단편적인 해설

그림으로 보는 상대성 이론과 양자역학
스티븐 L. 맨리 글, 스티븐 포니어 그림, 김동광 옮김 / 까치 / 2013년 6월

 상대성 이론과 양자역학에 대해서 좀 더 이해하고 싶고 알고 싶다. 그래서 집어든 책이었지만 현재 내가 알고있는 것에서 크게 벗어나지 않았다. 나는 단편적이 사실이나 역사를 알고싶은 것이 아니라 이론을 좀 더 깊이 있고 자세하게 들여다 보고 싶은데, 쉬우면서 깊이있는 책을 만나기가 어렵다. 어찌보면 너무 큰 욕심일지도 모르겠다. 쉽고 깊이있는 책이라니...

 이 책은 상대성 이론과 양자역학에 대해 개괄적인 지식과 해설을 담고 있다. 배경지식이 없는 사람들은 이해하기 어려울 것이다. 아는 만큼 재차 확인하게 되고 모르는 것은 여전히 모르는 채로 남게 된다.

 상대성이론이나 양자역학에 관심을 갖다니 정말 이상하다고 생각하는 사람이 많으실지 모르겠다. 하지만 조금 알게되면 분명 '흐음, 무척이나 이상한 걸?' 하면서 호기심이 생기실 거라고 생각한다.

 상대성이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론이 있다. 누구나 잘 알듯이 아인슈타인이 발견한 이론이다. 특수상대성이론은 등속도운동, 그러니깐 속도가 일정한 운동에서 관측자에 따라서 시간과 공간이 상대성을 띤다는 이론이다. 특수상대성이론은 빛의 속도가 일정하다는 사실에서부터 출발한다. 빛의 속도가 일정하기 때문에 기존의 뉴턴의 고전역학과의 모순이 발생한다. 자세한 설명은 생략하고, 바로 그 결과로 시간과 공간이 누구에게나 일정하지 않게 된다. 속도가 빨라지면 시간이 느리게 간다. 시간이 상대적이라니 정말 놀라운 일 아닌가? 그러니깐 당신이 빛의 속도의 절반의 속도로 움직이는 우주선에 탄 채 20년간 우주여행을 다녀오면, 지구에서는 40년이 지나있는 셈이다. 그렇다고 당신이 20년을 이득본 것은 아니다. 당신은 우주선에서 20년 밖에 살지 않았기 때문에.

 일반상대성이론은 가속도운동과 중력의 등가성에 관한 이론이다. 그러니깐 가속도 운동이나 중력이나 우리가 느끼기에는 결국 똑같다는 것이다. 때문에 중력은 곧 가속도운동이고 속도가 빨라지는 상황이므로 시간이 느리게 간다. 영화 <인터스텔라>를 보신 분들은 주인공일행이 중력이 강한 행성에서 몇 시간 있다가 나왔을 뿐인데, 지구 시간으로 몇 십년이 흐른 것을 기억하고 있을 것이다. 속도가 빨라질수록 시간은 느리게 간다. 가속도운동과 중력은 결국 우리가 느끼기에 똑같다. 결국 중력이 커질수록 시간은 느리게 간다. 또한 속도가 빨라지면 길이가 짧아지는데, 중력또한 역시 공간을 변화시킨다. 시간뿐만 아니라 공간까지 변한다니 정말 상상하기 힘든 일이다.

 여기서 더 나아가 진짜 이상한 이론은 양자역학이다. 이건 정말 이해가 안된다. 양자역학은 '불확정성원리'를 기초로 세워진 학문이다. 바로 미시세계에서는 위치와 속도를 동시에 정확하게 측정할 수 없고 오직 확률로만 측정할 수 있다는 이야기다. 이러한 실험을 생각해보자. 우리는 전자의 위치와 속도를 측정하고 싶다. 전자를 측정하기 위해서는 관찰을 해야한다. 관찰은 곧 보는 행위이고 빛(광자)을 필요로 한다. 우리는 물체를 볼 때 그 물체에 빛을 쏘아서 반사된 빛을 보는 것이다. 자 다시 전자를 관측해보자. 전자를 관측하기 위해서 광자를 쏘아보낸다. 그리고 광자는 전자와 부딪친 후 다시 우리의 눈으로 돌아온다. 그런데 여기서 전자는 광자에 부딪쳤기 때문에 속도가 바뀌게 된다. 위치는 알 수 있지만 속도는 알 수 없다. 그래서 속도에 영향을 주지 않기 위해서 광자를 약하게 쏘아보냈더니 전자와 부딪친 후 돌아오지 않는다. 바로 위치를 알 수가 없게 된다. 전자와 같은 소립자의 속도와 위치를 동시에 측정할 수 없다!! 여기서는 측정기술의 문제라고 생각할 수 도 있을 것이다. 훗날 획기적인 또는 측정기술이 발달하면 전자의 위치와 속도를 동시에 측정하게 될 지도 모른다고 생각할 수도 있다. 하지만 이중슬릿실험에서 우리는 다시 한 번 혼란에 빠지게 된다. 간단히 설명하자면 빛은 입자이면서 파장이라는 두가지 성격을 동시에 가지고 있다. 우리가 소립자를 관측할 때 소립자를 보고 있지 않으면 파장의 성질을 나타내고, 소립자를 보고 있으면 입자의 성질을 나타낸다. 이거 완전 미치고 팔짝 뛸 노릇이다. 소립자가 마치 우리가 보고있다는 것을 아는양 안 볼 때는 파장처럼 행동하고(위치와 속도가 정해지지 않는 확률의 성격을 띄고) 보고 있을 때는 입자처럼 행동을 하는 것이다. 우리가 관측하는 행위자체가 측정하는 소립자의 상태를 바꿔버리는 것이다.

 물론 두 이론 모두 우리가 사는 실제세계와는 크게 상관이 없다. 우리가 사는 세계는 뉴턴의 고전역학으로도 충준히 설명이 되기 때문이다. 우리가 빛의 속도와 가까운 속도로 이동할 일도 없고 전자처럼 작은 미시세계에서 살 것도 아니기 때문이다. 하지만 이 두 이론은 거시세계와 미시세계를 설명하는 중요한 물리학 이론이고 현재의 우주와 태초의 우주를 밝힐 실마리를 가진 이론이기도 하다.

  <지적대화를 위한 넓고 얕은 지식: 현실너머편>의 과학편에서 상대성이론과 양자역학에 관한 이야기가 나오는데 혹시 관심있으신 분은 그 부분을 보시기 바란다. 아주 쉽고 간결하게 설명이 잘 되어있다.

 상대성이론과 양자역학에 대해서 쉽고 재미있게 설명을 잘하고 싶었는데 역시 쉽지가 않다. 다시 요약하자면 상대성이론은 속도와 중력에 따라서 시간과 공간이 변한다는 것을 알려주는 이론이고, 양자역학은 미시세계에서는 기존의 물리학 법칙이 통하지 않고 확률로서만 설명되는 이상한 세계라는 것이다.