원자·전자·광자 등 미시 세계의 물리 현상을 다루는 현대 물리학의 핵심 이론.
에너지의 양자화, 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 파동함수의 확률 해석, 양자 얽힘 등을 토대로 함. 1900년 막스 플랑크의 양자 가설에서 출발해 1920년대 중반 행렬역학과 파동역학으로 체계화 됨.
막스 플랑크가 독일 물리학회에서 흑체복사 문제를 푸는 새로운 복사 법칙을 발표. 고전 물리학으로는 설명되지 않던 스펙트럼을 맞추기 위해, 그는 공동 벽의 진동자가 에너지를 연속적으로가 아니라 E=hν의 정수배 단위로만 주고받는다고 가정. 고전 물리학으로 풀리지 않던 복사 곡선을 이 가설로 정확히 재현. 이 발표일이 양자물리학이 시작된 날로 꼽힘.
참고로 여기서 처음 등장한 비례상수 h가 오늘날의 플랑크 상수이며 플랑크 자신은 이를 한동안 '수학적 편법'으로 여겼지만, 이 양자 가설은 이후 양자물리학의 출발점으로 평가.
빛이 연속적인 파동만이 아니라 에너지 양자(광량자) 형태로 흡수·방출된다는 가설 제시. 금속 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 광전효과를 이 가설로 설명. 빛의 입자성을 보인 이 논문으로 1921년 노벨 물리학상을 받았으며, 양자역학 발전의 중요한 출발점이 됨.
러더퍼드의 원자핵 모형에 양자 개념을 결합해, 전자가 정해진 에너지 궤도(정상상태)에만 머문다고 봄. 전자가 궤도 사이를 도약할 때 그 에너지 차이만큼 빛을 방출·흡수한다고 설명해 수소 원자의 스펙트럼선을 정량적으로 맞춤. 원자 구조에 양자 이론이 필수임을 보인 전환점으로 평가.
은 원자 빔을 비균질 자기장에 통과시키자 빔이 연속적으로 퍼지지 않고 위아래 두 갈래로 갈라짐. 원자의 각운동량(자기 모멘트) 방향이 불연속적인 값만 갖는다는 '공간 양자화(Spatial Quantization)'를 처음으로 직접 보여 준 실험. 훗날 전자 스핀 개념의 실험적 토대가 됨.
X선을 전자에 쏘았을 때 산란된 X선의 파장이 길어지는 현상 관측. 빛이 운동량을 가진 입자(광자)처럼 전자와 충돌한다고 보아 이 파장 변화를 정확히 설명. 빛의 입자성을 결정적으로 입증해 광양자 가설을 굳힘.
빛이 파동이자 입자이듯, 전자 같은 물질 입자도 파장 λ=h/p의 파동성을 가진다는 물질파 개념을 박사 논문에서 제안. 파동-입자 이중성을 물질 전체로 확장한 발상. 이 가설은 1927년 전자 회절 실험으로 확인되었고 파동역학의 씨앗이 됨.
한 원자 안에서 두 전자가 네 양자수(상태)를 모두 똑같이 가질 수 없다는 배타 원리 제시. 전자들이 같은 상태에 몰리지 못하고 차례로 채워지는 이유 설명. 주기율표의 구조와 물질의 안정성을 떠받치는 기본 원리가 됨.
전자의 보이지 않는 '궤도' 대신, 실제 관측되는 스펙트럼의 진동수와 세기 같은 양만으로 원자를 기술하는 새 역학을 고안. 막스 보른과 파스쿠알 요르단이 이를 행렬 연산으로 정식화해 최초의 완전한 양자역학 체계(행렬역학)를 세움. 현대 양자역학의 출발점.
드 브로이의 물질파를 발전시켜, 양자계의 상태와 시간 변화를 파동함수 ψ로 기술하는 파동방정식을 내놓았다. 추상적인 행렬역학과 달리 익숙한 미분방정식 형태여서 물리학자들이 빠르게 받아들였다. 두 이론은 곧 수학적으로 동등함이 밝혀졌고, 파동방정식은 양자역학의 표준 도구가 되었다.
