냉장고를 여니 양자역학이 나왔다

냉장고를 여니 양자역학이 나왔다 - 읽을수록 쉬워지는 양자역학 이야기
박재용 지음 / Mid(엠아이디) / 2021년 6월

냉장고를 여니 양자역학이 나왔다

이 책은?

이 책 『냉장고를 여니 양자역학이 나왔다』는 <읽을수록 쉬워지는 양자역학 이야기>이다.

저자는 박재용, <과학 저술가이자 커뮤니케이터. 대학을 들어갈 땐 물리를 전공하고자 했으나 중간에 그만둔 후, 여러 다른 길을 걷다가 다시 과학과 만났다. 현재 과학, 과학의 역사, 과학과 사회에 대한 글을 쓰며 강연도 하고 있다. >

이 책의 내용은?

이 책은 다음과 같이 세 개의 파트로 구성되어 있다.

1부 일상에서 만난 양자역학

2부 자연에서 만난 양자역학

3부 양자역학의 세계로

1부에서는 세탁소, 오래된 간판, 헬륨가스 등을 통해서 우리 주변에서 양자역학을 설명할 수 있는 사례들을 살펴보고 있으며,

2부에서는 무지개, 태양, 식물, 철새 등 자연에서 만날 수 있는 것들을 통해 양자역학을 설명하고 있고,

3부에서는 입자, 중성자, 반물질 들 더 심화된 개념을 통해 양자역학을 살펴보고 있다.

설명을 여러 각도로 해주니, 이해하는데 좋다.

물리학을 전공하지 않은 사람으로서 책만 읽어서 물리학을 이해하기는 참 어려운 일이다. 더더욱 양자역학은 더 그렇다.

가장 기초적인 개념부터 정립이 되어있지 않으니, 그런 개념을 이해한 사람들을 대상으로 한 책들을 읽어가자니, 아무래도 벅찬 것이다.  

그래서 어떤 책에서는 A라는 방법으로 설명하고 있는 것을 아무리 읽어도 이해가, 납득이 되지 않았던 적이 있는데, 다른 책을 읽다가 같은 내용을 B 라는 다른 방법으로 설명하는 경우, 그런 게 딱 머릿속에 들어오는 경우가 있다. 아무리 읽고 읽어도 이해가 되지 않는 것이 어느 한 순간 이해가 되는 것이다.

해서 이런 책들을 계속해서 읽다보면, 그 '어느 한 순간'이 다가온다는 기대를 가지고 읽게 된다.

이 책이 바로 그런 두 번째의 책이라 할 수 있다.

이 책, 같은 개념에 대하여, 다른 상황에서 설명을 다른 방법으로 해주는 게 계속된다.

예를 들면, 빛의 성질에 관하여 몇 번이고 다른 각도에서 다른 방법으로 설명을 해주고 있다.

그러니 A 방법으로는 이해가 되지 않던 것이 B 방법으로는  납득이 되는 경우가 있는 것이다. .

그러니 옛글에서 들었던 말, 독서백편의자현(讀書百遍義自見)]이라는 말이 맞는 것이다.

맞다. 이 책으로 양자역학 읽고 읽다보면 어느새 감이 오고 이해가 되는 것이다.

해서 가장 중요한 개념 몇 개 따라가며, 정리해 본다.

하이젠베르크의 불확정성 원리

전자의 이중 슬릿

빛의 성질 ,

하이젠베르크의 불확정성 원리

아주 작은 물질, 가령 전자나 양성자 같은 입자들의 경우, 그들의 속도나 위치를 확정적으로 알 수 없고 일정한 범위만 알 수 있다는 것이다. (21쪽)

이렇게 작은 입자의 운동량과 위치가 서로 굉장히 밀접한 관계가 있어 하나를 정확히 알려고 하면 할수록 다른 하나의 값이 가질 수 있는 범위가 넓어지는, 즉 더 불확실해진다.

전자의 이중 슬릿

슬릿 두 개를 전자들이 뒤에 놓인 막에 닿게 하여 어떤 무늬를 만드는지를 알아보는 실험이다.

원래는 전자의 파동성을 확인하려는 의도로 설계된 실험으로, 실제 실험을 해보면 뒤쪽 막에 밝고 어두운 그림자가 연속적으로 생겨 전자가 과연 파동이라는 것을 보여준다.

그런데 이 슬릿 두 개중 하나에 전자를 감지할 수 있는 장치를 달아놓으면 뒤에 놓인 막에 만들어지는 무늬가 ‘입자로서의 전자’를 보여준다. (22쪽)

말도 안 되는 거지만, 실제로 그게 일어난다.

