불연속성 : 어쩌면 세상은 시계 초침처럼 움직일지도

마그리트의 (백지위임장)을 자세히 보면 말 탄 여인의 형상이 중간중간 잘려 있어. 흔히 머릿속으로 떠올리는 말 탄 여인의 이미지는 잘린 부분 없이 이어져 있잖아? 그것처럼 인간이 사는 세계에서 질량이나 속도 같은 여러 값들은 연속 적으로 존재하지만, 입자만큼 작은 세계에서 스핀 같은 어떤 물리량은 이 그림 처럼 불연속적으로 존재해.

아주 작은 세계에서 입자들의 에너지가 양자화 되어있어. 원래 정해져 있는 에 너지 값만 골라 가질 수 있다는 뜻이야. 비유하자면 평소 나는 차분한 상태로 있 다가 에너지를 받으면 점점 신나는 상태로 올라가는데, 올라갈 수 있는 계단이 정해져 있는 거야. 이렇게 어떤 특정한 계단으로만 올라갈 수 있는 양자화 규칙 을 가지는 입자 친구들을 ‘양자’라고 불러. 대부분의 양자가 스핀의 성질을 가지 고 있기 때문에, 에너지의 양자화 규칙을 스핀으로 설명해 볼게. 양자가 어떤 에 너지 계단 값을 가지고 있는지는 양자 속 스핀의 종류에 따라 조금씩 달라. 스핀 은 두 종류가 있는데, 1/2, 3/2 등 반정수의 스핀 값을 가지거나 0,1,2 등 정수 배 의 스핀 값을 가질 수 있어. 예를 들어, 빛의 입자인 광자는 스핀 값이 1이야. 이 때 스핀 값에 따라 갈 수 있는 에너지 계단도 달라져. 스핀 값이 1/2인 전자는 -1/2(다운 스핀) 또는 +1/2(업 스핀)으로 표현되는 두 개의 에너지 계단으로 갈 수 있지. 그리고 에너지 계단 차이에 해당하는 크기의 에너지를 받거나 내보내면 서 계단 사이를 오르내릴 수 있어. 이렇게 스핀들이 따르는 양자화 규칙을 포함 해서 양자들이 작동하는 법칙들을 정리한 학문이 바로 양자역학이야.

앞에서 내가 아주 작은 자석이라고 소개했지? 스핀의 종류가 달라진다는 얘기 는 자석의 종류도 달라진다는 의미야. 앞서 소개한 스핀 1/2 상태로 다음 그림에 서 에너지 계단들에 대해 조금 더 설명해 볼게