익숙한 일상의 낯선 양자물리

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

양자물리에 대한 책은 여러 권을 봤는데도 아직도 , 여전히 잘 모르겠다.

물리적인 마인드가 있어야지 이 지구에서 살아가는데 더 합리적으로 살아 갈 수 있는 것 같다.

사람이 협소해지고 작아지려고 하는 뇌가 되려고 할 때도 물리는 우주적인 마인드로 넓혀줘서 넉넉하게 살 수 있게 도와 준다.

빛의 이중성을 보면 이중 슬릿으로 전자총을 쐈는데 빛이 입자인지 파동인지 확실한 예측이 불가능하다고 했는데 전자총을 쏘기전에는 파동이다가 쏘고나니까 입자였다고 했다.

점의 집합이 모이니까 파동이 됐다.

빛은 입자이면서 파동이라는 것이 모순적인데 입자들이 모이니까 파동에서 나타나는 간섭무늬가 나타났다.

전자가 입자라고 해도 모순적이고 파동이라고 해도 모순적이다.

코펜하겐의 해석에서 보면 쏘아진 전자는 간섭무늬를 만들어 낼 수 있으니까 공간적인 확장을 만들어 내고 이중슬릿의 실험에서 두 개의 슬릿을 통과하는 파동 같은 존재이다.

그러니까 전자는 관측하기전에는 확률파동이고 관측하고 나면 입자가  된다.

빛의 이중성에 대해서 슈뢰딩거 방정식도 있는데 다세계해석도 있다.

다세계해석에서는 살아있는 고양이를 보는 관측자와 죽은 고양이를 보는 관측자가 동시에 이 우주에 존재할 수 있다.

그래도 슈뢰딩거 방정식을 쓰는 이유는 과학자들에게 가장 단순하고 편리한 해석이기 때문이다.

소립자의 물리학이 풀리면 이 우주의 비밀도 완전히 풀릴 것 같다.

상대성이론은 항상 공부를 많이 했는데도 아직도 명확하게 규명이 안 된 것 같다.

상대성이론때문에 공간이 휘어지고 중력이 지구가 끌어 당기는 힘이 아니라 휘어진 것때문에 생기는 힘이라고  한다.

상대성이론도 나중에는 결함이 있어서 불확정성의 이론이나 우주의 팽창을 설명하지 못해서 또 다른 이론으로 발전했지만 상대성이론을 알지 못하면 안된다.

아인슈타인은 우주의 팽창을 끝까지 받아 들이지 않고 세상을 떠났지만 상대성이론이나 특수상대성이론이 우주팽창이나 블랙홀을 설명해 줄 수 있다.

상대성이론과 양자역학을 결합한 루프양자중력이 있다는데 그게 뭔지도 궁금했다.

물리는 수학으로 풀어 내기때문에 어렵다는 생각이 많이 드는데 물리를 공부를 하고 있으면 우주와 세상에 대해서 추상적으로 많이 흘러  간다.

고전역학부터 상대성 이론, 양자역학이 세상에 지대한 영향을 끼쳤다.

양자역학은 알고도 혼란스럽지 않다면 그 사람이 양자역학을 제대로 이해하지 못한거라고 보어가 얘기를 했다.

양자역학은 공부를 해도 잘 이해가 안되는데 보어는 그런 사람에게 포기하지 말라고 했다.

양자역학은 눈으로 보이지 않는 미시세계, 즉 전자, 양성자, 중성자 등 원자를 이루는 구성 입자들의 운동을 연구하는 거라고 한다.

양자역학은 원자가 만드는 빛의 스펙트럼을 설명하기 위해 등장했지만, 지금은 다양한 유형의 물질세계를 설명하기 위해 광범위하게 이용되고 있다.

양자역학에서는 물체의 위치와 운동량을 동시에 알 수는 없다고 생각한다고 한다.

아인슈타인은 ‘신은 주사위 놀이를 하지 않는다.’라는 말로 양자역학의 확률적 세계를 비판했다.

입자가 동시에 여러 곳에 있을 수도 있다는 중첩 현상은 양자역학의 핵심 개념중 하나라고 한다.

삼촌이 핵물리학박사라서 만나면 양자물리에 대해서 계속 얘기를 해주는데 알듯알 듯 하면서 모르겠다.

이 책은 구체적인 현상들과 같이 설명을 해주니까 이해력이 올라  간다.

물리학은 19세기에 들어서며 상대성 이론이 나왔고, 양자 현상을 밝혀내기 시작하여 1960년대 쯤 미시 세계와 거시 세계를 대략 이해하게 되었다.

​이후 중력과 나머지 상호작용을 통합하려고 노력해 왔고, 물질의 질량, 전하, 스핀의 원인과 상호작용의 근본까지 밝혀내려고 하는 대통일장 이론이 제시되었다.

 거의 30-40년간 화려한 스포트라이트를 받으며 많은 이론 물리학자들이 노력했으나 그 빛을 보지 못하고 2000년 밀레니엄과 함께 물리학 분야 자체가 사그러들었다.

