양자역학적 진공

   지금까지 언급해 온 내용은 우리가 흔히 알고있는 일반적인 진공에 관한 내용이다. 그런데 진공이란 개념을 조금은 다른 각도에서 바라보는 사람들이 있는데, 양자역학을 다루는 양자론자 들이 바로 그들이다. 20세기 초, 뉴턴의 고전역학 시대를 지나 많은 과학자들에 의해서 양자역학이란 새로운 학문이 등장하면서 나타난 이 생소한 진공의 모습은 기존의 진공개념을 완전히 뒤엎어 버렸기 때문에 양자역학적 진공이라고 부르게 되었고, 기존의 진공은 고전역학적 진공이라고 구분해 부르기로 되었다. 그렇다면 우리가 다뤄왔던 고전역학적 진공과 양자역학적 진공은 어떤 차이가 있는것인지 잠시 살펴보기로 하자. 


   진공이란 아무것도 없는 공간이란 이야길 했었다. 아무것도 없다는 것은 어떠한 물질도 없다는 것을 이야기하고, 이것이 고전역학에서 바라본 진공의 모습이었다. 그런데 물질은 분자로, 분자는 원자로, 원자는 전자와 핵으로, 또 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다는 것을 생각한다면 결국 진공이란 양성자와 중성자 같은 소립자 조차 없는 공간을 의미한다. 소립자들이 없기 때문에 이들 각각의 소립자들끼리 작용하는 힘도 존재하지 않아야 한다. 


   양자역학이란 학문이 나타나기 전의 사람들은 빛은 에테르라 불리는 물질을 매질로 이동한다고 생각을 했었다. 매질없이 이동할 수 있는 물질의 존재를 인정할 수 없었기 때문이다. 때문에 태양에서부터 지구사이의 우주공간에는 에테르가 가득 차 있어서 빛은 공기를 매질로 한 소리의 이동이나, 바닷가에서 파도가 물을 매질로 이동하는것과 같이 에테르를 매질로 하여 지구까지 온다고 생각하고 있었다. 미국의 물리학자 마이켈슨(Albert Abraham Michelson, 1852~1931)과 몰리(E.W.Morley, 1838~1923)는 빛의 속도를 측정할 수 있는 간섭계를 만들어서 과연 빛이 에테르를 매질로 이동하는지를 측정했지만 여러 번의 실험에서도 에테르가 있다고 여겨질 만한 결과는 얻을 수 없었다. 오랜시간 동안 사람들이 믿어온 에테르란 존재하지 않는다는 것을 실험적으로 증명한 것이다. 결국 빛은 매질이 필요없이 이동할 수 있었다. 사실 빛이 입자성을 띄고 있다는 것을 알고있다면 매질이 필요치 않다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 양자론에서 밝혀냈듯이, 빛은 전자기파의 일종이고, 파동과 입자의 성질을 모두 갖고있다. 그리고 진공에서 빛이 이동한다는 것은 진공 중에서도 전자기파는 발생하고 그에 따른 전기장과 자기장이 발생하며, 중력도 작용한다는 것을 말한다.  아무것도 없는 공간인 진공에서 여러 종류의 장(field)이 만들어지고 또 이것이 이동한다. 그렇다면 정말로 진공안에는 아무것도 없는 것일까.

 디랙의 양자역학적 진공의 에너지 상태

   양자역학의 기초를 만들어 놓은 영국의 천재 이론 물리학자 디랙(Paul Adrian Maurice Dirac, 1902~1984)은 자신의 연구결과를 계산하던 중 한가지 이상한 점을 발견했다. 전자들이 가지는 에너지가 양(+)이 아닌 음(-)의 값을 가지는 경우가 발생한 것이다. 본래 전자의 전하는 음(-)이지만 그 에너지는 양(+)의 값을 가지고 있다. 그런데 과연 음(-)의 에너지를 가지는 물질이 존재할 수 있을까? 많은 사람들이 계산이 틀렸다고 말했고, 보통사람이라면 그 의견들을 받아들였을 테지만 디랙은 생각이 달랐던 모양이다. 자신의 계산이 맞았다는 것을 믿고 그 이유를 하나씩 증명하기 시작했다. 연구 끝에 결국 디랙은 진공상태는 아무것도 없는 공간이 아닌 음(-)의 에너지가 가득찬 공간(이것을 '디랙의 바다'라고 부른다)이란 완전히 새로운 해답을 내놓았는데, 이것이 바로 양자역학적 관점에서 바라본 진공이다. 그리고 디랙은 이러한 진공을 관측하기 위해 '반입자(전자와 질량은 같고 전하는 반대인 물질)'라 부르는 입자의 존재를 예상했다. 전자는 음(-)의 전하를 가지는데 양(+)의 전하를 가진 전자가 있다고 생각한 것이다. 디랙의 이론은 실험적 증거를 제시하지 않아 큰 관심을 받지 못했으나, 얼마 후 미국의 물리학자 앤더슨(Carl David Anderson, 1905~1991)은 전자파 연구 중에 양(+)의 전하를 가진 전자를 관측해내어 디랙의 이론이 맞았음을 증명했다. 이것을 지금은 양전자라 부른다. 


