뉴턴 Highlight `양자론(Quantum Mechanics)` 개정 신판

누구나 이해할 수 있는 양자론 - 일본 뉴턴프레스 엮음, 와다 스미오 감수/뉴턴코리아

20세기 물리과학의 양대산맥은 아인슈타인 박사의 '상대성 이론'과 여기서 소개할 '양자역학'입니다. '양자론(quantum mechanics)'에 의하면 이 세상에서 확고하게 정해진 결과는 없고, '~일지 모른다'는 불확정성을 바탕으로 한 확률 개념의 추론이 있게 됩니다. 이점은 아인슈타인 박사가 끊임없는 의문을 제기하며 받아들일 수 없는 부분이었고, 이후 양자역학과는 타협을 하지 않고 다른 행보를 하게 되는데 상대성 원리를 바탕으로 맥스웰의 전자기와 중력 이론을 통합하여 우주의 법칙을 아우르는 '통일장 이론'을 연구했지만 성공하지 못하고 그것은 후학들의 몫으로 남겨졌습니다.

<Newton Highlight 누구나 이해할 수 있는 양자론 개정 신판>은 2006년 10월에 간행된 <누구나 이해할 수 있는 양자론>의 개정판으로 [양자론의 기본 개념과 핵심 내용, 양자론의 배경이 되는 원자와 전자, 빛이 가진 파동과 입자의 양면성, 양자론의 핵심, 양자론에 관련된 주요 과학자들, 다중 세계 해석의 개념, 양자론의 창시자 중 한 사람인 아인슈타인과 보어의 코펜하겐 해석을 둘러싼 유명한 논쟁] 등의 풍부한 자료들을 싣고 있습니다.

정작 아이러니한 것은 양자론에 관한 것을 제일 먼저 제시하면서 언급한 사람이 바로 아인슈타인 박사였다는 것이죠. 그 후, 양자역학에 매료된 젊은 과학자들의 참여와 연구가 부지기수로 늘어나면서 빛과 전자 등 소립자에 대한 비밀이 계속해서 밝혀져 왔습니다. 양자역학의 연구로 나온 결과들은 하나같이 명확하게 정해진 것은 없고, 앞으로 어떻게 될지 예측이 불가능하다는 '불확정성의 원리'를 말해주고 있으며 이는 아인슈타인 박사가 그리도 염원했던 모든 것이 확고한 소위 '대리석 우주'와 달리 이 세상을 불완전한 '나무조각 부스러기의 우주'로 설명하고 있습니다.

이 논란은 현재까지 여전히 계속 논쟁의 대상이 되고 있어서 오늘날에도, '양자역학'쪽이 이 세계를 더 잘 설명해주고 있다라는 많은 과학자들이 있는 추세인 한편, 아인슈타인의 생각을 옹호하는 과학자들도 적지 않습니다. 결국, 이 두 가지를 모두 고려한 통합적인 연구가 진행되어지기 시작했는데, 최근 들어 그 성과가 이론 물리학 분야에서 드러나고 있습니다.

그 중 하나가 이른바 '초끈(Super String) 이론'입니다만 아직 갈 길이 멉니다. 정말 아쉬운 것은 이러한 이론의 출발점이 바로 '양자역학'이었다는 것인데, 아인슈타인 박사가 조금만 아집을 접고, 보다 열린 사고로 양자역학을 면밀히 검토했다면 아마도 상대성 이론과 함께 '양자중력이론'이 지금보다 더욱 발전할 수 있는 계기를 만들었을지도 모르는 거겠죠.

원자 속을 들여다 볼 때, 전자가 어디에 있을까요. 당연히 원자 속 전자구름 안 어딘가에서 눈에 띌 것입니다. 그럼, 속을 들여다보지 않은 상태에서는 전자가 있는 위치를 어떻게 표현해야 할까요? 고등학교 물리시간에 배운 둥근 원은 틀린 그림이 됩니다. '전자가 위치할 수 있는 공간 어디에도 있다.'라고 말해야 하며 그것을 표현하기에 알맞은 형태의 그림이 바로 위에 나와 있습니다. 그리고 또 우리는 오랫동안 다른 곳에서도 보며 자라왔습니다. 바로 우리나라 국기 안에 그려진 모양 말입니다. 실제로 양자역학은 '역 사상'의 '음양론'과 '상보성'이라는 개념과도 밀접한 연관이 있습니다.

빛은 아주 신비한 존재입니다. 기존엔 파동으로 인식되다가 아인슈타인 박사에 의해 입자의 성질이 증명되면서 한바탕 소동 끝에 파동과 동시에 입자로 여기지게 됩니다. 처음 이 얘기를 들었을 때, '뭘 그런걸 가지고 논쟁을 벌이나. 파동과 입자의 성질을 같이 가지면 안되남?'하고 생각하기도 했었는데, 그때는 아무것도 몰라서 그랬기도 했지만 터무니 없는 생각이 때로는 효과가 있을 때도 있지 않을까 싶네요. 적어도 파동과 입자 하나만 고수하여 편갈라 싸우는 일은 없을테니. 그래도 이러한 논쟁 때문에 발전이 있어온 것도 사실이었죠. 그러나, 그 모든 논쟁을 뒤로 하고 빛은 원래부터 파동이면서 또 입자의 성질을 같이 가지고 있었습니다.

