1. 量子, quanta(단수형 quantum)
에너지, 운동량, 퍼텐셜 등의 어떤 물리량이 연속값을 취하지 않고 특정 최소단위의 정수배로 표현이 가능할 때, 그 최소 단위의 양을 가리키는 용어. 거의 모든 물리량을 쪼개고 쪼개면 양자가 된다. 특히 에너지를 표기할 때 많이 사용하며, 기초 양자역학은 에너지 준위나 그 고유함수와 고유값을 다루고 있다. 전자기파의 양자가 광자이고, 중력파의 양자가 중력자이다.흑체 복사 이론에서 처음 유도되어 ‘에너지 양자’라고 불렀으며, 그것이 빛으로서 공간을 진행할 경우, 그러니까 전자기장의 양자일 경우 아인슈타인은 이를 ‘광양자(light quanta)’라고 불렀다. 오늘날에는 광양자보다는 광자라는 표현이 보편적이다. 아인슈타인은 상대성 이론이나 브라운 운동이 아니라 바로 이 광양자설로 노벨상을 받았다.
물리학 전공서, 특히 양자역학 등에서 '양자화되었다(quantized)'는 등의 표현이 자주 출몰한다. 이는, 양자역학의 언어를 사용해 표현하였다는 의미에 가깝다. 예를 들어 ' 1차 양자화'나 ' 2차 양자화'가 그러한 의미이다. 결과만 놓고 보면 양자화되었다는 말은 특정 물리량들이 '더이상 분해되지 않는 기본단위로 표현된다'와 같은 말이 되곤 한다. 다만 '양자화'가 '불연속화'를 의미하지 않을 때도 있다.
물리량에 '더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위' 혹은 '더 이상 해상도를 높일 수 없는 최소 단위( 불확정성 원리)'가 존재한다는 아이디어는 현대 과학이 양자 개념을 받아들일 수 있도록 하는 기반이 되었다. 양자 역학의 기반 없이는 레이저는 커녕 트랜지스터조차 만들지 못한다.
만약 작용량(action)의 양자인 플랑크 상수가 가지는 값이 0이 될 경우 우주는 뉴턴역학에서 묘사하는대로 돌아간다. 물론 실제 그랬다면 양자역학은 있지도 않았을 것이다.
1.1. 양자 물체(quantum object)
양자 물체(quantum object, 양자 객체, 양자 대상)를 단순히 양자(quanta)라고 줄여 부르기도 한다.양자 물체가 주위의 밀도 등의 이유로 인해 주변과 상호작용을 많이 하면 파동성을 잃고 입자로 굳혀지고, 상호작용이 적으면 파동성을 유지한다.
풀러렌(C60)을 이용한 이중 슬릿 실험 결과를 살펴보면 어떻게 하나의 존재가 입자인 동시에 파동인 성질을 지니고 있는지 이해할 수 있다. 풀러렌의 크기는 일반적인 이중슬릿 실험에서 실험한 전자와는 비교가 불가능할 정도로 크다. 원자핵과 전자의 크기 비가 100,000 : 1이고 탄소 원자들이 60개가 모여 입체적인 구 형태를 만든 풀러렌은 수소 원자보다 5만 배는 더 크다. 미시적 세계에 속한다기에는 전자에 비해서 무지막지하게 크고 거시적 세계에 속한다기에는 고양이에 비해 무지막지하게 작은(그래봤자 분자니까) 풀러렌으로 이중 슬릿 실험을 할 경우 간섭 무늬가 아닌 단지 2개의 띠를 만든다.
하지만 실험 환경을 진공에 가깝게 조성할수록 간섭무늬가 생긴다. 공기는 기체이기에 분자 자체가 많지도 않고 앞에서 말한 것처럼 전자의 크기가 분자의 크기에 비해 너무 작기 때문에 전자를 이용한 이중 슬릿 실험에서는 진공이 아니더라도 간섭 무늬를 만든다. 진공의 여부가 실험에 어떤 영향을 끼쳤을까?
이번엔 풀러렌이 아닌 전자 실험으로 다시 넘어가 이번에는 A슬릿과 B슬릿에 관측 장비를 달아서 전자가 어떤 슬릿을 통과하는지 확인해보도록 하자. 정말 전자는 A슬릿과 B슬릿을 동시에 통과하는 걸까? 하지만 놀랍게도 이번 실험에서는 전자는 A슬릿과 B슬릿 중 하나만 통과하며 간섭 무늬가 아닌 이중 띠를 만든다.
