퀀텀 스토리 에필로그...

과학하고 앉아있네 4 - 김상욱의 양자역학 더 찔러보기 ㅣ 스낵 사이언스 Snack Science 시리즈 4
원종우.김상욱 지음 / 동아시아 / 2016년 3월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

아빠가 이 책 바로 전에 읽은 책이 짐 배것의 <퀀텀 스토리>였잖아. 그 책을 쉽지 않게 읽었다고 했지. 그래서 그 책의 에필로그 겸 보충한다는 생각으로, 예전에 사 두었던 < 과학하고 앉아있네 4 (김상욱의 양자역학 더 찔러보기)>를 읽었단다. 아빠가 읽은 양자역학에 대한 책들 중에 그나마 가장 괜찮게 읽고, 이해한 듯 착각을 일으켰던 책이 <과학하고 앉아있네 3 (김상욱의 양자역학 콕 찔러보기)>였단다. 그 책의 후속편이 바로 <과학하고 앉아있네 4 (김상욱의 양자역학 더 찔러보기)>이야.

이 책은 오래 전에 원종우 님이 진행하는 팟캐스트에 김상욱 교수님이 초대되어 양자역학을 이야기한 것을 책으로 엮은 것이란다. 그래서 두 분의 대화체로 책이 엮여 있단다. 대화체로 구성되어 있다 보니 양자역학을 다루었음에도 불구하고 읽기 어렵지 않았단다. 물론 양자역학에 대한 개념은 어렵지. 먼저 <과학하고 앉아있네 3 (김상욱의 양자역학 콕 찔러보기)>을 먼저 간단히 정리하면서 시작했단다.

보어와 하이델베르크가 양자역학을 행렬역학으로 설명함에 반해 슈뢰딩거는 파동역학으로 양자역학을 설명했었지. 전에도 이야기했지만, 파동역학은 간단한 미분방정식으로 표하는 장점은 있지만, 전자의 입자성과 양자 도약을 설명하는 못하는 단점도 있었어. 양자역학은 코펜하겐 해석에 의해 정리되었고, 그 중에서도 핵심은 불확정성의 원리로, 측정한다는 그 행위가 대상을 변화시켜서 제대로 된 측정을 할 수 없다고 했어. 그래서 전자뿐만 아니라 모든 사물의 측정 결과(위치)는 확률로 표현되어야 한다고 했지

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(47-48)

본다는 것은 빛이 물체에 부딪혀 튀어나온 후 우리 눈에 들어오는 것입니다. 빛이 물체에 부딪히는 공안 교란이 전혀 없을 수는 없어요. 물론 대부분 물체는 너무 무거워서 빛에 맞더라도 별 영향을 받지는 않는 것처럼 보이지만 말이죠. 아이스크림을 맛 볼 때에도 아이스크림을 교란하지 않을 방법이 없는 것처럼, 어떤 물리량일지라도 측정을 하려면 그 대상을 아주 조금이라도 교란할 수밖에 없다는 겁니다.

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이것을 극도로 반대한 사람이 아인슈타인이었고, 보어와 아인슈타인의 논쟁은 1927년 5차 솔베이 물리학 회의였고 말이야. 이 정도가 <과학하고 앉아있네 3 (김상욱의 양자역학 콕 찔러보기)>의 정리였단다.

1.

1932년, 아인슈타인은 미국으로 망명하게 된다. 그리고 전에도 이야기한, 포돌스키와 로젠과 함께 EPR 논문을 1935년에 발표를 한단다. (이것에 대한 내용은 지난번 <퀀텀 스토리>의 독서편지 참고 바람) EPR 논문의 핵심은 양자역학의 측정이라는 것이 빛의 속도보다 빠른 것은 없다는 상대성 이론에 맞지 않다는 것이야. 그러면서 숨은변수이론을 주장하였단다.