태초에 빛이 제일 먼저 있었고, 이로 인해 만물이 생겨났다. (성경인가?) 이러한 빛의 본질을 연구하는 학문이 '양자역학'입니다. 상대성 이론이 빛의 속도에서 이해가 가능한 이론이라면 양자역학은 원자크기 단위의 세계에서 설명이 이루어지는 학설로 이 두 이론은 20세기 과학계를 이끌어온 쌍두마차 역할을 하며 오늘날까지 위력을 발휘하고 있습니다.

우리는 빛의 두 얼굴을 동시에 볼 수는 없고, 파동과 입자 중 하나만을 관찰할 수 있습니다. 어떤 때는 입자의 모습을 또 다른 어떤 때는 파동의 두 가지 모습들 중 하나를 보는 것은 확률의 개념으로써 설명되며 이를 '불확정성의 원리'라고 합니다. 이러한 논리로 결론 지어지는 빛의 성질은 '속도를 알면 위치를 모르고, 위치를 알면 속도를 모른다'로 나타나는데, 우리가 어렸을 때 자주 하고 놀았던 '무궁화 꽃이 피었습니다'를 생각하면 이해가 빠릅니다.

아인슈타인 박사도 칭찬을 아끼지 않았던 양자역학의 연구자 '슈뢰딩거'는 그 유명한 '파동 방정식'을 만들었는데 이로써 모든 파동과 움직임에 대한 설명이 가능했습니다. 또 하나 양자역학을 설명하기 위한 가상의 장치를 고안했으니 그것이 바로 '슈뢰딩거의 고양이'입니다. 일정시간이 지나면 독가스가 나오는 작은 상자 안에 고양이를 두고, 상자의 뚜껑을 덮은 다음 안을 볼 수 없는 상황에서 일정시간이 지난 후엔 어떻게 될 것인가? 직접 눈으로 보기 전엔 알 수 없으니 모든 가능성이 다 유효하게 됩니다. 하지만 막상 안을 들여다보면 그 모든 가능성들 중 한 가지만 볼 수 있게 되는데 빛도 이와 마찬가지입니다.

세월에 따라 양자론도 발전해 나갔고, 아인슈타인 박사가 죽은 후 '다중 세계' 이론이 등장하게 됩니다. 여러가지 가능성들 중 확률이 높은 한 가지가 결정되면 나머지 가능성은 어떻게 되는가라는 물음에서 나온 이 이론에 의하면 그 나머지 가능성들 또한 각각의 세계를 이루며 전개되므로 우리의 세계 외에 다른 무수한 세계가 병렬로 존재한다라는 개념인데 여기에 동조하지 않는 학자들도 많지만 이 이론의 가능성을 받아들이는 연구자들 또한 적지 않습니다. 사실이 어찌되었든 이 이론과 개념은 영화를 비롯해서 각종 드라마와 소설에 빈번하게 등장하는 소재로 많이 쓰이고 있습니다. 참 궁금한 거 한 가지는 만약 아인슈타인 박사가 살아 생전에 이 이론이 나왔었다면 그는 여기에 관해서 뭐라고 말했을까라는 겁니다.    

개정 신판에 추가된 내용은 이전 구판에서 볼 수 없었던 그 유명한 '코펜하겐 해석'을 둘러싸고 심도있게 벌어졌던 아인슈타인과 보어의 논쟁에 관한 겁니다.  "신은 주사위를 던지지 않는다." 라는 유명한 말이 나오죠. 또, "달은 보고 있을 때에만 존재하는가?"라는 물음도 나오게 됩니다.

양자역학의 실제 적용에 대한 효용성은 인정하면서도 그 불완전한 이론은 받아들이지 않고 비판했던 아인슈타인 박사의 질의에 양자역학자 닐스 보어가 답변을 하는 식으로 오랫동안 지속된 논쟁에서 얄궃게도 아인슈타인 박사는 자신이 만든 상대성 이론에 의해 반박을 당하게 되지요.

1930년 솔베이 회의에서 아인슈타인과 양자역학자들 사이에 극적인 논의가 있었습니다. '시계장치의 광자 상자'라는 역시 가상의 장치를 가지고 격렬하게 벌어진 논쟁에서 아인슈타인 박사는 빛이 발사되는 시각과 그 무게를 동시에 측정할 수 있다고 공격했는데, 이는 양자역학의 '불확정성의 원리'에 따르면 불가능한 것이어서 순간 양자역학에 위기가 찾아온 것처럼 보였습니다.

이를 두고 밤새 고민했던 '닐스 보어'는 다음날 아침 상대성 이론에 따라 중력의 영향하에서 움직이는 물체로 인해 시간이 늘어나므로 정확한 시간을 측정할 수 없다는 반론을 펼침으로써 아인슈타인 박사는 자신이 만든 이론에 의해 논쟁에서 지게 되는 묘한 장면이 연출되었습니다.

이러한 양자역학으로 인해 20세기는 전자공학의 시대가 되었으며 반도체나 IC회로를 발명해 라디오부터 TV, 오디오를 지나 초전도, 상온 핵융합을 거쳐 21세기인 오늘날에는 컴퓨터와 정보통신이라는 빛의 시대에 진입하게 되었고, 이는 양자역학이 탄생한지 불과 60여년 만에 이루어진 일입니다.