양자

양자(量子, 영어 : quantum, 복수형 : quanta)는 물리량이 취할 수 있는 최소량을 의미한다. 물리량이 양자화된다는 것은 물리량이 이 최소량의 정수배로 띄엄띄엄한 값을 갖는다는 개념이다. 이는 물리량이 연속적인 값을 가지며, 0이 아니지만 임의로 작은 값을 가질 수 있다는 고전 물리의 믿음과 배치되는 것으로 양자 물리학이 처음 형성될 시기에 이 양자가설을 받아들이는 데 큰 저항을 불러 일으켰다. 우리에게 익숙하고 우리가 잘 알고 있는 양자역학에서의 양자 개념이 널리 쓰이기 이전에도 양자라는 말이 물리학 분야에서 쓰였다.

양자의 예로 광자가 있다. 광자는 전자기장의 양자 즉, 빛의 단일 양자로 "광양자(light quantum)"라고도 불린다. 그림 1은 양자화를 나타내는 그림이다. 양자화란 물리학에서 연속적인 변화량을 불연속적인 유한개의 양으로 재해석하는 것을 이야기하기도 한다. 즉, 2.5에서 3.5사이에 해당하는 불연속적인 값들을 양자화 시키면 3이라는 값이 주어진다.

그림 1. 아날로그 시그널을 양자화된 시그널로의 변환 (출처: 한국물리학회)

양자란 어원은 "quantus"에서 유래한다. 이는 라틴어로 "how great'라는 뜻으로, 1902년 필리프 레나르트(Phillip Lenard)는 광전 효과 관련 기사에서 헤르만 폰 헬름홀트(Hermann von Helmholtz)가 이 단어를 처음으로 사용했다고 언급했다. 하지만 양자란 단어는 1900년 이전부터 충분한 양이라는 뜻의 quantum satis란 단어로 내과의사들 사이에서 사용되어왔다. 물리학자이자 내과의사인 헬름홀츠는 ‘열’에 대해 언급하면서 양자(quantum)란 단어를 사용했고, 그 단어는 1841년 7월 21일에 쓰인 율리우스 폰 마이어(Julius von Mayer)의 열역학 제 1 법칙 방정식을 설명하는 편지에서 발견되었다. 그 이후에도 양자라는 단어에 대한 물리학자들의 다양한 사용이 있었는데, 1901년 막스 플랑크(Max Planck)는 "물질과 전기에 대한 양자", 가스 그리고 열에 대한 의미로 quanta를 사용했다. 1905년, 플랑크와 전기양자(quanta of electricity) 라는 표현을 사용한 레나르트의 연구에 응해, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 빛의 양자, 즉 광양자(Lichtquanta)라고 불리는 공간적으로 분리된 묶음으로 빛이 이루어져있다는 가설을 제안했다.

빛의 양자화 개념은, 1900년 플랑크에 의해 흑체복사(black-body radiation)로 알려진 가열된 물체로부터의 방사선 방출 현상을 이해하기 위해 처음으로 도입되었다. 흑체(黑體, black body)란 진동수나 입사각에 상관없이 모든 파장의 전자기 복사를 흡수하는 이상적인 물리적 물체로 방사선을 흡수할 수 있을 뿐만이 아니라 방출할 수도 있다. 열평형 상태에 있는 흑체는 플랑크 법칙에 따라 파장에 따른 특별한 에너지 분포를 주는 흑체복사의 형태로 전자기파를 방출한다. 흑체복사는 물체의 모양이나 구성이 아닌 온도에 따라서만 결정되는 스펙트럼을 가지게 된다.

그림 2. 흑체복사의 온도에 따른 스펙트럼 ()