양자(量子)의 사전적 의미는 '그 이상 더 나눌 수 없는, 물질의 최소량의 단위'이며, 미시 세계에서 많은 양(quantities)은 특정 최소(기본) 양 또는 이러한 기본 양의 정수배에서만 발견되는데, 이러한 수량을 양자화되었다라고 한다. 양자는 그러한 양과 관련된 기본 양이다 (Halliday et al., 2018, p. 1154).

최근 들어서 양자 역학, 양자 컴퓨팅 등 '양자’라는 단어가 들어 있는 용어들이 부쩍 많이 눈에 뜨이고 있다. 생물학 분야에도 이 '양자'와 관련된 연구 분야가 있는데, 바로 '양자 생물학(quantum biology)'이다. 20세기 후반의 분자생물학 및 21세기 정보학 분야의 발전으로 생물학 연구의 방법론이 새로운 전기를 맞아 비약적 발전을 거듭하였으나 아직도 생명 현상의 많은 부분이 미지의 영역으로 남아 있는데, 이를 해소시켜 줄 연구 분야로서 양자 생물학이 점차 주목받고 있다. 이번 연재에서는 양자 생물학을 알아보기 위해 필요한 기초적인 자료로서 양자와 이에 따르는 양자 현상에 대해 개괄하고자 한다. 또한, 이 분야에 익숙하지 않은 독자들의 이해를 돕기 위하여 기본적으로 양자 생물학의 역사적 맥락에 따라 진행할 예정이다.

먼저, 우리가 알아볼 것은 양자 생물학이라는 분야가 탐구하고자 하는 연구의 대상이다. 양자 생물학은 생물학 영역에 대하여, 양자 터널링, 양자 얽힘, 양자 결맞음 등의 양자 역학적 해석을 통해 현재까지 구체적으로 밝혀지지 않은 생명 현상을 설명하고자 하는 학문 분야로서, 현재까지 광합성, 효소의 촉매 반응, 조류 나침반, 후각 수용체, DNA 돌연변이 등 다양한 영역에서 에너지와 물질의 물리화학적 변화에 대한 양자 역학적 관점에서의 연구 성과가 보고되고 있다. 그런데, 이에 관한 내용을 들여다보기 위해서는 '양자'라는 용어를 알아볼 필요가 있다. 따라서, 우선 이 용어에 대하여 역사적 배경을 통해 좀 더 자세히 알아 보자.

'양자 (量子, quantum)'라는 표현을 최초로 사용한 연구자는 양자의 개념을 최초로 제안한 독일의 물리학자 막스 플랑크(Max Planck, 1958~1947)이다. 그는 1900년 12월 14일에 독일 베를린에서 개최된 독일 물리학회에서 '정상 스펙트럼의 에너지 분포 법칙 이론에 대하여' 제하의 논문에 양자의 존재 가능성을 언급하면서 해당 표현을 사용하였다(Planck, 1900). 이후, 역시 독일의 물리학자인 막스 보른 (Max Born)이 발표한 논문의 제목에 '양자 역학(quantenmechanik)'이라는 용어를 사용하면서 양자라는 표현이 점차 자리 잡게 되었다(Born, 1924).

양자는 더 이상 나눌 수 없는 최소 물리량(最小 物理量)을 의미한다. 양자(quantum)의 어원은 라틴어 'quantus'로서 양 또는 크기를 의미하는 말이다. 양자는 개념 상 물질(thing) 일 수도 있고, 사물의 성질(property) 일 수도 있다(Ford, 2011, p. 4). 예컨대, 에너지나 운동량(momentum), 심지어 전하(電荷, charge) 일 수도 있다. 즉, 특정 입자를 가리키는 전자(電子, electron)나 양성자(陽性子, proton) 등과는 달리, 물리 세계가 연속적인 값이 아니라 불연속적인 최소의 양으로 이루어져 있음을 의미하는 개념어(槪念語)로 이해하는 것이 좋겠다.

지금부터는 역사적 배경을 통하여 양자가 발견된 과정을 되돌아보자. 이렇게 하면, 양자가 의미하는 바를 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

우리가 양자의 존재를 알게 된 것은 앞서 언급한 막스 플랑크의 덕분이기는 하지만, 그의 발견 이전부터 이와 관련된 전단계에서 많은 연구가 이루어지고 있었다. 실제로 양자 현상을 발견하게 된 것은 플랑크의 공동 복사 (空洞輻射, cavity radiation) 연구를 통해서인데, 공동 복사는 물체의 열 복사선의 파장과 그 물체의 온도 간의 관계를 정확하게 알아보기 위한 것으로서, 1859년에 독일의 물리학자인 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff)가 관련 연구를 위해 고안한 개념인 흑체(黑體, black body)의 실제 연구를 위한 장치이다. 흑체는 이론적으로 모든 파장의 빛을 흡수하는 이상적인 물체로서 열평형 상태에 이르게 되면, 그 온도에 따라 전자기 복사를 방출한다. 이를 실제 실험에서 구현하고자 한 것이 물체를 속이 비어 있는 공처럼 만들어 작은 구멍을 뚫고 이를 통해 내부로 빛을 들여보냄으로써 에너지를 공급하고 그 에너지 복사를 관찰하는 공동 복사이다.

19세기 후반 들어, 전구 등의 전기 기구들이 대중화되고 빛과 물체의 온도, 그리고 발열 등의 현상에 관한 연구가 활발해지면서 흑체 복사 연구가 대두되었다. 이 즈음 막스 플랑크도 흑체 복사 연구를 진행 중이었는데, 그는 이전 연구자들이 밝혀 놓은 관련 법칙들을 실제 실험 결과에 맞게 수정 보완하고자 하였다.
 

