 있는 우주의 가속 팽창을 설명하지 못한다. 이 모형은 관측 물리 우주론에서 추론된 모든 필요한 특성을 가진 실행 가능한 암흑 물질 입자를 포함하지 않는다. 또한 중성미자 진동과 그 비 제로 질량을 통합하지 않는다. 따라서, 암흑 물질과 중성미자 진동의 존재와 같이 표준 모형과 다른 실험 결과를 설명하기 위해 가상 입자, 여분의 차원, 정교한 대칭성 (예: 초대칭성)을 통합하는 더 이국적인 모형을 구축하는 데 사용된다.

3. 주요 개념

막스 플랑크가 제시한 양자화 개념, 광자와 물질의 파동-입자 이중성, 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리, 파동 함수 붕괴, 고유 상태와 고유값, 파울리 배타 원리, 그리고 양자 얽힘은 양자역학을 이해하는 데 필수적인 주요 개념들이다.

양자화: 막스 플랑크는 1900년에 열복사를 설명하기 위해 에너지가 특정 주파수의 정수배로만 방출된다는 개념을 도입했다.^[60] 이는 플랑크 상수(''h'')로 표현되며, 플랑크 법칙은 양자 이론의 시초가 되었다.^[61]^[62]
파동-입자 이중성: 광자나 전자와 같은 양자 수준의 물체는 입자와 파동의 성질을 동시에 가진다. 이중 슬릿 실험은 이러한 현상을 보여주는 대표적인 실험이다.^[27]^[28]^[29]^[30]^[31]
불확정성 원리: 1927년 베르너 하이젠베르크는 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 원리를 발표했다.^[36] 이는 양자 세계에서 두 상보적인 물리량 사이에 근본적인 상쇄 관계가 있음을 의미한다.
파동 함수 붕괴: 측정을 통해 양자 상태가 확정된 측정 값으로 변환되는 현상이다. 고전역학에서는 관찰되지 않으며, 예를 들어 광자가 감지 화면에 나타날 때 파동 함수가 사라지고 거시적인 물리적 변화가 나타난다.
고유 상태와 고유값: 불확정성 원리로 인해 양자 상태는 확률로만 기술될 수 있지만, 확실한 값을 갖는 상태를 고유 상태라고 한다. 슈테른-게를라흐 실험은 원자 스핀의 고유 상태를 보여주는 예시이다.
파울리 배타 원리: 1924년 볼프강 파울리는 두 전자가 동일한 양자수 집합을 가질 수 없다는 원리를 제시했다.^[39] 이는 수소 원자 스펙트럼의 이중선 현상을 설명하는 데 기여했다.
양자 얽힘: 여러 입자들이 서로 상호작용하여 각 입자의 양자 상태를 다른 입자들의 상태와 독립적으로 설명할 수 없는 현상이다. 아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) 역설^[40]과 존 스튜어트 벨의 벨 부등식^[43]^[44] 연구는 양자 얽힘의 비국소적 특성을 보여준다.

3. 1. 양자화

막스 플랑크가 1900년에 제시한 모델에 따르면, 열복사는 조화진동자처럼 행동한다.^[60] 이 모델을 통해 실험 결과를 재현하려면, 각 진동자가 임의의 에너지를 방출하는 대신 고유한 특성 주파수의 정수배에 해당하는 에너지만을 방출해야 했다. 즉, 진동자가 방출하는 에너지는 '''양자화'''되어 있다. 플랑크는 각 진동자의 에너지 양자가 진동수에 비례한다고 보았고, 이 비례상수는 오늘날 플랑크 상수라고 불린다.^[61] 플랑크 상수(기호 ''h'', '하'라고 읽음)는 6.63×10^(−34) J·s의 값을 갖는다. 따라서 주파수 f를 갖는 진동자의 에너지 E는 다음과 같이 주어진다.

:

E = nhf,\quad \text{where}\quad n = 1,2,3,\ldots

^[61]

플랑크 법칙에 따르면, 복사하는 물체의 온도가 증가하면 더 많은 에너지를 방출하며, 이는 방출되는 에너지 중 더 많은 부분이 스펙트럼의 보라색 쪽에 위치하게 된다는 것을 의미한다.

