EBS 위대한 수업3 (과학의 풍경) 2강 양자역학이 만든 세계

(2023.11.27 방송)

 

 

EBS 위대한 수업3 (과학의 풍경) 2강 양자역학이 만든 세계

위대한 아흔세 번째 강연 '과학의 풍경 '(시즌3 열두 번째)

 

 

 

 

프랭크 윌첵 MIT 물리학과 교수

스톡홀름 대학교 물리학과 교수

상하이 리정다오 연구소 창립 소장

윌첵 양자 센터 수석 과학자

템플턴상(2022)

노벨 물리학상(2004)

로런츠 메달(2002)

 

 

 

 

2강  양자역학이 만든 세계

 

 

 

 

최근 우리는 양자역학의 가능성을 어렴풋하게나마 이해하기 시작했다

양자역학의 창시자들은 상상도 못 했을 가능성이다

놀라운 발전의 결과물에는 원자시계도 있다

 

 

이 안에 있는 원자는 마찰 없이 진동하는 이상적인 물질이다

물리학의 기본 법칙에 따라 설정된 진동수로 진동한다

 

 

그 진동을 아주 오래 지켜볼 수 있을 것이다

현재 원자시계의 오차는 1초를

우주의 나이로 나눈 값에 해당한다

 

달리 말하자면 원자시계를 두 대 놓고

일정 시간 동안 얼마나 어긋나는지 보면

우주가 탄생했을 때부터 봐도 오차가 고작 1초라는 것이다

 

원자시계는 우리가 물리 법칙을 이해한다는 증거다

실제로 유용하기도 하다

시간을 정확히 재야 거리도 정확히 잴 수 있다

빛으로 거리를 측정하는데 속도가 엄청나게 빠르다

 

 

그래서 세계 어디서나 일치하는 정확한 GPS를 만들 때 유용하다

미세한 중력장의 변화를 측정할 때도 도움이 되는데

중력장은 일반 상대성 이론의 시간 지연 효과가 나타나는 영역이다

정말 강력하고 정확하다

 

원자시계는 현대 기술의 귀중한 첨병이라 할 수 있다

양자 기술의 발전은 시뮬레이터와 컴퓨터에도 영향을 끼쳤다

 

 

거의 모든 면에서 현존하는 세상을 잘 설명하는 한마디다

 

컴퓨터가 항공역학의 풍동 실험을 대체한 사례와 비슷하다

복잡하게 설계된 시스템이나 천연 물질이 있는데

양자 효과가 커서 이해하기 어렵다면

아날로그 시스템을 이용할 수 있다

 

기존 시스템과 다르지만 이해하고 구축하기는 더 쉽다

다만 연구 중인 시스템과 핵심 요소를 공유해야 한다

그런 아날로그 시뮬레이터를 만들어 실제 시스템을 연구할 수 있다

 

오늘날의 아날로그 컴퓨터는 굉장히 강력하고 다재다능하다

초저온 원자와 이온 트랩, 레이저를 이용하는 양자 세계의 풍동 실험장이다

 

사람들은 양자역학을 활용해 컴퓨터를 만들고 있다

매우 큰 공간을 차지하는 한편 양자역학을 활용해 

이 세계를 더 깊이 있게 보여준다

 

양자역학으로 보는 세상이 아주 심오하기에

방정식을 풀기 어려운 것이다

하지만 그 심오한 성질을 이용할 수도 있다

 

오늘날의 일반적인 컴퓨터에 0과 1로 저장된 정보(bit) 대신

연산 능력이 한층 강한 양지비트(Qbit)의 0과 1을 이용하는 것이다

 

양자 컴퓨터는 아직 초기 단계에 있지만

전망이 매우 밝다

양자 컴퓨터의 가장 의미심장한 점은

양자역학 계산 능력이 아주 뛰어나다는 것이다

 

따라서 디랙의 암시를 실현할 수 있을 것이다

그렇게 계산하다 보면 물질을 더 효과적으로 조작하고

이해와 계산의 선순환을 지속할 수 있을 것이다

 

우리는 또한 대단한 센서 기술도 갖고 있다

인간의 몸속을 실시간으로 관찰하는 기술은 이제 흔하다

원자핵과 상호작용하는 전자기장의 라디오파 대역 주파수를 조작하여

원자핵의 움직임을 전기 신호로 변환해 

컴퓨터 화면의 시각 정보로 바꾸는 것이다

 

놀랍게도 모든 단계에 물리학, 양자역학이 관여하는데

이런 기술이 평범해졌다는 사실을 보면

지식이 인류에게 얼마나 큰 도움이 되는지 실감 난다

 

그러한 다양한 첨단 기술 중 하나가

'질소 공동 센터 다이아몬드'이다

원자시계의 복잡한 구조를

작은 다이아몬드에 재현한 것이다

 

 

다이아몬드 안에 작은 원자,

정확히 말해 일종의 결함을 만들면

주변 환경을 반영하는 성질이 생긴다

어디에든 붙일 수 있는 작은 원자 연구실인 셈이다

이를 통해 특정 환경을 조사할 수도 있다

 

 

먼 미래에는 에너지가 아주 풍족해질 것이다

일단 잔뜩 설치한 태양광 발전기가 도움이 될 것이다

그런데 태양광은 모든 방향으로 뻗어 나간다

 

지구 표면에만 쏟아지는 게 아니다

지구에 쏟아지는 태양광만 해도 

인류 에너지 소모량의 약 1만 배이다

 

 

가격을 낮추고 수요를 늘려야 하지만 성장할 여지는 충분하다

또한 세상을 보는 시야도 넓어질 것이다

 

이젠 휴대폰을 이용해 온갖 사물에 접근해 제어하거나

정보를 얻을 수도 있다

인터넷을 통해 온 세상 지식을 접할 수 있다

 

이제 인류는 전자기 신호로 세상을 인식하고

전자가 도는 물질에 양지 기술을 활용해

유용한 일을 해낼 것이다

 

오늘날 인류는 타고난 감각의 한계를 넘어

먼 곳에서 벌어지는 일들도 인식할 수 있다

바로 '액추에이터'이다

 

 

인류는 언젠가 지구 밖을 탐사하려 할 것이다

다이슨 스피어를 만들려면 그래야 한다

지금 이용하는 로켓 기술은 너무 비효율적이다

너무 비싼 데다가 자주 폭발하는 등 불안정하다

 

하지만 미래에는 강한 소재를 이용해

'궤도 엘리베이터'라는 걸 만들 수 있을 것이다

 

 

작은 구조로 만드는 건 지금도 가능하다

이론적으로 문제가 없지만 적은 비용으로

대형 구조물을 만들려면 연구가 더 필요하다

 

궤도 엘리베이터만 있으면 우주선을 쏠 필요도 없다

엘리베이터만 타면 지구 중력장을 벗어나는 고비를 넘는 것이다

 

이렇게 외부로 나갈 수도 있고

심오한 내부 세계를 탐사하고 조작할 수도 있다

1950년대 SF 소설에서도 '작은 친구들'이 언급된 적 있다

 

일종의 최소형 의사인데 사람 몸속에 들어가

문제를 찾고 해결해 준다

실제로 개발되고 있다

 

엄청나게 작은 양자 센서가 다양한 정보를 수집한다

자기장으로 움직이거나 생물학 기술을 이용해

접촉한 화학 물질을 식별하기도 한다

 

이는 인체 내부를 파악하는 새로운 방법이 될 것이다

 

 

세상은 양자 역학에 기반한다_리차드 P. 파인만

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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