양자 역학 혁명의 출발점《얽힘의 시대》

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얽힘의 시대 - 대화로 재구성한 20세기 양자 물리학의 역사
루이자 길더 지음, 노태복 옮김 / 부키 / 2012년 9월

양자 역학은 상대성 이론과 함께 20세기 지성사에 가장 큰 영향을 끼친 과학적 발견이다. 이 논문의 저자인 하이젠베르크는 이 양자 역학을 정초한 공로를 인정받아 1932년에 노벨상을 받았다. 상대성 이론이 아인슈타인이라는 걸출한 스타 한 명이 거의 혼자서 완성한 것이라면 양자 역학은 시대의 천재들이 머리를 맞대고 고군분투한 결과물이다. 이 논문은 수많은 천재들을 한데 엮은 양자 역학 혁명의 출발점이라 할 만하다.-물리학 클래식 중에서-

이 책은 이런 양자역학이 탄생하게 되기까지 천재들이 머리를 맞대고 고군분투한 결과물로서의 대화를 엮은 것이다. 양자 역학의 획기적인 발견으로 새로운 과학 혁명을 이끌었으며 이것은 결국 인간 인식의 새로운 지평을 놀라우리만큼 넓혀 놓았는데 이 의식의 혁명에 해당하는 이론은 양자역학이다.

두 실체양자는 늘 상호작용을 하며 서로 얽힌다. 두 실체가 광자(빛의 작은 알갱이)든 원자(물질의 작은 알갱이)든 먼지 티끌, 현미경,고양이 또는 사람처럼 원자로 이루어진 큰 물체든 마찬가지다. 얽힘 현상은 이 실체들이 그 밖의 다른 어떤 것과 상호작용을 하지 않는 한 아무리 멀리 떨어져 있어도 일어난다. 하지만 그 미세한 작용에 비해 고양이나 사람은 너무 크기 때문에 우리는 그 영향을 알아차리지 못한다.

책에서 등장하는 인물들은 이런 양자역학에 획기적인 발견과 상관관계를 밝히는데 공헌했던 인물들로 존 벨은 얽힘 현상의 존재, 두 입자의 놀라운 상관관계를 간결하고 아름답게 그리고 결정적으로 증명하며 보어의 열렬한 지지자인 베르너 하이젠베르그와 가장 신랄한 비판자인 볼프강 파울리는 원자가 측정 전에는 아무런 성질을 갖지 않으므로 양자 세계는 우리의 관찰 행위에 어떤 식으로든 창조 혹은 변환된다는 점에서는 의견을 같이하고 있다.

19세기에는 에너지에 대한 지식의 발전이 증기기관의 제작 및 운전과 직결되었고, 20세기에는 컴퓨터의 출현이 정보 이론의 출현과 긴밀하게 연결되었다. 21세기에는 양자 컴퓨터와 양자 암호 작성법에 대한 직접적인 연구 덕분에 우리는 더욱 안락해지고 아울러 얽힘 현상에 더욱 경외감을 갖게 될 것이다.

“현재 우리는 빛과 물질 사이의 상호작용을 전혀 이해하지 못하고 있다는 것을 말이네.”

“지금 빛을 설명하는 두가지 이론이 있는데 , 둘 다 필요하네. 그런데 20년간 엄청난 노력을 기울였는데도 그 둘 사이에 아무런 논리적 연관성을 찾지 못했네. 우리는 원리를 알 때까지 서로 다른 이 두 결과를 잇는 연결 고리를 계속 찾아야 하네. 추론의 열쇠가 될 원리가 발견되지 않는 한, 개별적인 사실들은 이론가에게는 아무런 소용이 없다네.”

인과성의 원리, 즉 모든 것에는 원인이 있다는 원리는 과학의 근본 토대다. 과학의 목적은 그러한 원인을 찾는 것이다. 하지만 원자 세계의 인과성에 관한 보어의 직관은 나중에 선견지명이었던 것으로 밝혀지게 된다. 즉 설명할 길 없는 동시성이 양자론의 가장 독특하고 기이한 요소에 남아 있음이 밝혀지게 된다. 보어의 인과성원리 덕분에 평균적으로 거시적 규모에서 우리가 보는 이 세계를 구성하는 특징들로부터 양자론이 세워졌다.1920년 보어가 그 원리를 ‘대응 원리’로 이름을 바꾸자 이 원리를 다루거나 이해하기가 더 어려워졌다. 좀머펠트는 물리학의 발전 추세를 엄밀히 반영하여 새롭게 펴낸 자신의 양자론 교과서에서 그 원리를 ‘마법의 지팡이’라고 언급했다.

하이젠베르크는

“자연을 우리 앞에 갑자기 펼쳐지게 하는 수학적 방법의 단순성과 아름다움-우리가 받아들일 준비가 전혀 되어 있지 않은, 두려울 정도의 단순성과 관계들의 완전성-에 제가 강하게 끌린다는 점을 인정합니다. 박사님(아이젠슈타인)도 그렇게 느끼셨다고 저는 압니다.”

양자역학-봄은 이것을 양자화된 운동, 통계적 인과성, 그리고 분리할 수 없는 일체성이라는 세가지로 분석했다.-를 통해 “나는 자연에 대한 직관적인 인식에 가까이 다가갔다.”

상대성 이론이 아인슈타인이라는 걸출한 스타 한 명이 거의 혼자서 완성한 것이라면 양자 역학은 시대의 천재들이 머리를 맞대고 고군분투한 결과물이다. 이 책은 이런 천재들의 생각이 어떻게 하여 어떤 연관성을 띠는지를 이들이 나눈 대화에서 느낄 수 있다. 양자역학은 과학혁명을 일으킨 주역으로 노트북이나 스마트폰이라는 작은 컴퓨터의 출현의 바탕이 되었다. 우리의 삶에 지대한 영향을 끼친 양자이론을  그들이 나눈 대화를 통해 완성되어가는 과정은 무척이나 흥미진진하였던 것 같다. 아인슈타인부터 보어, 하이젠베르크,슈뢰딩거,파울리,요르단,봄 ,존 벨과 같은 천재들이 세계를 이루는 물질의 특성을 설명하기 위해 끊임없이 대화하는 것을 보며 세계의 모든 것은 상호작용을 하며 서로 얽혀야만 하는 원리라는 생각이 든다. 인간의 삶이 바로 양자원리가 아닐까.