플랑크 법칙은 물리학에서 처음 등장한 양자 이론이며, 플랑크는 1918년 "에너지 양자 발견을 통해 물리학 발전에 기여한 공로"로 노벨 물리학상을 수상했다.^[62] 하지만 당시 플랑크는 양자화가 (현재의 인식처럼) 세계에 대한 근본적인 변화라기보다는, 순수한 발견적 방법이라고 생각했다.^[63]

3. 2. 파동-입자 이중성

파동-입자 이중성은 광자나 물질과 같은 양자 수준의 물체가 "입자"와 "파동"이라는 고전적인 개념만으로는 완전히 설명할 수 없는 행동을 보인다는 개념이다. 파동-입자 이중성은 양자 물리학의 상보성 원리의 한 예이다.^[27]^[28]^[29]^[30]^[31] 파동-입자 이중성을 보여주는 대표적인 실험으로 이중 슬릿 실험이 있다.

고전적인 입자, 파동 및 파동-입자 이중성을 보여주는 양자 입자에 대한 이중 슬릿 실험

1803년 토머스 영이 처음 수행한 이중 슬릿 실험^[32]과, 10년 후 오귀스탱 프레넬이 수행한 실험에서^[32] 빛의 빔이 가깝게 간격을 둔 두 개의 좁은 슬릿을 통과하여 스크린에 밝고 어두운 띠의 간섭 패턴을 생성하는 현상이 관찰되었다. 이는 물결파에서도 동일하게 나타나는 현상으로, 빛의 파동 특성을 보여주는 것으로 여겨졌다.

이후 전자, 원자, 심지어 큰 분자를 사용한 이중 슬릿 실험 변형에서도^[33]^[34] 동일한 유형의 간섭 패턴이 관찰되었다. 이를 통해 모든 물질이 파동 특성을 가지고 있다는 것이 입증되었다.

광원 강도를 낮추면, 한 번에 하나의 입자(예: 광자 또는 전자)가 간섭 패턴을 천천히 형성한다. 양자 시스템은 이중 슬릿을 통과할 때는 파동처럼 작동하지만, 감지될 때는 입자처럼 작동한다. 이는 양자 상보성의 전형적인 특징으로, 양자 시스템은 파동과 같은 특성을 측정하는 실험에서는 파동처럼 작동하고, 입자와 같은 특성을 측정하는 실험에서는 입자처럼 작동한다. 개별 입자가 검출기 화면에 나타나는 지점은 무작위적이지만, 많은 개별 입자의 분포 패턴은 파동에 의해 생성된 회절 패턴과 유사하다.

3. 3. 불확정성 원리

1927년 베르너 하이젠베르크는 물체의 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 불확정성 원리를 발표했다.^[36] 이는 측정 장비의 정밀도 문제뿐만 아니라, 양자역학적 관점에서 측정되는 양의 본질적인 문제였다. 즉, 거시 세계에서는 물체가 특정한 위치와 속도를 동시에 갖는다고 가정할 수 있지만, 양자 세계에서는 그렇지 않다.^[37]

하이젠베르크는 전자의 위치와 운동량을 측정하는 상황을 예로 들어 설명했다. 전자의 위치를 정확하게 측정하려면 높은 주파수의 광자를 사용해야 하는데, 이 경우 광자와 전자의 충돌로 인해 전자의 운동량이 크게 교란된다. 반대로 낮은 주파수의 광자를 사용하면 운동량의 교란은 줄어들지만, 위치 측정의 정확도가 낮아진다.^[38]

이는 위치와 운동량이라는 두 상보적인 물리량 사이의 근본적인 상쇄 관계 때문이다. 위치를 더 정확하게 측정하려면 운동량의 불확실성이 커지고, 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 상쇄 관계는 기본 입자 크기 (플랑크 규모)에서 두드러지게 나타난다.

불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량의 불확실성의 곱이 플랑크 상수와 관련된 특정 값보다 작을 수 없다는 것을 수학적으로 보여준다.

3. 4. 파동 함수 붕괴

''파동 함수 붕괴''는 측정을 통해 양자(확률적 또는 잠재적) 상태가 확정된 측정 값으로 강제되거나 변환되는 현상을 의미한다. 이 현상은 고전역학이 아닌 양자역학에서만 관찰된다.

