제6권 — 양자역학: 미시세계의 규칙

Chapter 2: 양자역학의 핵심 개념

1. 파동함수와 확률

1-1. 파동함수 ψ — 입자의 상태를 기술하는 함수

전자 하나를 어떻게 "설명"할 수 있을까?

야구공 하나를 떠올려보자. 야구공이 어디에 있고, 얼마나 빨리 날아가는지를 말하려면 무엇이 필요할까? 간단하다. 위치와 속도, 이 두 가지만 있으면 된다. "지금 홈플레이트에서 18.44미터 떨어진 곳에 있고, 시속 150킬로미터로 날아가고 있다" — 이것이 야구공의 "상태"를 완전히 기술한다. 뉴턴 역학에서는 이것으로 충분하다. 위치와 속도를 알면, 그 뒤에 야구공이 어디로 갈지까지 정확히 예측할 수 있다.

그렇다면, 전자 하나는 어떻게 설명할 수 있을까?

앞 장에서 우리는 놀라운 사실을 발견했다. 이중 슬릿 실험에서 전자는 입자처럼 하나씩 검출되면서도, 수많은 전자가 쌓이면 파동의 간섭무늬를 만들었다. 드브로이는 전자에게도 파장이 있다고 말했고, 실험은 이를 확인했다. 전자는 순전한 입자도 아니고, 순전한 파동도 아니다. 둘 다이면서 둘 다가 아닌, 완전히 새로운 존재다.

이 기묘한 존재를 "위치가 어디이고 속도가 얼마"라는 고전적 방식으로 설명하는 것은 불가능하다. 왜냐하면, 전자는 검출하기 전까지 특정한 위치에 있지 않기 때문이다. 이중 슬릿 실험이 바로 그 증거였다.

핵심 질문: 입자도 아니고 파동도 아닌 전자를, 도대체 무엇으로 기술해야 하는가? 야구공에게 위치와 속도가 있듯이, 전자에게는 무엇이 있는가?

이 질문에 대한 대답이 바로 파동함수(wave function)이다. 파동함수는 양자역학의 가장 핵심적인 개념이며, 양자역학이라는 건물 전체가 이 하나의 개념 위에 세워져 있다.