양자역학 개론
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양자역학은 매우 작은 양자에 대한 것을 다루는 과학으로, 원자와 기본입자의 규모에서 물질의 거동과 에너지와의 상호작용에 대해 설명한다. 대조적으로 고전물리학은 오로지 인간 경험을 통해 익숙한 규모에 대해서만 설명하는데, 예시로는 달과 같은 천체의 움직임 등이 있다. 고전물리학은 현대 과학과 기술에서 여전히 사용되고 있다. 그러나 19세기 말에 과학자들은 큰 규모(거시규모)와 작은 규모(미시규모)의 세계에서 고전물리학으로 설명할 수 없는 현상을 발견하였다.[1] 관측된 현상과 고전이론의 불일치를 해결하고 싶은 욕망은 상대성이론과 양자역학의 발전이라는 물리분야의 큰 변혁을 일으켰고, 기존의 과학적 사고관을 변화시켰다.[2]
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빛은 어떤 측면에서는 입자처럼 행하고 다른 측면에서는 파동처럼 행동한다. 물질(전자나 원자같은 입자들로 이루어진 우주의 "어떠한 것들")또한 파동같은 행동을 보인다. 네온 사인과 같은 몇몇 광원은 특정한 주파수의 빛만 방출한다. 양자역학은 이러한 빛이 전자기복사이면서 독립적인 단위인 광자임을 보여주고, 그 빛의 에너지, 색깔, 스펙트럼의 세기를 예측한다. 하나의 광자는 전자기장의 관측 가능한 가장 작은 양인 양자이다. 왜냐하면 부분적인 광자는 관측된 적이 없기 때문이다. 더 나아가서, 큰 규모의 고전역학에서는 연속적으로 보였던 각운동량 같은 물리량들이, 작고 확대된 규모의 양자역학에서는 양자화 된 것으로 밝혀졌다. 각 운동량은 따로 떨어져 있는 허락된 값들 가운데 하나만 가질 수 있고, 값들 사이의 간격은 매우 작아서 원자 수준에서야 불연속성이 드러난다.
양자역학의 많은 부분들은 직관적이지 못하고[3] , 역설적으로 보일 수 있다. 왜냐하면 양자역학은 눈에 보이는 규모의 현상과는 많이 다른 현상들을 설명해야하기 때문이다. 양자물리학자 리처드 파인만의 말에 따르자면, 양자 역학은 "자연을 터무니 없는 그 자체로 다룬다("nature as She is – absurd")".[4] 예를 들어, 양자역학의 불확정성의 원리는 측정도구를 한 점에 가까이 다가가게 할수록 (입자의 위치), 같은 입자의 다른 관련된 측정(운동량)이 덜 정확해야함을 의미한다.