일상에서 보는 양자역학의 세계

익숙한 일상의 낯선 양자 물리 - 아인슈타인과 함께 하루를 시작한다면
채드 오젤 지음, 하인해 옮김 / 프리렉 / 2019년 6월

세상을 이해하는 또 다른 방법, 양자 물리

교양 과학에서 다루는 내용 중에서 다른 사람에게 쉽게 설명을 하지 못하는 영역이 있다면 단연 '양자 물리' 영역이다. 그렇다고 기죽을 필요가 없는 것이 뛰어난 과학자 중의 한 명인 리처드 파인만의 위안이다. 

"양자 역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 안전하게 말할 수 있다."

파인만의 말대로 ' 양자 역학'을 이해하는 것은 쉬운 일은 아니다. '원자'를 다루는 양자 역학은 보이지 않는 영역을 다루는 것이기에 난해한 지도 모르겠다. 지금까지 나온 교양 과학에서 다루는 양자 물리의 영역에는 역사적 맥락 위주로 되어 있다. 해서 '양자 물리'의 의미에 대해서 이해하기가 쉽지 않았다. 

하지만 이 책을 읽고 나면 양자 역학이 없이 하루도 살 수 없다는 것을 알게 된다. 이 사실 하나만으로 이 책을 읽는 가치가 있다고 할 수 있을 것이다.

김상욱 교수는 "과학은 지식이 아니라 태도"라고 했다. 이 말은 일상의 모든 지식을 앞서 나가는 한 마디이다. 양자 역학을 대하는 대할 때도 마찬가지이다. 

"일상을 평소보다 조금만 더 가까이 관찰하면 모든 것이 양자 물리의 기이하고 추상적인 현상에 크나큰 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다. 아침 일상과 같은 평범하기 그지없는 일들도 깊이 들여다보면 그 본질은 양자 현상이다." 

만약 매일 아침 우리를 깨우는 알람 시계의 소리, 화재를 미리 감지해서 경고를 내려주는 연기 감지기, 자주 사용하는 전자레인지, 여행 가면 늘 사 오는 마그네텍 기념품, 그리고 우리가 즐기는 커피향.

이 모든 것이 양자 현상과 관련되어 있음을 알게 되면 '양자 역학을 이해하는 데 한 발 더 나아간 것이다'라고 자신 있게 이야기할 수 있을 것이다.

이제 당연하게 여겨지던 가장 단순한 일상에 숨겨진 신비로운 세상으로 잠시 여행을 떠나보자. 

빛의 파동성과 입자성의 특징을 이용해 사용하는 일상 제품

양자 역학을 이해하는 핵심은 이중 슬릿 실험을 통해서 빛이 파동성을 지니고 있다는 사실이다.

이것의 정확한 의미를 모른다고 하더라도, 요즘 나는 noise cancelling 헤드폰이 바로 이 원리에 의해서 만들어졌다도 하면 당신은 양자 역학에 한 발 다가선 사람이다. 

'하나의 파동이 마루 peak이고 다른 파동은 골 valley이 되어 위상이 반대일 때, 두 파동은 서로 상쇄한다. 즉, 한 파동의 마루가 다른 파동의 골을 채우기 때문에 결국 파동이 전혀 나타나지 않는다. 빛이 아닌 다른 어떠한 파동에서도 마찬가지 현상이 나타난다.' 

빛의 파동성을 이용해서 잡음 제거 헤드폰이 개발이 되었다면 또 다른 빛의 특징인 '입자성'을 가지고 발명된 제품이 우리가 매일 사용하는 디지털카메라이다. 

'하인리히 헤르츠가 우연히 광정 효과를 발견하고 1905년에 아인슈타인이 빛이 입자라는 파격적인 주장을 했기 때문에 우리는 1개의 광자가 1개의 전자를 튀어나오게 하는 양자 물리학적 현상을 이해하게 되었고 그 덕분에 디지털카메라를 개발할 수 있었다. ' 

냄새를 맡는 과정은 양자 현상 

'냄새에 관여하는 분자의 화학작용을 포함하여 사실상 우리가 아는 모든 화학 작용은 양자 현상 중에서도 가장 기묘한 현상에 뿌리를 둔다. 그중 하나가 스핀 spin이라는 매우 진기한 입자 속성이다.' 

아쉽게도 스핀 현상에 대한 설명은 쉽지가 않았다. (일단 냄새와 관련해서는 전자의 스핀 현상과 연관되어 있음을 기억하자)

아직 냄새 분자가 인지되고 처리되는 과정은 완전히 규명이 되지 않았다고 한다.

하지만 '우리가 따뜻한 차의 향긋한 향으로 기분 좋게 아침을 맞이할 수 있는 건 파울리의 배타 원리와 전자의 파동성 덕분이라는 것'도 함께 기억하자.

과학은 지식이 아니라 태도라고 했다.

양자 물리학뿐 아니라 모든 과학은 '왜 이런 일이 일어나지?'와 같은 사소한 호기심 때문에 가능했다.

과학의 역사든 특정 분야의 과학을 공부하는 이유의 핵심이 바로 여기에 있다고 본다. 

주변 세계에 관해 질문하고, 고민하고, 그러한 질문이 손짓하는 곳이면 어디든 따라가 보라.

언제나 당신을 놀라게 하는 사실이 기다리고 있을 것이다.