📌 먼치 POINT

1.자외선과 청색광

• 자외선은 5만도 정도의 에너지 보유
  - 자외선을 받으면 그 안의 화학결합이 상당히 잘 깨질 우려 존재

• 청색광은 양자역학의 세계 안에서 어느 정도의 위험성은 보유
  - 다만 어떤 일이 일어나서 위험할 지에 대해서는 미지
  - 심리적 요인이나 다른 변화는 존재할 수 있으나, 화학반응을 일으켜 몸이 상하는 것은 오해
  - 다만 청색광은 에너지가 높아 발광 소자가 빨리 죽으니, 청색 필터를 사용하면 오래 사용 가능

2.양자역학

• 양자역학은 기본 가정의 잘못된 점을 수정해가며 완벽해지는 학문
  - 지저분한 가정으로 시작하나 깨끗해져 가는 과정

• 양자역학은 미시세계 뿐만이 아니라, 거시세계에도 적용
  - 트렌지스터는 거시세계로 보는 물체이나, 양자역학을 이해하지 않는다면 설명 불가

푸른 사회와 그 적들

첫 번째 주제의 제목을 '푸른 사회와 그 적들'로 정한 데는 특별한 이유가 있습니다. 이는 유명한 책 '열린 사회와 그 적들'을 연상시키는 제목이지만, 여기서는 자외선과 화학결합 사이의 중요한 연관성을 다루기 때문입니다. 자외선은 파란색 뒤에 위치한 전자기파로, UV와 화학결합의 관계를 탐구해보는 것이 이번 주제의 핵심입니다.

자외선이 우리 몸에 위험한 이유

화학결합의 일반적인 세기는 온도로 환산하면 약 4만에서 5만도 정도에 해당합니다. 이 정도 온도가 되면 화학결합이 깨지게 되는데, 자외선에 해당하는 에너지가 바로 5만도 정도 이상의 에너지를 가지고 있습니다. 따라서 자외선을 받으면 그 안에 있는 화학결합이 상당히 잘 깨질 수 있습니다.

더욱이 자외선 중에서도 더 단파장으로 갈 경우, 예를 들어 10만도 정도의 에너지를 가지는 자외선을 이온화하는 방사선이라고 부릅니다. 이것이 우리 몸에 상당히 나쁘다고 알려진 것으로, DNA를 깨뜨리면서 몸에 여러 가지 나쁜 일들이 일어날 수 있습니다.

그런데 만약 10만도라는 높은 에너지라면 자외선을 받는 순간 죽어야 할 것 같지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 자외선이 몸속에 들어와도 피부에는 수많은 분자들이 있어서 그 에너지가 금방 퍼져버리기 때문입니다. 에너지를 가진 입자가 하나밖에 없기 때문에 여러 군데로 퍼져나가면 10만도가 아니라 1도 올라가는 정도로만 분산됩니다. 따라서 자외선을 한 번 맞았다고 삶은 달걀이 되거나 하지는 않습니다.

청색광, 정말 해로울까?

최근 많이 이슈가 되는 것이 휴대폰 등에서 나오는 청색광 문제입니다. 휴대폰의 청색광도 위험한지에 대해서는 양자역학의 세계이기 때문에 어느 정도의 위험성은 있지만, 정확히 어떤 일이 일어나서 아주 위험할지는 알 수 없다는 것이 현실입니다.청색광이 건강에 영향을 줄 가능성이 아주 없다고는 할 수 없습니다. 쉽게 피로해진다든가 푸른색을 받으면 잠을 잘 못 잔다는 얘기도 있어서, 심리적인 요인이나 다른 변화는 있을 수 있습니다. 하지만 화학반응을 일으켜서 몸이 상할 정도까지는 걱정하지 않아도 될 것 같습니다.

특히, 휴대폰 같은 경우 청색, 녹색, 적색 세 가지 색을 섞어서 하얀색을 만들어냅니다. 특히 많이 사용하는 OLED의 경우, 청색은 에너지가 크기 때문에 청색을 내는 소자들의 수명이 길지 않습니다. 청색을 심하게 사용할수록 발광소자가 더 빨리 죽게 되기 때문에, 청색필터를 사용하면 휴대폰을 좀 더 오래 사용할 수 있다는 부가적인 효과도 있습니다.

자외선과 청색광의 위험성

결론적으로 자외선은 해로울 가능성이 조금 많이 있다고 봅니다. 반면 청색광은 그렇게까지 눈에 여러 가지 해를 주기에는 그렇게 높은 에너지라고 생각하지 않습니다. 기본적으로 만약 청색광이 정말 해롭다면 우리 눈이 청색광을 볼 수 있도록 설계되지 않았을 것이라는 생각도 듭니다.
양자역학 원칙에 기반해서 생각해보면, 있을 확률과 없을 확률이 정확하게 정해져 있다고 봅니다. 다만 그 확률이 정확히 무엇인지는 아직 명확하지 않은 상태입니다.