그림 1.1. 흑체 복사에서 빛의 파장과 복사선 세기 간의 관계
(original source: 독일연방공화국 경제 에너지부 인터넷 포털 EnArgus. https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/d8685-2/*/*/Plancksches%20Strahlungsgesetz.html?op=Wiki.getwiki).

그림 1.1은 1890년대까지 알려진 흑체 복사 관련 연구 결과들을 도표로 표시한 것이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 실제 흑체의 온도는 T1에서 T5로 높아질수록 짧은 파장(wavelength, x축)에서 단위 면적 당 복사의 세기(spectral radiancy, y축)가 강해진다는 사실을 알 수 있다. 또한, 빈(Wilhelm Wien) 변위 법칙(Wien displacement law)에 따르는 열에너지 분포 곡선을 보면 알 수 있듯이 각 온도 별로 에너지 밀도가 가장 큰 파장은 흑체의 온도에 반비례한다(즉, 흑체의 온도가 높을수록 복사에 있어서 짧은 파장의 에너지 밀도가 높다). 이와 같은 온도에 따른 복사선의 색 변화는 그림 1.2에서 보는 바와 같이 천체 관측 시에도 나타나는데, 낮은 온도(3000 °C)에서의 복사선 파장이 길고(Red), 온도가 높아질수록 복사선의 파장이 짧아진다는 사실을 확인할 수 있다.
 

그림 1.2. 천체의 색깔과 온도 간의 관계: Blue-white, 40 000 °C; White, 10 000 °C;
Yellow, 6000 °C; Orange, 4500 °C; Red, 3000 °C
(original source: Gr9B from https://www.siyavulaeducation.com/work-oer.html).

그런데, 이전까지 밝혀진 빈의 복사 법칙(Wien radiation law)은 파장이 짧은 영역에서는 어느 정도 실제와 부합하지만 파장이 긴 영역에서는 실험 결과와 잘 맞지 않았다. 또한, 장파장 영역에 잘 맞는 레일리-진스 복사 법칙(Rayleigh-Jeans radiation law)에 따르면, 짧은 파장의 영역으로 가면서 복사의 세기, 즉 에너지 밀도가 무한대로 발산한다. 플랑크는 물리학자들이 '곡선 일치법(curve-fitting)'이라 부르는 방식을 통해 이들을 통합하여 하나의 공식으로 만들고자 하였다(Ford, 2009, p. 94). 이 과정에서 짧은 파장의 영역에서 일어나는 복사 세기의 무한대 발산을 방지하기 위해 복사열을 발생시키는 분자의 진동에 하한선을 두게 되는데, 이렇게 하면 기존의 흑체 복사와 관련된 법칙들이 모든 범위의 빛의 파장과 온도에서 실제 실험 결과에 부합하도록 하나의 공식으로 표현이 가능해진다. 이때의 에너지 하한선이 현재의 플랑크 상수(Planck constant, h = 6.626 070 15×10^-34 J·s)가 된 것이다. 기존의 고전 복사 법칙에서 플랑크의 복사 법칙으로의 전환을 나타낸 그림 1.3에서, λ는 빛의 파장, c는 빛의 속도, T 는 절대 온도, k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), 그리고 h는 플랑크 상수이다 (Halliday et al., 2018, p. 1165).
 

그림 1.3. 고전 복사 법칙에서 플랑크 복사 법칙으로.

다시 말해서, 이 에너지 하한선의 도입으로 인해 흑체 복사를 실제 실험 결과에 부합하는 방식으로 표현할 수 있게 되었고, 이렇게 하여 물리학 분야에 양자 개념이 시작된 것이다. 즉, 실제 세상은 양자화(quantization)되어 있다는 사실을 알게 되었고, 이로부터 그동안 풀리지 않던 수많은 문제들을 해결할 수 있게 되었다. 비록 플랑크가 의도한 것은 아니지만, 이후로 양자 역학 분야는 전술한 것과 같은 수많은 양자 현상을 발견하고 설명하면서 현대 물리학에 막대한 기여를 하게 된다.

사실, 생물체 환경이 온도와 습도가 상당히 높고, 주변의 물리 화학적 잡음이 많은 편이기는 하지만, 생물의 세계에서 일어나는 많은 현상들도 광자로 이루어진 빛의 흡수, 전자나 다른 원소들의 이동에 의한 화학적 반응 등 분자 및 원자 수준의 변화에 의해 발생하는 것이다. 따라서, 생각해 보면, 분자 생물학이 생물학 분야의 연구에 커다란 발전을 가져왔듯이 양자 현상을 적용한 연구 방법도 현재까지 알려져 있지 않거나 설명하지 못했던 생물학적 현상을 밝혀내는 작업에 많은 역할을 할 수 있지 않을까 기대할 수 있을 것이다.
 

<참고문헌>
Born,M. (1924) Über Quantenmechanik. Zeitschrift für Phys., 26 (1), 379–395.

Ford,K.W. (2009) The Quantum World: Quantum Physics for Everyone. Harvard University Press.

Ford,K.W. (2011) 101 Quantum Questions: What You Need to Know About the World You Can’t See. Harvard University Press.

Halliday,D., Resnick,R. and Walker,J. (2018) Fundamentals of Physics, Extended. Wiley.

Planck,M. (1900) Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum. Verhandl. Dtsch. Phys. Ges., 2, 237–245.