놀라운 다섯 가지 양자 현상!

(Rael Maitreya 선정)

〈놀라운 다섯 가지 양자 현상!〉

우리는 얼마나 깊이, 얼마나 작게까지 “확대해서 들여다볼” 수 있을까요? 우주에서 가장 작은 물질은 무엇일까요?……사실 지금의 과학으로도 명확히 말하기 어렵습니다. 오래전 사람들은 원자가 가장 작은 것이라고 생각했습니다. 원자는 길이 1미터의 100억 분의 1 정도밖에 되지 않을 만큼 작습니다.

하지만 원자가 발견된 뒤, 그보다 더 작은 것이 밝혀졌습니다. 원자의 중심에는 원자핵이 있고, 그 안에는 양성자와 중성자가 있습니다. 그리고 그 주변을 전자가 돌고 있죠. 하지만 그것보다 더 작은 존재가 있습니다. 양성자는 ‘쿼크’라는 입자로 이루어져 있으며, 현재 알려진 것들 중 가장 작은 입자입니다. 과학자들은 지금도 그 크기를 더 정밀하게 측정하려고 노력하고 있습니다. 그렇다면 쿼크보다 작은 것이 있을까요?

만약 우리가 원자 안으로 들어가서 들여다볼 수 있다면 무엇을 보게 될까요?……놀랍게도 거의 “아무것도 없음”입니다. 그 공허함이 끝없이 펼쳐져 있습니다. 원자, 즉 물질은 실제로 대부분이 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 이상하게 들리지만 과학적 사실입니다. 원자핵과 그 주위를 도는 전자 사이에는 전자가 파동처럼 움직이는 “공간”이 존재합니다. 만약 원자핵이 골프공 크기라면, 그 주변의 빈 공간은 몇 킬로미터에 이를 정도입니다.

그렇다면 물질이 이렇게 텅 비었다면, 내 손도 텅 빈 구조일 것입니다. 그런데 왜 손을 벽에 부딪히면 벽을 뚫고 지나가지 못할까요? 벽도 빈 공간이고, 손도 빈 공간인데 말입니다. 이 역시 양자의 신비한 법칙 때문입니다.

실제로 원자 주변의 “공간”은 완전한 진공이 아니며, 전자가 존재할 수 있는 특정한 영역, 즉 궤도가 있습니다. 전자들은 서로 같은 공간을 공유하거나 통과할 수 없습니다. 서로 강하게 밀어냅니다. 이 원리를 파울리의 배타 원리라고 합니다. 이 원리가 있기 때문에 물질은 붕괴하지 않고 안정적으로 존재하며, 우리는 벽을 통과할 수 없습니다. 아쉽지만, 자연의 법칙이 그렇습니다. 이 원리가 없다면 모든 것이 무너져버렸을 겁니다.

이제 “벽을 통과한다”는 이야기와 연결되는 놀라운 현상을 하나 소개해보겠습니다. 어떤 영상에 등장하는 “이상한 액체”가 있습니다. 이 액체는 유리 용기를 그대로 통과해 흘러나옵니다. 정말로 물질을 뚫고 지나가는 셈입니다. 이 액체는 **초유체(슈퍼플루이드)**라고 불립니다. 믿기 어렵겠지만 이것 역시 양자의 특성으로 설명됩니다.

이 액체는 헬륨입니다. 원래는 기체로 존재하며, 우리가 목소리 변조할 때 쓰는 그 헬륨입니다. 하지만 영상 속 헬륨은 극저온 상태까지 냉각된 상태입니다. 섭씨 영하 270도, 거의 절대온도입니다. 이 온도에서 헬륨은 점성을 완전히 잃고, 마치 “미끄러지는 액체”가 됩니다. 꿀처럼 끈적거리지 않고, 어디에도 걸리지 않습니다. 왜 이런 일이 일어날까요?