양자역학은 지저분한 학문인가?

지난주 패널로 참석했던 성재현 교수님은 흥미로운 발언을 했습니다. 열역학과 통계역학은 굉장히 깔끔한 학문인 반면, 양자역학은 지저분한 학문이라고 했습니다. 이에 대해서는 서로 다른 관점이 존재합니다.

양자역학은 여러 가지 원칙들에 기반해서 나온 것들이기 때문에 결과적으로는 굉장히 깨끗한 학문이라고 볼 수 있습니다. 하지만 물리학과에는 이런 일화가 있습니다. 재능이 있는 대학원생이 어느 날 갑자기 그만뒀는데, 그 이유를 물었더니, 지도 교수가 "걔는 양자역학을 이해하려다 그만뒀어"라고 답했다는 이공계 유머가 있습니다. 양자역학이 깔끔하다고 인식하는 것은, 그저 받아들이며 살아왔기 때문에 그렇게 느꼈을 수도 있다는 의견도 있습니다.

양자역학의 진정한 매력

하지만 다른 관점에서 보면 양자역학에 대한 평가가 달라집니다. 통계역학의 경우 '같은 에너지를 가지는 상태가 존재할 확률은 같다'라는 가정 하나만 가지면 모든 것이 설명되는 깨끗한 학문입니다.

반면 양자역학은 수학적으로 접근하기 어렵기 때문에 수학적으로 풀 수 있도록 지저분한 가정들을 할 때가 있습니다. 하지만 거기서부터 점점 깨끗해지는 학문입니다. 가정 과정의 잘못된 점을 조금씩 수정해서 점점 완전한 완결체에 가까이 갈 수 있습니다. 따라서 양자역학은 깨끗해져 가는 학문이고, 통계역학은 깨끗한 가정에서 출발하지만 실질적인 데 접근하면 접근할수록 점점 더 지저분해진다고 볼 수 있습니다.

화학에서 바라본 양자역학

물리학과 화학에서 다루는 양자역학은 차이가 있습니다. 화학자들은 분자, 원자, 그리고 원자 사이의 전자들에 특히 많은 관심을 두고 있습니다. 물리학과에서 하는 양자역학이 기본 입자들로부터 시작하는 경우가 많다면, 화학에서는 전자의 움직임에 더 관심이 많습니다.

실제로 "화학은 전자의 과학이다"라는 표현이 있을 정도로, 화학은 전자를 중심으로 한 학문입니다. 이것이 화학에서 양자역학을 다루는 독특한 관점이라고 할 수 있습니다.

거시세계와 양자역학의 만남

양자역학이 미시세계만 다룬다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 거시세계에도 적용됩니다. 사람처럼 큰 분자들이 모여 있는 거대한 객체의 경우에도 그 속에는 작은 입자들이 있고, 당연히 그 작은 입자들은 파동함수로 설명됩니다.

다만 작은 입자들이 많이 모여 있는 거시적인 물체를 설명할 때는 굳이 양자역학을 도입하지 않아도 고전역학으로 설명할 수 있습니다. 양자역학을 사용해도 틀린 것은 아니며, 실제로 양자역학은 특정한 조건에서는 고전역학과 정확히 일치하는 것으로 알려져 있습니다.

트랜지스터

20세기 인류를 풍요하게 해준 여러 원인 중 중요한 하나가 전자회로입니다. 전자회로에서 가장 중요한 것은 트랜지스터의 발명이었습니다. 트랜지스터는 거시세계로 보는 물체이지만, 트랜지스터가 기능하는 현상을 이해하려면 큰 물체임에도 불구하고 양자역학을 이해하지 못하면 설명할 수 없습니다.

따라서 거시세계라고 해도 양자역학이 반드시 필요한 부분이 틀림없이 존재합니다. 최소한 양자역학이 거시세계의 법칙 속에 숨어 있는 것이기도 하고, 단지 우리 눈에 보이지 않을 뿐입니다.

마무리하며

양자역학은 확률과 불확정성의 세계로 여겨지지만, 그 안에는 명확한 원칙과 아름다운 질서가 깃들어 있습니다. 미시 세계부터 거시 세계에 이르기까지, 전자의 움직임에서 트랜지스터 작동 원리에 이르기까지, 양자역학은 우리 주변의 모든 현상을 설명하는 근본적인 학문입니다. 비록 완전히 이해하기는 어렵지만, 점점 깨끗해져 가는 학문으로서 양자역학만의 독특한 매력이 바로 여기에 있습니다.

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CC BY 라이선스 | 교정 SENTENCIFY | 에디터 하윤아