스토리로 배우는 양자역학

스토리로 배우는 양자역학

==우리 세계에는 몇 종류의 ‘힘’이 있는지 알고 있나요?==

 

 

양자컴퓨터가 우리의 미래를 바꾸는 날은 사실 바로 눈앞까지 다가와 있다. 그렇기 때문에 지금이야말로 양자컴퓨터에 대해 알아두는 것이 큰 의미를 갖는다. 그것은 단순한 전문 기술이 아니라, 앞으로의 세계를 이해하고 그 속에서 자신이 어떤 입장으로 어떻게 관여할지를 생각하기 위한 ‘새로운 교양’이기 때문이다.
『교양으로서의 양자컴퓨터』에서는 최전선에서 연구를 이끌고 있는 오사카대학교 교수 후지이 게이스케 씨가 물리학, 정보과학, 비즈니스의 관점에서 양자컴퓨터를 알기 쉽고도 흥미롭게 전하고 있다.

이번에는 후지이 교수가 스토리 형식으로 집필한 양자역학에 관한 특별 원고를 전한다. 최첨단 기술에 큰 관심을 가진 중학생 Q타로 군은 여름방학을 맞아 양자컴퓨터를 연구하는 양자(りょうこ) 선생님에게 양자컴퓨터에 대해 배우게 된다. 하지만 양자컴퓨터를 이해하기 위해 꼭 필요한 양자역학에 대해서는 거의 알지 못하고 있다는 사실을 깨닫는다. 여기서는 양자 선생님(이하 ‘양자’)과 Q타로 군(이하 ‘Q타로’)의 대화를 통해 양자역학에 대한 이해를 깊여 간다. 이번 주제는 ‘우리 주변의 힘’이다.

 

 

● 세계는 네 가지 힘으로 이루어져 있다

 

Q타로: 선생님, 지난번에는 우리 주변의 물질과 네 가지 원소에 대해 알려주셨잖아요. 그게 양자 이야기랑도 연결되는 건가요?
양자: 아, 맞다 맞다. 양자 이야기였지! 자, 우리 주변의 물질을 이루는 원자는 어떻게 만들어져 있는지 알고 있니?
Q타로: 그건 자신 있어요! 음… 원자는 양성과 전자로 이루어져 있죠? 그리고 양성자는 플러스 전기를 띠고 있고, 그 주위를 마이너스 전기를 띤 전자가 도는 거고요! 원자들이 결합하는 건 뭔가 서로 끌어당기는 힘이 물리 법칙으로 있기 때문이었던 것 같은데요……
양자: 대단해! 거의 정답이야. 사실 우리가 사는 자연계에는 단 네 가지 종류의 힘만 존재한단다. 첫 번째는 중력이지. 아마 가장 익숙한 힘일 거야. 우리가 지구 위에 서 있을 수 있는 것도 중력 덕분이야. 두 번째는 플러스와 마이너스 전기가 서로 끌어당기는 힘, 즉 쿨롱력이지. 중력은 지구나 행성처럼 우주 규모의 매우 큰 스케일에서 작용하기 때문에, 분자를 비롯한 우리 주변 물질의 성질 대부분은 쿨롱력이 결정하고 있단다. 그리고 나머지는 조금 놀라울 수도 있지만 ‘강한 힘’과 ‘약한 힘’이야. 강한 힘과 약한 힘은 양성자나 중성자처럼 더 미세하고 고에너지인 소립자의 세계에서만 나타나기 때문에, 우리에게는 그다지 익숙하지 않을 수도 있지.

 

 

● 왜 서로 달라붙지 않을까?

 

Q타로: 세상에 힘이 네 가지뿐이라는 것도 놀라운데, 강한 힘이랑 약한 힘이라니!? 그래도 이러다 양자 이야기에서 벗어날 것 같으니까 이번에는 참아야겠네요…… 그런데 선생님, 아까 설명을 듣고도 잘 이해가 안 되는 게 있어요. 산소 원자나 수소 원자는 플러스와 마이너스가 같은 수라서 전기적으로는 중성이라고 수업에서 배운 것 같은데요? 그렇다면 분자는 왜 플러스와 마이너스가 끌어당기는 쿨롱력으로 결합하는 거죠? 그리고 애초에 원자 안에서는 왜 양성자와 전자가 서로 달라붙지 않는 거예요? 보통이라면 서로 끌어당겨서 붙어버릴 것 같은데요……
양자: 정말 좋은 질문이야. 이야기를 제대로 들어줘서 기쁘구나. 지금 Q타로 군이 말한 원자와 분자의 구조를 완전히 설명하려면 ‘양자역학’이라는 사고방식이 반드시 필요해. 다음에는 본격적으로 양자역학 이야기를 해보자!
Q타로: 드디어 양자역학 이야기가 나오는군요! 기대돼요~!

(본 연재는 『교양으로서의 양자컴퓨터』 저자가 집필한 특별 원고입니다.)

 

* 자료출처=다이아몬드 온라인

* 글 =후지리 케이스케

* 일본어원문=【ストーリーで学ぶ量子力学】私たちの世界には何種類の“力”があるか知ってい ますか？

* 출처=https://diamond.jp› ... › 教養としての量子コンピュータ

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