그 이유는 원자들이 완전히 동기화되어 같은 리듬으로 움직이기 때문입니다. 따로따로 튕기지 않고, 마치 하나의 파동처럼 모두가 한 몸처럼 움직입니다. 따라서 마찰 없이 부드럽게 흘러갑니다. 그 결과 헬륨은 유리 원자의 틈 사이를 스며들듯 빠져나갈 수 있는 것입니다. 정말 경이롭습니다.

양자의 세계에는 더 난해한 현상들도 있습니다. 예를 들어 시간입니다. 원자 수준에서는 ‘시간’이라는 개념 자체가 없을지 모릅니다. 노란 바나나가 시들어 검게 변해가는 영상을 떠올려 보세요. 그 영상을 거꾸로 재생하면 누구나 “이건 이상하다”고 느낍니다. 부패는 되돌릴 수 없는 과정이기 때문입니다.

하지만 원자 하나하나의 움직임을 찍어 그 영상을 역재생하면 어떨까요? 전문가조차도 뒤집힌 영상인지, 정방향인지 구별할 수 없습니다. 즉, 원자의 세계에서는 시간의 방향이 존재하지 않습니다. 원자 하나는 시간이 없어도, 그것들이 모이면 시간이라는 현상이 “등장”합니다. 시간은 크기가 커졌을 때 비로써 생겨나는 성질인 것입니다.

온도도 마찬가지입니다. 우리가 ‘뜨겁다’고 느끼는 것은 원자 수준에서 입자들이 더 격렬하게 충돌하고 있기 때문입니다. 이 역시 양자 현상이 우리의 감각을 결정하는 예입니다.

양자의 세계는 멀리 떨어진 낯선 세계처럼 보이지만, 그 법칙들은 우리 일상의 기반을 이루고 있습니다. 예를 들어 도마뱀이 벽에 달라붙을 수 있는 이유도 양자력 때문입니다. 도마뱀의 발가락을 확대하면 끝없이 많은 미세한 털이 보입니다. 이것을 ‘세투레’라고 부르며, 그 끝에는 ‘스파튤라’라는 더 작은 털이 있습니다. 그 크기는 약 200나노미터, 거의 바이러스 크기입니다.

이 스파튤라의 전자가 벽 표면의 전자와 상호작용하여, 마치 수십만 개의 작은 자석처럼 작용합니다. 이를 반데르발스 힘이라 부르며, 바로 이 양자력이 도마뱀이 어떤 표면에도 접착제 없이 붙을 수 있게 만드는 이유입니다. 정말 놀라운 일입니다.

이처럼 양자의 세계는 작고 멀리 있는 듯하지만, 과학 덕분에 우리는 그 일부를 관찰하고 이해하며, 심지어 ‘조작’할 수도 있게 됐습니다. 과학자들은 이제 원자를 하나씩 움직일 수 있습니다. 물 한 방울에는 수십억 개의 원자가 들어 있지만, 그중에서 원자 하나를 골라내는 것도 가능합니다. 광자의 경우도 마찬가지입니다. 이런 기술은 양자컴퓨터에도 응용됩니다.

양자컴퓨터란, 원자나 광자 같은 미립자를 정보의 매개체로 사용해, 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산을 처리하도록 만든 장치입니다. 일반 컴퓨터가 “0 또는 1”로 작동하는 반면, 양자컴퓨터는 “큐비트”라는 상태를 이용해 여러 가능성을 동시에 처리할 수 있습니다.

이 영상이 완전히 기상천외한 양자 세계로 떠나는 여행을 즐겁게 해주었다면 기쁩니다. 끝까지 시청해 주셔서 정말 감사합니다. 다음 시간에 또 만나요. 과학은 멈추지 않으니까요!

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출처: https://www.facebook.com/yousub.shin.9/posts/pfbid0SrTm2JGTLAuoGRXuLctZrEWcJ7oG45sxS255WXjEnpp7Gh4NUriiprERQLhexqiLl