예를 들어, 광자가 감지 화면에 실제로 "나타나기" 전에, 광자가 나타날 수 있는 위치에 대한 일련의 확률로만 설명될 수 있다. 예를 들어, 전자 카메라의 CCD에서 광자가 나타날 때, 광자가 장치와 상호 작용한 시간과 공간은 매우 좁은 범위 내에서 알려진다. 그러나 광자는 포착(측정)되는 과정에서 사라졌고, 광자의 양자 파동 함수도 함께 사라졌다. 그 대신, 감지 화면에 일부 거시적인 물리적 변화가 나타난다. 예를 들어, 사진 필름 시트의 노출된 지점이나 CCD의 일부 셀에서 전기적 전위의 변화가 나타난다.

3. 5. 고유 상태와 고유값

불확정성 원리 때문에 입자의 위치와 운동량에 대한 진술은 위치 또는 운동량이 어떤 수치 값을 가질 확률만을 할당할 수 있다. 따라서 확률 구름 속의 전자와 같이 불확정적인 것의 상태와 확실한 값을 갖는 것의 상태 사이의 차이를 명확하게 공식화하는 것이 필요하다. 어떤 면에서 물체가 확실히 "고정"될 수 있을 때, 그 물체는 고유 상태를 갖는다고 한다.

스핀에서 논의된 슈테른-게를라흐 실험에서 양자 모델은 자기 축에 대해 원자의 스핀에 대해 두 가지 가능한 값을 예측한다. 이 두 고유 상태는 임의적으로 '위'와 '아래'로 명명된다. 양자 모델은 이 상태가 동일한 확률로 측정되지만 중간 값은 보이지 않을 것이라고 예측한다. 이것이 슈테른-게를라흐 실험이 보여주는 것이다.

수직 축에 대한 스핀의 고유 상태는 수평 축에 대한 스핀의 고유 상태와 동시에 존재하지 않으므로, 이 원자는 수평 축에 대해 스핀의 두 값 중 하나를 가질 확률이 동일하다. 위 섹션에서 설명한 것처럼, 수평 축에 대한 스핀을 측정하면 스핀이 위로 향했던 원자가 스핀이 아래로 향하게 될 수 있다. 수평 축에 대한 스핀을 측정하면 이 측정의 고유 상태 중 하나로 파동 함수가 붕괴된다. 즉, 수직 축에 대한 스핀의 고유 상태에 더 이상 있지 않으므로 두 값 중 하나를 가질 수 있다.

3. 6. 파울리 배타 원리

1924년, 볼프강 파울리는 관찰된 분자 스펙트럼과 양자역학의 예측 사이의 불일치를 해결하기 위해 두 가지 가능한 값을 갖는 새로운 양자 자유도(또는 양자수)를 제안했다. 특히, 수소 원자 스펙트럼은 단일 선만 예상되었던 곳에서 작은 양만큼 다른 두 개의 선인 이중선 또는 쌍을 가지고 있었다. 파울리는 "원자 내 두 전자가 동일한 양자수 집합을 가질 수 있는 그러한 양자 상태는 존재할 수 없다"라는 ''배타 원리''를 공식화했다.^[39]

1년 후, 율렌벡과 고드스미트는 파울리의 새로운 자유도를 슈테른-게를라흐 실험에서 관찰된 효과인 스핀 속성과 동일시했다.

3. 7. 양자 얽힘

양자 얽힘은 여러 입자들이 서로 상호작용하거나 함께 생성될 때, 각 입자의 양자 상태를 다른 입자들의 상태와 독립적으로 설명할 수 없는 현상이다. 즉, 입자들이 멀리 떨어져 있어도 상관관계를 유지한다.

아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) 역설은 얽힘 연구의 초기 이정표였다.^[40] 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 나탄 로젠은 양자 역학이 제공하는 물리적 현실에 대한 설명이 불완전하다고 주장하는 사고 실험을 제안했다. 1935년 "물리적 현실에 대한 양자역학적 설명이 완전하다고 간주될 수 있는가?"라는 논문에서, 이들은 양자 이론의 일부가 아닌 "현실 요소"가 존재하며, 숨은 변수를 포함하는 이론을 구성할 수 있다고 추측했다.