슈뢰딩거의 파동함수가 무엇을 뜻하는지를 두고, 그 절댓값 제곱 |ψ|²을 입자가 특정 위치에서 발견될 확률 밀도로 해석. 양자역학의 결과가 본질적으로 확률로만 예측된다는 점을 분명히 한 해석. 이 '보른 규칙'으로 1954년 노벨 물리학상을 받음.
입자의 위치와 운동량을 동시에 임의의 정밀도로 알 수 없으며, 두 불확정성의 곱에 하한이 있다는 관계식(Δx·Δp ≳ ħ/2)을 제시. 이는 측정 기술의 한계가 아니라 자연의 근본 성질로 받아들여짐. 보어의 상보성과 함께 코펜하겐 해석의 핵심을 이룸.
브뤼셀에서 열린 제5차 솔베이 회의에 양자역학을 만든 주역들이 모임. 보어 진영의 코펜하겐 해석을 두고, 양자역학이 불완전하다고 본 아인슈타인이 사고실험으로 도전하고 보어가 반박하는 유명한 논쟁이 벌어짐. 참석한 29명 중 17명이 노벨상 수상자.
특수상대성이론과 양자역학을 결합한 전자의 상대론적 파동방정식을 발표. 이 방정식은 전자의 스핀을 자연스럽게 설명했을 뿐 아니라 반물질(양전자)의 존재를 예언. 양전자는 1932년 실험으로 발견되어 예언이 입증.
아인슈타인·보리스 포돌스키·네이선 로젠은 Physical Review에 「양자역학적 기술은 물리적 실재를 완전하게 기술한다고 볼 수 있는가?」를 발표. 그들은 멀리 떨어진 두 입자가 얽혀 있을 때, 한쪽을 측정하면 다른 쪽 상태가 즉시 결정되는 점을 들어 양자역학이 불완전하거나 '유령 같은 원격작용'을 허용한다고 주장. "신은 주사위를 던지지 않는다"는 비유는 이 논문의 핵심을 대변하는 표현. 양자 얽힘과 비국소성 논쟁을 촉발한 기념비적 논문. 이 논문은 양자 얽힘과 국소성·실재성 논쟁의 출발점이 되었고, 훗날 벨 정리와 아스페 실험으로 이어짐.
그 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 사고실험. EPR 논쟁에 답하는 논문에서, 방사성 붕괴에 따라 살아 있으면서 동시에 죽어 있는 고양이라는 사고실험으로 양자 중첩의 역설을 드러냄. 미시 세계의 중첩이 거시 세계로 확대될 때의 기묘함을 보인 것. 이 글에서 그는 '얽힘(Verschränkung)'이라는 용어를 처음 제시.
빛과 전자의 상호작용을 다루는 계산에서 끝없이 나오던 무한대를, 재규격화 기법으로 제거해 정밀한 예측을 가능하게 함. 세 사람이 각자 다른 길을 거쳐 같은 이론에 도달했고, 파인만 다이어그램으로 대표됨. 이 공로로 셋은 1965년 노벨 물리학상을 받음.
EPR이 제기한 '국소 숨은 변수' 이론이 옳다면 측정 상관관계가 어떤 부등식(벨 부등식)을 반드시 만족해야 하지만, 양자역학은 이를 위배함을 증명. 철학 논쟁에 머물던 양자 얽힘 문제를 실험으로 판별할 수 있게 만들어 어느 쪽이 옳은지 가릴 수 있게 됨. 이 정리는 훗날 클라우저와 아스페의 실험으로 검증되며 양자정보과학의 토대가 됨.
얽힌 광자쌍을 이용해 벨 부등식이 실제로 위배됨을 정밀하게 측정. 특히 광자가 검출기로 날아가는 도중에 측정 방향을 바꿔, 측정 설정이 미리 영향을 줬을 가능성(국소성 허점)을 줄임. 양자 얽힘이 실재하며 자연이 비국소적임을 강하게 뒷받침함.
얽힌 광자 실험으로 벨 부등식 위배를 입증하고 양자정보과학을 개척한 공로로 세 사람이 노벨 물리학상 수상. 한때 사고실험에 그쳤던 양자 얽힘을 실험으로 확정한 성과를 기린 것. 이로써 양자 컴퓨팅·양자 암호 등 양자기술 시대의 토대를 인정받음.