​ 2013년에 물질에 질량을 부여한다는 일명 ‘신의 입자’ 라 불리는 힉스 입자가 발견되었고, 우주의 나머지를 채우고 있다고 생각되는 암흑 물질과 암흑에너지가 힘겹게 물리계를 이끌고 있기는 하지만 20세기에 비할 바가 아니다.

​이제 새로운 물리가 나타나야 할 시기이다.

​우리나라 기초 과학 수준도 경제만큼이나 높아졌고, 과학 분야의 저서활동, 번역활동 등 인프라도 성숙했으며, 일반인을 위한 과학세미나도 많아졌다.

​순수과학은 우리의 가정 기본적인 의문을 해결해주며 자연철학의 관점으로까지 이끈다.

​세상은 어디에서 왔을까, 우리는 누구인가, 그리고 어디로 가는가,, 이러한 궁금증을 향한 인간 욕망의 하나가 바로 대통일장 이론이다.

​한의 방정식으로 세상을 표현하고자 하는 그런 욕망 자체이다.

양자론은 우리의 직관을 뒤흔든다.

​스크린의 좁은 틈을 통과한 알갱이는 전혀 엉뚱한 곳에서 발견되고, 어니스트 러드퍼드는 금박에 쏜 입자가 튕겨 나오는 것을 보고 15인치 포탄을 얇은 종이에 쏘았는데 도로 튕겨 나와 자신을 맞춘 것 같은 충격을 받았다.

​입자의 위치와 속도는 동시에 알 수 없다.

​불확정적인 입자와 연결된 폭탄이 터지더라도 고양이는 무사하다.

​엘리스와 밥은 유령 같은 원격 작용을 통해 빛보다 빠르게 암호를 주고 받는다.

​누구보다도 괴로워한 건 역사상 가장 위대한 과학자중 하나로 추앙받는 알베르트 아인슈타인이었다.

​그는 자신이 기반을 닦은 양자론의 불합리성을 꼬집기 위해 “신은 주사위 놀이를 하지 않았다”라고 단언했다.

​아인슈타인과 에르빈 슈뢰인거를 필두로 한 양자론 반대파와 닐스 보어를 중심으로 한 양자론을 아무런 여과 없이 받아들이면서 데이비드 머민의 말대로 입 다물고 계산에만 몰두했다.

​그들 역시 과학자의 기본 자질인 회의주의를 견지하지 못했다는 생각에 밤잠을 설쳤을 지도 모른다.

​많은 물리학자와 물리 대중화에 앞장선 여러 사람의 노력 덕분에 이처럼 추상적이고 기이해 보이는 개념이 대중문화로 진입하는 데에 큰 성공을 거두었지만, 한편으로 우리는 그러한 성공의 희생자이기도 하다.

​양자물리를 발견한 이야기는 아침을 차려본 사람이라면 누구나 알법한 현상과 기술에서 시작한다.

​막스 플랑크가 양자라는 용어를 물리학에 처음 소개하면서 최초로 양자론을 탄생시킨 것은 전자레인지나 토스터의 발열체와 같은 뜨거운 물체가 내보내는 붉은 빛을 설명하기 위해서였다. 양자물리 개념이 처음 적용된 닐스 보어의 수소 원자 모형의 주요 물리적 현상은 우리가 형광등을 켜면 언제라도 관찰할 수 있다.

​태양은 모자란 잠을 깨웠다고 벽에다 집어 던질 수 있는 알람시계가 아니다.

​해가 뜨지 않으면 하루가 시작되지 않는다는 말이 아니더라도, 태양은 일상 속에서 가장 중요한 소재임에 틀림없다.

​태양으로부터 빛을 받지 못하면 지구에 어떤 생명도 살 수 없다.

​우리는 태양이 주는 빛과 열 덕분에 살아간다.

​양자물리의 핵심 요소 12개의 기본입자와 4개의 기본 상호작용을 소개하는 데도 유용하다.

​기본입자란 일반적인 물질을 구성하는 입자이고, 기본작용은 기본입자 사이에서 작용하는 힘을 의미한다.

​태양에 대해 본격적으로 물리적 현상은 태양 내부에서 일어나는 일을 통해 설명할 수 있다.

​우선 기본 상호작용 중에서도 가장 친숙하고 쉽게 경험할 수 있는 중력부터 알아 봐야 한다.

중력은 우리 일상에서 가장 익숙하고 벗어나기어려운 기본 상호작용이다.

​아침에 침대에서 몸을 일으킬 때마다 중력과 싸워야 하고, 우리는 살아가는 동안 늘 중력에 매여 있기 때문에 낙하하는 놀이 기구를 탈 때면 잠시나마 중력에서 벗어나 놀라움뿐 아니라 짜릿함 마저 느낀다.

얼굴의 노화도 중력이 많이 작용한다.