   또한, 하이젠베르그(Werner Karl Heisenberg, 1901~1976)의 불확정성의 원리(Uncertainty principle)에 의하면 아무것도 없는 진공일지라도 에너지가 0 인 상태가 아니란 것을 말해주고 있다. 불확정성의 원리란 것은 미시적인 어느 물체의 운동량을 정확히 측정하려 할수록 정확한 위치를 알 수 없고, 위치를 정확히 측정하려 할수록 정확한 운동량을 알 수 없다는 것을 이야기 하고 있다. 다시 말하면, 위치를 x라 했을 때 위치의 변화인 Δx 와, 운동량을 p 라고 했을 때 운동량의 변화인 Δp 을 동시에 정확히 측정 불가능 하다는 것이다. 그리고 그것을 나타내는 식은 아래와 같다. 

갑자기 웬 식이냐 라고 묻지 마시라. 어차피 여기서는 더이상 써먹을 일이 없다.
그리고 양자역학 이야기에서 이정도는 애교로 봐줘야 한다.

위 식에서 ħ라는 기호는 h/2π 를 나타내며, h 는 익히 알려진 플랑크 상수로 6.626×10^-34J·s 의 값을 가진다. 그런데 이 원리는 에너지와 그 에너지가 유지되는 시간에 관하여도 그대로 성립하고 있다.

   

   이 식이 의미하는 것은 매우 짧은 시간인 Δt 동안 존재하는 에너지를 측정하려 하면, 에너지의 불확정성인 ΔE 가 증가한다는 것이다. 그리고 이 식은 어느 공간의 에너지 ΔE 가 매우 높아질 수 있으며, 그 순간 높은 에너지로 인하여 전자가 만들어 질 수 있다는 것도 보여준다. 전자가 생성되면 그와 동시에 부호가 반대인 양전자가 짝으로 같이 생성되는데, 이로 인해 전기적 중성이 맞춰지면서 전자와 양전자는 동시에 소멸한다. 이렇듯 양자역학에서는 진공의 모습을 에너지가 밀집한 영역에서 물질이 생겼다가 사라지는 것을 반복하고 있다고 보고있다.


   우리는 전자를 영어로 표기할 때 일렉트론(electron)이라 나타내 왔다. 그러나 양전자의 존재가 확인 된 이상, 이것을 구분해야 할 필요가 생겼다. 그래서 양전자는 영어로 포지트론(positron)이라 하고, 음전자는 네가트론(negatron)이라 부르고 있다. 그리고 양쪽을 모두 총칭해서 일렉트론(electron)이라고 하는 것이 정확한 용어가 된다. 하지만 양전자의 개념은 양자역학에서 사용하는 것이고 보통의 물질에서는 나타나지 않으며, 설령 나타난다 하더라도 전자와 만나서 생성하자 마자 빠르게 소멸되기 때문에 우리가 다시 꺼내올 일은 없을 듯 하다. 앞으로 우리가 생각하는 진공은 밀폐용기 내에서 기체분자와 수분을 제거한 고전역학적 진공이면 충분하기 때문이다. 그래서 지금까지 그래왔던 것처럼 '전자' 라고 하면 양전자까지 떠올릴 필요 없이 음전자 만을 고려하면 되고, 일렉트론(electron)이라 나타내면 될 것이다.

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

 

아는 대로 쉽게 쓴답시고 휘갈겨 썼지만..

이거.. 내가 생각해도 먼 소리를 하는지 모르겠... -_ -;;

진공의 (-)에너지만 해도 이야길 하려면 못해도 한 챕터는 잡아먹어야 할 터인데..

그걸 한페이지에 쑤셔넣다니...;;