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(76)

그래서 아인슈타인은 이렇게 결론을 내립니다. 양자역학이 이상한 것은 단지 아직 우리가 모르는 무언가가 더 있기 때문이다. 우주는 결정되어 있는데, 아직 우리가 모르지만 우주는 아미 알고 있는 무엇인가 있다는 겁니다. 따라서 우리가 그것을 알게 되면 양자역학의 측정문제 따위는 필요 없다는 거죠. 그래서 아인슈타인은 우리가 모르는 그 무엇을 ‘숨은변수’라고 부르기로 합니다. ‘숨은변수’라는 말의 의미를 아시겠죠? 우주에는 우리가 모르는 아직 숨어있는 그런 것이 있는데, 이것이 결정론으로 된 것이라는 겁니다. 이제 남은 문제는 ‘숨은변수’를 찾는 것뿐이죠.

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보어는 이걸 양자얽힘으로 반박을 했는데, 아빠는 설명하기 어렵고, 유튜브 하나를 추천해 본단다.

https://www.youtube.com/watch?v=lOOhM9AxW3A

이 양자얽힘에 대한 논쟁은 보어와 아인슈타인 사이뿐만 아니라 이후에도 많은 물리학자들에 의해서 논쟁은 계속되었단다. 컴퓨터의 아버지라는 별명을 갖고, 게임이론으로 유명한 폰 노이만이라는 사람은 수학적으로 코펜하겐 해석을 설명하였는데, 이것은 아인슈타인의 등에 칼을 꽂은 셈이라고 하는구나. 이것을 반론하고 아인슈타인의 숨은변수이론을 주장한 데이비드 봄이라는 사람이 있었어. 그는 아인슈타인의 숨은변수이론이 가능하다는 논문을 발표했단다. 그것이 1952년이었는데, 그게 주목을 받지 못했단다. 심지어 아인슈타인도 인정하지 않았다고 했어. 데이비드 봄은 당시 미국에서 불었단 반공 매카니즘의 희생양으로 대학에서 재계약도 못하고, 브라질로 이주할 수밖에 없었단다. 그렇게 그의 논문은 잊혀지는 듯 했어. 그런데 나중에 존 스튜어트 벨이라는 과학자가 데이비드 봄의 논문을 보고 깜짝 놀랐대. 그리고 12년 동안 연구하여 논문을 발표했는데, 그 요지는 폰 노이만이 틀리고 숨은변수이론이 맞을 수도 있다는 내용이었어. 이 논문도 인기 없는 학술지에 실리면서 주목을 받지는 못했어.

그런데 또 다시 10년 뒤 알랭 아스페란 사람이 이 논문을 보고 벨을 찾아가 만났어. 벨도 자신의 논문이 이미 오래 전에 쓰여진 논문이고 아무도 주목하지 않으니 굳이 시간과 돈을 들여 실험하지 말라고 했지만, 아스페는 실험을 하였고 확인을 하였다고 하는구나. 이 때 나오는 이야기가 국소성과 실재성이라는 말인데, 이것 또한 개념이 쉽지는 않았어.

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(89)

하나는 ‘국소성’이고 다른 하나는 ‘실재성’입니다. 말이 무척 어렵죠? 하나씩 풀어봅시다. ‘국소성’이라는 건 빛보다 빠른 정보 통신이 가능하지 않다는 겁니다. 상대성이론의 가정을 말하는 거지요. ‘실재성’은 아인슈타인이 이야기한 대로 측정하기 전에 물리량이 결정되어 있다는 겁니다. 국소성과 실재성을 가정하면, 이것이 아마도 아인슈타인이 생각한 그런 ‘숨은변수이론’이 아니겠냐는 생각입니다.

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그 이후에도 많은 물리학자들에 의해 이 논쟁은 계속 이어졌다고 하는구나.

2.

계속되던 양자얽힘에 대한 논쟁은 더 후대에 와서 맞는 것으로 밝혀졌대. 그럼 이 양자얽힘을 산업에 이용할 수는 없을까. 과학이라는 것이 언제까지 이론에만 머물 수는 없으니까 말이야. 이 양자얽힘을 이용한 것 중에 가장 대표적인 것이 바로 양자컴퓨터란다. 아직 실용화 단계까지는 안 갔지만 계속 개발되고 있어. 컴퓨터라는 것이 사실 0과 1로 이루어져 있는 모든 정보를 처리하는 기계야. 그냥 0과 1을 처리하는 기계라고 아주 간단히 이야기할 수도 있는 거지. 지금까지 정보는 0과 1만 가능하지만, 양자역학에서의 정보는 0과 1이 중첩되어 동시에 가지고 있는 거야. 우리가 관측하지 전까지는 무엇인지 모르니까 말이야. 이 정보를 양자 비트 또는 큐비트라고 하고 말이야.