EPR 사고 실험은 얽힌 상태로 준비된 한 쌍의 입자를 포함한다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 첫 번째 입자의 위치를 측정하면 두 번째 입자의 위치도 예측할 수 있고, 첫 번째 입자의 운동량을 측정하면 두 번째 입자의 운동량도 예측할 수 있다고 지적했다. 그러나 첫 번째 입자에 가해진 작용이 다른 입자에 즉시 영향을 미치는 것은 상대성 이론에 위배되므로(빛보다 빠른 정보 전달), 두 번째 입자는 위치와 운동량 모두에 대해 확정적인 값을 가져야 한다고 주장했다. 하지만 양자 역학은 위치와 운동량을 호환되지 않는 관측 가능량으로 간주하여 두 값을 동시에 연관시키지 않는다. 따라서 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 양자 이론이 불완전하다고 결론 내렸다.^[41] 같은 해, 에르빈 슈뢰딩거는 "얽힘"이라는 단어를 사용하며 "나는 그것을 '하나'라고 부르지 않고 오히려 양자 역학의 '특성'이라고 부르겠다"라고 선언했다.^[42]

아일랜드 물리학자 존 스튜어트 벨은 양자 얽힘에 대한 분석을 더욱 발전시켰다. 그는 얽힌 쌍의 두 입자에 대해 독립적으로 측정을 수행할 때, 각 결과가 숨은 변수에 의존한다는 가정은 두 측정 결과의 상관관계에 수학적 제약을 가한다는 것을 추론했다. 이 제약은 벨 부등식으로 불리게 되었다. 벨은 양자 물리학이 이 부등식을 위반하는 상관관계를 예측한다는 것을 보였고, 숨은 변수가 양자 물리학의 예측을 설명하려면 두 입자가 즉시 상호 작용하는 "비국소적"이어야만 했다.^[43]^[44] 이후 물리학자들은 벨이 제안한 실험과 유사한 실험을 통해 자연이 양자 역학을 따르고 벨 부등식을 위반한다는 것을 발견했다. 즉, 실험 결과는 모든 국소적 숨은 변수 이론과 호환되지 않는다.^[45]^[46]

4. 응용 분야

양자역학은 레이저, 트랜지스터, 전자 현미경, 자기 공명 영상(MRI) 등 현대 기술에 널리 응용되고 있다.^[55] 또한, 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서와 같은 차세대 기술 개발에도 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다.

자외선은 높은 에너지를 가지고 있어 세포를 손상시킬 수 있지만, 적외선은 에너지가 낮아 피부를 따뜻하게 하는 정도의 효과만 나타낸다. 적외선 램프는 넓은 표면을 따뜻하게 할 수 있지만, 자외선 차단과 달리 햇볕에 의한 피부 손상을 일으키지 않는다. 이처럼 전자기파의 주파수와 광자 에너지 간의 관계는 LED 조명과 같은 일상생활 속 다양한 기술에 적용되는 양자역학적 원리이다.

4. 1. 기술적 응용

레이저, 트랜지스터, 전자 현미경, 자기 공명 영상(MRI) 등은 양자역학의 원리를 이용한 대표적인 기술이다.^[55] 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서 등 차세대 기술 개발에도 양자역학이 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

반도체 연구는 현대 전자 공학에 필수적인 다이오드와 트랜지스터의 발명으로 이어졌다. 단순한 전등 스위치에서도 양자 터널링은 매우 중요한데, 그렇지 않으면 전류의 전자가 산화물 층으로 구성된 전위 장벽을 통과할 수 없기 때문이다. USB 플래시 드라이브에 있는 플래시 메모리 칩 역시 메모리 셀을 지우기 위해 양자 터널링을 사용한다.^[55]

4. 2. 일상생활 응용

자외선 광자는 높은 에너지를 전달하여 세포 손상을 일으킬 수 있지만, 적외선 광자는 에너지가 적어 피부를 따뜻하게 하는 정도의 효과만 있다. 따라서 적외선 램프로는 넓은 표면을 따뜻하게 할 수 있지만, 자외선 차단과 달리 햇볕에 의한 피부 손상을 일으키지는 않는다. 이러한 전자기파의 주파수와 각 광자의 에너지 간의 관계는 LED 조명, USB 플래시 드라이브 등 일상생활에서 사용되는 여러 기술에 적용되는 양자역학적 원리이다.

참조

_[1] 웹사이트 Quantum Mechanics https://www.pbs.org/[...] National Public Radio 2016-06-22
_[2] 서적 The Structure of Scientific Revolutions The University of Chicago Press 2012
_[3] 웹사이트 Introduction to Quantum Mechanics https://www.socratea[...]
_[4] 서적 QED : the strange theory of light and matter https://archive.org/[...] Princeton University Press
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