 이처럼 매우 친숙한 중력은 과학역사를 통틀어 가장 많은 연구가 이루어졌다.

물체가 아래로 떨어지는 원리를 사람들이 생각하기 시작한 시기는 인류가 자연의 작용을 연구했다는 최초의 기록이 작성되기 전일 것이다.

 아이작 뉴턴이 젊었을 때 나무에서 떨어지는 사과를 보고 놀라 중력 이론을 세웠다는 전설 때문에 물리학이 뉴턴으로부터 시작 되었다.

​뉴턴의 수학의 원리에서 질량을 지닌 두 물체 사이에서 작용하는 인력을 수학적으로 설명하는 만유인력의 법칙을 제시했다.

​전자기력은 사실 전자기 상호작용은 정전기나 자석뿐 아니라 일상 어디에서나 존재한다.

​우리가 무언가 볼 수 있는 것도 전자기 덕분이다.

​강한 상호작용을 이해하려면 물질을 구성하는 중성자가 실제로는 ‘쿼크’라는 입자로 쪼개질 수 있으며 쿼크의 전하는 전자의 전하보다 작다는 사실을 먼저 알아야한다.

 2개의 ‘업’ 쿼크로 이루어진 중성자는 1개의 업 쿼크와 2개의 다운쿼크로 이루어진다.

 전자기력이 원자에 전자들을 가두는 것처럼, 강한 상호작용은 쿼크들을 결합한다.

​전자기가 ‘전하’라는 속성을 지나듯이, 강력 상호 작용은 빨강, 초록, 파랑으로 이루어진 ‘색이라는 속성을 지닌다.

​약한 상호작용이 대체 ’무슨 일을‘ 하는지는 이해하기가 쉽지 않다.

​과학을 전공하지 않은 사람들에게 약한 상호작용을 설명하기가 유난히 어려운 까닭은 다른 상호작용들과 달리 가시적인 힘으로 나타나지 않기 때문이다.

​중력의 당기는 힘은 우리가 매일 경험하며, 전하와 자석사이에 작용하는 전자기력은 쉽게 느낄 수 있다.

​하지만 자세히 들여다보면 물체의 질량처럼 극히 당연하게 여겨지는 현상에  강한 상호작용처럼 기묘한 물리학원리가 작용한다.

​일상의 가장 중요한 동반자인 태양은 온갖 쿼크와 렙톤에 작용하는 네 가지 기본 상호작용이 모두 있어야만 존재한다.

​발열체는 주방에서 쓰는 전자렌인지에 주전자를 올려 찻물을 끓인다.

​잠결에 엉뚱한 화구에 주전자를 올린 건 아닌지 확인하려고 주전자 밑 발열체가 빨갛게 빛나는지 살핀다.

​어느 정도 뜨거워지면 처음에는 붉은 빛을 내다가 점차 노란색으로 변하고 나중에는 하얀색이 된다.

​빛의 파동과 색은 양자 모형이 열복사 문제를 어떻게 풀었는지 살펴보기 전에 고전 물리학이 빛과 열, 물질을 어떻게 다루었는지에 관한 약간의 배경 지식이 필요하다.

​고전 물리학의 아성을 무너트린 실험 중에서 가장 중요한 첫 번째 개념은 빛의 파동성이었다. 19세기 무렵 영국의 토머스 영의 실험덕분에 빛의 파동성은 맥스웰 방정식이 발표되기 전보다 반세기나 앞서서 알려졌다.

​뉴턴의 시대 이래로 물리학자들은 빛을 입자의 흐름으로 여겨야 할지 혼란스러워 했지만, 영의 기발하면서도 간단한 이중 슬릿 실험이 빛의 파동성을 명확하게 입증하여 논쟁에 종지부를 찍었다.

​빛을 내려면 열에너지가 필요하고 빛은 열전달에 중요한 역할을 하므로 물리학자들은 자연스럽게 전자기파와 열에너지의 관계에 주목했다.

​물리학자들은 표면에 입사된 모든 빛을 반사하지 않고 모조리 흡수하는 이상적인 물체인 ’흑체‘ 개념을 만들었다.

​파동이 파장은 마루에서 골로 갔다가 다시 마루로 가는 거리로 정의 된다.

​물리학자들은 매끄럽고 연속적인 연산을 불연속적인 단계들로 나눈다.

​이제까지 측정된 가장 완벽한 스펙트럼은 우주 배경 복사일 것이다.

​우주 전체에 퍼져 있는 우주배경 복사는 스펙트럼에서 전파 진동수 영역에 해당하는 약한 방사 선장이다.

​스펙트럼에 관한 자신의 공식들을 양자론에 기대지 않고 기본적인 물리학 원칙으로 규명해주길 바랬다.

​하지만 양자론이 나오자 다른 물리학자들은 주저하지 않고 받아들였다.

물리는 알면 알수록 신기하고 그 깊이가 한량없어서 빠져 들수박에 없다.