뉴턴이 완성시킨 근대 물리학은 거시적 물리 세계를 거의 완벽하게 설명하였다. 뉴턴 역학은 행성의 운동에 관한 케플러 법칙은 물론, 세차운동이나 밀물과 썰물의 원리까지도 설명이 가능하였다. 그 후 천체역학뿐 아니라 자연의 모든 현상을 뉴턴 역학의 기본 원리를 이용하여 수학적으로 설명하려는 시도가 진행되면서, 뉴턴 역학은 정교한 수학적 체계를 갖추게 되었다.



그러나 자연과학이 다루는 영역이 확대되고 관측이 정밀해지면서 완벽해 보였던 뉴턴 역학에서도 오류와 한계가 드러나기 시작했다. 흑체 복사나 수성의 근일점 이동과 같이 뉴턴 역학이 설명하지 못하는 문제는 상대론과 양자론이 나오면서 해소됐다. 특수상대론과 양자역학이 대두되면서, 뉴턴 역학은 천천히 움직이는 거시적인 물체에 대해서만 정확한 이론이며, 빠르게 움직이는 물체를 기술하려면 상대론이 필요하고, 미세한 물질을 기술하려면 양자역학이 필요하다는 것이 알려졌다.


양자역학은 상대성이론, 정보이론, 분자생물학과 함께 지난 세기에 인류가 만들어 낸 혁명적인 과학 발전의 중심축을 이룬다. 양자역학이 다루는 미시세계에서는 우리가 일상적으로 살아가는 거시세계와는 전혀 다른 현상이 벌어진다. 그래서 양자역학은 우리의 경험 속에 축적된 세계 이해와는 완전히 다른 방향에서 다루게 된다.
그런 현상에는 비연속성(discreteness), 파동과 입자의 이중성(duality), 양자 상태의 중첩, 측정에서의 양자 상태의 붕괴, 불확정성(uncertainty), 양자상태의 얽힘(entanglement)에 의한 비국소성과 비분리성 등이 있다.



고전적인 물리량은 모두 연속적인 값을 갖는다. 날아가는 돌의 에너지 값은 우리가 상상할 수 있는 모든 수치를 다 가질 수 있다. 이와 달리 양자계의 에너지는 특정한 값만이 불연속적으로 측정된다. 빛 에너지의 경우,어떤 기본 에너지 값의 정수배에 해당하는 에너지만이 측정된다.
이 기본 에너지에 대응하는 물체를‘양자(量子, quantum)’라고 한다. 이는 우리말로는‘덩어리’나 ‘알갱이’정도로 번역할 수 있을 것이다. 바닷가의 모래사장이 개개의 모래 알갱이로 이루어져 있듯이, 우리의 우주 또한 양자라는 알갱이로 이루어져 있다는 것이 양자역학의 출발점이다.


고전물리학에서 파동과 입자는 서로 배타적인 개념이어서, 파동이면 입자일 수 없고 입자이면 파동일 수 없지만, 양자역학에서는 이 두 개념이 하나의 물체를 기술하는데 사용된다. 빛과 전자를 예로 들어 보자.
빛은 파동의 전형적인 특성인 간섭을 일으키므로 파동이어야 하지만, 광전 효과와 같은 현상은 빛이 입자가 아니라면 설명되지 않는다. 이는 빛이 보통은 파동처럼 행동하지만, 상황에 따라서는 입자처럼 행동할 수도 있다는 것을 보여준다. 전자도 입자라고 생각되지만, 어떤 때는 회절현상을 보이면서 파동처럼 행동하기도 한다. 이처럼 상황에 따라서 양자가 파동의 측면을 드러내기도 하고 입자의 측면을 드러내기도 하는 것을 이중성이라 한다.

일반적으로 양자계의 상태는 여러 가지의 가능성이 잠재되어 있는 중첩상태이다. 그런데, 이 중첩상태에 대해 측정을 하면 양자계는 그 중의 어느 한 상태로 옮아가게 되고 나머지 다른 상태에 대한 가능성은 소멸된다.
마치 야구선수가 타석에 들어섰을 때는 병살타에서부터 홈런까지 모든 가능성이 존재하지만 공을 치는 순간 그 중의 어느 한 상태만이 실현되는 것과 같은 것이다. 각 타자의 타율이 안타의 확률을 말해주듯이, 양자역학은 각각의 대안에 대한 확률을 제시할 뿐이다.
이 점에서 양자역학은 전적으로 확률론적이다. 이처럼 측정 전의 양자중첩 상태가 측정에 의하여 어느 한 상태로 변하는 것을 측정에 의한 양자상태의 붕괴라고 한다. 우리가 아는 측정이란 측정 대상을 변화시키지 않고 그 상태를 알아내는 일인데, 양자역학에서는 그게 원칙적으로 불가능하다.
불확정성 원리란 특정한 한 쌍의 물리량에 대해 이 둘을 동시에 정확하게 측정한다는 것이 불가능하다는 것이다. 대표적인 예가 위치와 속도다. 이 경우, 위치를 정확히 알면 알수록 속도에 대해서는 점점 더 알 수 없게 되고, 반대로 속도를 정확히 알면 알수록 위치에 대해서는 점점 더 알 수 없게 된다.
따라서 위치에 대한 불확정성의 정도와 속도에 대한 불확정성의 정도는 그 각각의 곱이 어떤 상수 이하일 수 없다는 것이다. 이 불확정성은 실험 기구의 발전이나 실험 기술의 향상으로 줄여나갈 수 있는 것이 아니라, 원리적으로 피할 수 없는 측정의 한계다.



마지막으로, 매우 특이한 양자현상이 양자상태의 얽힘(entanglement)이다. 얽힌 상태에 있는 두 입자로 이루어진 양자계를 만들 수 있는데, 이 계에서는 어느 한쪽의 변화가 다른 쪽의 변화를 일으킨다. 이는 우리의 우주가 국소적이고 분리되어 있지 않다는 것을 보여주지만, 얽힘과 관련된 비국소성이나 비분리성 등은 아직도 완벽하게 이해하지 못하는 부분이다.
그러나 양자계산이나 양자암호를 비롯한 양자정보이론에서는 중요한 자원으로 쓰일 것으로 예상된다. 인류가 역사상 만들어 낸 가장 정확한 이론으로 평가받고 있는 양자역학은 현대물리학의 중심 이론으로서 물리학의 모든 문제를 설명하는데 있어 기본 이론으로서의 역할을 담당한다.
작게는 우리 주변의 물체의 성질에서부터, 크게는 우주의 기원과 진화에 이르기까지 거의 모든 문제에 양자역학이 적용될 뿐 아니라, 고전역학이 우리에게 제시했던 것과 상당히 다른 세계상을 제시하면서 철학과 세계관의 영역에까지 상당한 영향을 미치고 있다.
지난 세기에 우리의 생활을 근본적으로 바꾼 반도체 혁명은 기본적으로 양자역학의 실생활 적용에 기인한다. 그리고 최근에는 단일 양자의 성질을 이용한 양자계산이나 양자암호에 대한 연구가 본격화되고 있다. 지난 세기에 나온 양자역학의 양자적 성질이 본격적으로 활용되는 시기는 아마도 이번 세기가 될 것이다.