공기 중에서의 풀러렌 실험과 관측 장비를 단 전자 실험의 공통점은 무엇일까? 공기 중에서의 풀러렌 실험에서는 공기와 풀러렌이 서로 상호작용을 했고 관측 장비를 단 전자 실험에서는 관측 장비의 광자와 전자가 서로 상호작용을 했다. 즉 풀러렌 분자와 전자와 같은 입자들은 다른 입자들과 상호작용을 하기 전까지는 여러 개의 중첩된 상태를 가지고 있다가 다른 입자들과 상호작용을 하는 순간 결어긋남 상태가 되어 더이상 간섭을 일으킬 수 없으며 파동성을 잃는 것과 같은 결과에 이른다. 실제로 과학자들은 풀러렌보다 훨씬 더 큰 생체분자에서도 이중성이 성립하는 것을 실험적으로 확인했다. #
즉 하나의 존재는 주변에 상호작용하는 대상이 많을 수록 사물(입자)에 한없이 가까워지고, 반대로 주변에 상호작용이 없으면 없을 수록 마찬가지로 한없이 파동에 가까워진다는 것이다. 그래서 상호작용의 덩어리인 물건, 고양이 같은 거시세계 존재는 입자-즉 사물일 수밖에 없는 것이다.
1.2. 데이터 양자화
물리학과는 별개로 디지털신호를 처리할 때에도 쓰이는 용어다. 이런 양자화는 아날로그에 가까웠던 데이터를 큰 단위의 정수배로 딱딱 끊어지게 만든다는 점에서 따온 이름으로 양자역학과는 관계없다. 디지털 오디오에서 WAV파일등의 품질을 44.1KHz/16비트 등으로 말한다. 이는 매 단위시간(44.1KHz의 PCM오디오의 경우 1/44100초마다 한번)마다 채취된 음압의 표본화된 값을 양자화(quantize)시켜 16비트 해상도의 숫자로 바꿔놓았다는 뜻이다.또다른 예시로, JPEG 포맷에선 픽셀값의 변화량을 주파수로 나타내고 주파수의 세기를 양자화해서 정수값만 남긴다. JPEG 포맷처럼 압축과정에 양자화가 포함되는 압축을 손실압축이라고 부른다.
1.3. 창작물에서
공상과학 작품에서는 무언가 복잡하거나 거대한 에너지를 다루는 장치가 등장하면 양자(Quantum)란 단어가 형용사마냥 수식어로 쓰인다. 양자 에너지, 양자 방어막, 양자 레이저, 양자 어뢰 등등. 심지어 앤트맨과 와스프에서는 스캇랭이 행크핌에게 모든 단어에 굳이 양자를 붙이냐고 묻기도 했다. 물론 Hard Sci-Fi가 아니라 오락용으로 만든 작품일 경우 해당 장치는 양자역학의 가장 기본적인 개념과도 관계가 없는 경우가 많다. 비슷한 예로 전기와 자기를 다루는 장치에는 각각 테슬라와 가우스가 붙는다. 이는 아마도 테슬라 코일과 디가우서의 영향으로 보인다.-
DC 코믹스 -
닥터 맨하탄
양자를 자유자재로 다룰 수 있다. -
기동전사 건담 00 -
더블오 건담,
더블오 퀀터
건담 기체 중 가장 사기적인 능력이라는 양자화를 사용한다. 기체 자체가 양자 단위로 분리 후에 이동, 재결합한다는 말 그대로 공상에서나 실현될 만한 능력. 그리고 후계기인 더블오 퀀터는 기존 더블오의 능력을 상시발동 할 수 있는 사기급 기체이며 이름부터 양자(Quanta)에서 따왔다. -
닥터후 -
우는 천사
양자적 방어체계를 지녔다. 평상시는 생물이나 관찰하는 순간 석고상으로 변한다. 슈뢰딩거의 고양이 실험을 생각하면 적절한 네이밍이다. - 마블 코믹스
- 몰러큘 맨 - 양자를 자유자재로 다룰 수 있다.
- 앤트맨 - 수트의 리미트를 해제해 양자 영역까지 도달할 수 있다.
- 제이미 브래독 - 양자 현실 조작(Quantum Reality Manipulation)이라는 방식으로 현실을 왜곡하는데 사용한다.
- 스타트렉 - 양자 어뢰
- Supreme Commander 세계관부터 양자물리학이 획기적인 약진을 이루면서 양자 기술을 기반으로 과학기술이 극한 발될된 세계관이며 UEF, 사이브런, 에이온등 모든 진영이 양자 관련 기술을 사용한다.
이름에 양자가 들어가기는 하지만 사실 플라즈마 어뢰이며 이름에 양자가 들어가는 이유는 플라즈마 에너지를 '양자 영점 진공 에너지'로 만들어내기 때문이다. 이전에 주력으로 쓰이던 광자 어뢰보다 더욱 강력한 성능을 내지만 생산 능력이 부족해서 많은 함선에 보급되지는 않았으며 주로 소버린급, 디파이언트급 등 전투 중점의 함급에 장착되었다.