상대성이론과 양자이론

상대성이론이란?

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현대 과학 중에서도 우리의 일상적 관념 세계를 극적으로 뛰어넘게 만들어준 최초의 이론이 바로 상대성이론이다. 이 이론은 다시 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나누어지는데 1905년 아인슈타인에 의해 제안된 특수상대성이론은 서로 등속도로 움직이는 기준계 간에 나타나는 문제를 다루며 10년 후 역시 그에 의해 제안될 일반상대성이론은 일반기준계에서의 문제를 취급한다.

 

특수상대성이론은 기본적으로 관측자의 운동에 무관하게 빛의 속도가 일정하다는 광속 불변의 원리와 서로 등속도 운동을 하는 두 관측자 사이에 동일한 자연법칙이 적용된다는 이른바 '특수상대성원리'를 그 밑바탕에 깔고 있다. 그런데 이러한 원리에 부합되는 이론을 전개하고자 할 때 종래의 시간과 이와 독립된 3차원 공간 개념은 적절하지 않고 시간도 공간의 한 성분으로 보는 4차원 시공간 개념을 설정해야만 한다.

 

이렇게 새로운 시간, 공간 개념을 도입할 경우 기존의 자연법칙들이 상대성이론에 부합되게 설정될 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 인간이 아직 경험하지 못했던 새로운 현상들을 예측할 수 있게 된다.

 

특수상대성이론에서 보여주는 중요한 결과 중의 하나는 물질의 질량이 에너지와 동일한 것이라는 사실이다. 이것이 질량-에너지 등가 원리인데, 실제로 질량의 감소가 방출된 에너지로 환산될 수 있음이 원자핵 반응에서 입증되었다. 제2차 세계대전중에 사용된 원자폭탄의 엄청난 파괴력은 핵분열 당시 감소한 소량의 질량 차를 통해 쉽게 산출되는 것이었다.

 

한편 일반상대성이론은 중력을 독립된 힘으로 보지 않고 질량 분포에 의한 시공간의 굴곡으로 나태냄으로써 종래의 중력 법칙을 대체하였다. 이 이론은 과거에 이해할 수 없었던 중력장 내의 여러 현상을 성공적으로 설명할 뿐만 아니라 블랙홀의 존재나 우주 팽창에 대한 이론적 근거를 제공한다.

 

우리가 흔히 접하는 일상적 관념 세계를 뛰어넘어 우리의 창조적 상상력에 의한 고차적인 지적 작업을 통해서만 자연에 대한 진정한 이해에 조금씩 다가설 수 있다는 사실을 상대성이론은 보여준다. 이것은 곧 우리의 우주가 얼마나 신비로운 존재인가를 말해주는 또 하나의 표증이라고 볼 수 있다.

 

양자이론 양자역학

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현대 과학 이론의 또 하나의 큰 줄기는 양자 이론이다. 19세기 말에 흑체의 복사, 광전효과, 원자의 스펙트럼 등 새로운 형상들이 관측되었는데 이러한 현상들은 기존의 이론으로는 설명되지 않았다. 그리하여 '플랑크'의 양자 가설, '아인슈타인'의 광양자설, '보어'의 원자론 '드 브로이'의 물질파 등이 제안되어 이러한 미시 현상들을 설명하였으나 이들은 모두 기존의 이론체계들과는 모순을 빚는 것들이어서 엄청난 학문적 혼란을 야기했다. 이러한 가운데 기존의 물리학 이론들이 본질적 한계성을 지닌 불완전한 것이었다는 인식과 함께, '슈뢰딩거'와 '하이젠베르크'를 비롯한 일군의 물리학자들에 의해 체계적인 새 이론이 모색되었고 그 결과로 얻어진 것이 바로 "양자역학"이다.

 

 

양자역학은?

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양자 역학은 대상에 대해 관측 가능한 무릴량의 예측에서 기존의 결정론적 이론 구도를 벗어나 확률론적 이론 구도를 채택한다는 특징을 지닌다. 기존의 뉴턴 역학에서는 어느 대상에 대해 관측된 값이 그 대상의 물리적 상태가 되며 현재의 상태를 정확히 알면 운동법칙에 의해 미래의 상태를 정확하게 결정할 수 있다.

 

따라서 대상에 대해 관측 가능한 값은 결정론적으로 예측된다. 이에 비해 양자역학에서는 어느 대상의 물리적 상태는 관측 값 자체가 아니라 이로부터 유추해내는 상태 함수가 된다. 여기서도 미래의 물리적 상태, 즉 미래의 상태 함수는 관측을 통해 유추해낸 초기 상태에 자연법칙을 적용함으로써 정확히 산출해 낼 수 있으나 대상에 대해 관측해 볼 수 있는 물리량들은 이 상태 함수를 통해 확률적으로만 예측해내게 된다.

 

즉 이 상태 함수에 적절한 해석의 방식을 적용함으로써 이것의 위치나 운동량 같은 관측 가능한 값들을 확률적으로 예측하게 되는 것이다. 특히 이 경우 대상의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 예측하는 것에 일정한 이론적 한계가 주어지게 되는데 이를 흔히 불확정성 원리라고 부른다. 이러한 한계성은 플랑크 상수라는 매우 작은 값으로 주어지기 때문에 우리의 일상에는 별 영향을 미치지 못하나 원자 등 미시세계에서는 그 효과가 크게 나타난다.

 

이와 함께 양자역학이 지닌 중요한 특성은 대상의 상태가 관측되는 물리량에 따라 새롭게 결정된다는 점이다. 이러한 사실은 대상에 대해 관측되는 물리량들의 실재성에 의문을 던져주게 되며 더 나아가 사물의 인식에 대한 기존 관념에 증대한 반성을 촉구하게 된다. 

 

양자이론은 소립자, 원자 등에서 나타나는 현상을 성공적으로 설명할 뿐만 아니라 특정한 조건에서 기존 이론을 재생시키는 즉 고전역학을 포함하는 더욱 일반화된 이론으로 정착되고 있다. 또한 양자이론의 등장으로 물질의 기본 구조가 원자 수준에서 밝혀지게 되었고 이러한 성과는 물리학뿐만 아니라 화학, 전자공학 등의 발전에 큰 영향을 주고 있다.