데이비드 도이치라는 사람은 양자알고리즘을 최초 개발하였고, 상태중첩을 이용하면 처리 속도가 2배 이상 빨라질 수 있다고 했단다. 최초의 양자컴퓨터는 2011년 오리온 시스템이라는 회사에서 만든 디 웨이브-I이었다고 하는구나. 그리고 2013년 디 웨이브-II 이라고 하는구나. 이 엄청나게 비싼 양자컴퓨터를 유명한 회사나 정부기간에서 구입했다는 거야. 그런데 이게 정말 양자컴퓨터가 맞냐는 논쟁도 있었다고 하는구나. 검증도 제대로 안되었다고 말이야. 하지만 양자컴퓨터는 계속 개발되고 있으니, 앞으로 기대해보자꾸나.

….

이 책도 대화체로 되어 있긴 하지만, 양자역학에 대한 내용은 역시 이해하기 어렵구나. 하지만 그것이 양자역학의 특징이니 실망하지는 말자꾸나. 리처드 파인만이 이야기한 것처럼 양자역학을 제대로 이해한 사람은 한 명도 없다고 하니 양자역학을 이해했다면 사람이 아닐 테니 말이야. ㅎㅎ

PS:

책의 첫 문장: 지금 저희가 이것을 시작한 이래로 가장 많은 분들이 오신 것 같아요.

책의 끝 문장: 감사합니다.

그러니까 보통 우리가 운동이라고 하면, 물체가 움직이는 위치를 계속 눈으로 추적하면서 위치가 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이건 우리가 위치를 측정할 수 있기 때문에 그렇게 할 수 있는 거죠. 그런데 만약 위치를 알 수 없는 대상에 대해서는 운동을 어떻게 기술할 수 있느냐 하는 거예요. 그러면 그 대상이 무엇이든 간에 그 대상으로부터 우리가 얻어낼 수 있는 것만 가지고서 이론을 만들어야 한다는 건데, 원자의 경우에는 그게 바로 이런 숫자들이라는 겁니다. - P30

관측하지 않은 것에 대해서 그 존재 여부조차 알 수 없다는 것은 과학의 기본 전제라고 볼 수도 있습니다. 보지 않은 걸 믿지 않는 거죠. 이게 그냥 과학자들의 믿음 같은 거라고 생각하기 쉽지만, 그렇지 않아요. 양자역학, 아니 우주가 그렇게 굴러간다는 겁니다. 과학자들도 이걸 좋아하지 않았어요. 왜냐하면 무슨 관념론 같잖아요. 사실 처음엔 저도 거부감이 좀 있었습니다. 무언가 우리의 의식이나 의지 같은 게 거기에 관여하는 것 같은 느낌이 약간 있어서 그래요. - P60

실체(實體)나 실재(實在)라는 단어도 상황에 따라 어려 가지 의미를 가질 수 있습니다. 이 단어를 사용하는 사람이 종교가 있는지 없는지에 따라, 또는 어떤 철학적 배경이 있는지에 따라 다를 수 있을 겁니다. 과학자들이 실재성 논쟁에서 염두에 두는 것은 오직 물리량이 측정 전에 정의되어 있으냐 하는 것입니다. 그러니까 우선 물리량으로 표현될 수 없는 것에 대해서는 이야기할 수 없어요. 측정하기 전 물리량에 대해 알지 못한다는 것을 두고서 실제로 존재가 없는 거냐고 물으면 그건 다른 문제라고 답해드리겠습니다. 존재에 대한 정의가 필요하잖아요? 빨간 알약인지 파란 알약인지 전혀 알 수 없을 때, 적어도 알약은 존재하는 것인지, 아니 적어도 색은 존재하는 것인 것 하는 질문을 할 수도 있죠. - P121