그래서 관찰자의 의도에 따라 전자는 자신이 파동임을 보여주기도 하다가 반대로 입자임을 보여주기도 하는 것이다. (23쪽)

양자역학을 이해하는데 가장 중요한 실험이다. (168쪽)

빛의 성질

빛을 예전부터 파동이라고 생각해왔다. 그런 결과 다음과 같은 관계가 성립한다.

파동이 가지는 에너지는 진동수와 진폭에 의해 결정되는데

진동수 - 고유의 ‘색깔’로 드러나고,

진폭 - ‘밝기’로 나타난다. (30쪽)

즉 파란색 빛은 빨간색 빛보다 에너지가 크고, 밝은 빛은 어두운 빛보다 에너지가 크다.

그런데 광전실험을 하다 보니, 파란색에서는 아무리 밝기가 약해도 전자가 튀어나오는데

빨간색 빛은 아무리 세기를 더해도, 즉 밝게 해줘도 전자가 튀어나오지 않는 것이다.

또 같은 파란색 빛을 비췄을 때는 빛의 밝기와 무관하게, 튀어나오는 전자의 속도는 변함이 없고 전자의 개수만 변했다.

이처럼 빛의 진동수는 전자가 튀어나올 경우, 그 전자의 속도에만 관계를 하고 전자의 개수에는 아무런 역할도 하지 못한다.

또 진폭은 튀어나오는 전자의 개수에만 관여하고 전자의 속도에만 아무런 역할을 하지 못한다.

둘 다 에너지를 전달하는 것은 똑같은데, 에너지를 파동의 형태로 전달하는 경우 이런 현상이 나타나는 것은 말이 되지 않는다.(31쪽)

여기에 아인슈타인은 ‘빛은 입자’라는 개념을 도입한다.

아인슈타인의 주장은

색깔 -  에너지에 따라 정해진다.

밝기 -  진폭이 아니라, 빛 입자의 개수에 의해서 정해진다. (31쪽)

즉 아인슈타인은 광전효과를 설명하면서 빛이 파동이면서 동시에 입자이기도 하다는 주장을 한 것이다.(166쪽)

이렇게 아인슈타인이 주장을 하자, 사람들은 혼란에 빠진다.

빛이 대체 입자인가, 파동인가 헤매게 된 것이다.

이 때 드 브로이(167쪽)가 나타나 새로운 방법으로 설명을 한다.

드 브로이가 물질파의 원리에 대해 발표한 5년 뒤 실험을 통해 전자가 파동성을 가지고 있다는 것이 증명된다.

양자 역학을 이해하는데 가장 중요한 실험이라고 말하는 전자의 이중슬릿 실험이다. (168쪽)

이를 토대로 하여 슈뢰딩거가 어떤 물질 혹은 빛에도 적용가능한 일반적인 파동방정식을 만든다. (168쪽)

이때 등장한 양자역학이 이를 모순 없이 설명하게 된다. (177쪽)

양자역학은 빛이 입자성과 파동성을 함께 가지고 있음을 모순없이 설명한다.

더하여 막스 보른은 전자를 입자라고 생각한다면 저 방정식의 파동함수는 무얼까,를 고민하다가 ‘파동함수가 확률이라는 결론에 도달한다. 즉 공간 전체에 퍼진 파동함수는 각각의 위치에서 입자가 발견될 확률이라고 해석을 한다. (170쪽)

뉴턴이 힘과 가속도의 법칙과 만유인력의 법칙이라는 두 식에 기초해서 뉴턴 역학을 만들고,

아인슈타인이 로렌츠 변환이라는 식으로 특수상대성이론을 전개하듯이

양자역학은 슈뢰딩거 방정식이라는 기초 위에 서있다. (168쪽)

이 책을 왜 읽었는가? - 세상을 바라보는 관점의 변화

그간 양자역학에 관한 책을 몇 권 읽었다. 

양자역학 자체가 궁금하기도 했거니와, 양자역학의 대두로 과학의 패러다임이 바뀌었다는 말을 들었기에, 과학의 패러다임이 바뀌었으면 당연히 인식의 세계, 인식의 체계가 바뀌어야 한다는 생각으로, 그간 양자역학에 관한 책을 읽어오고 있는 중이다.

이 책을 읽은 것도 그런 과정중의 하나다.

그렇게 고마운 양자역학이 기존의 고전물리학을 뛰어넘어 또 하나의 물리학적 관점으로 인정받기까지는 많은 과정이 있었습니다. 하지만 과학의 묘미는 이처럼 ‘언제든 뒤집힐 수 있다’는 것에 있지요. 양자역학이 이끌어 낸 ‘과학’적 관점의 변화는 ‘세상’을 바라보는 관점의 변화로도 이어집니다. (19쪽)

이 말 언뜻 들으면 무슨 말인가 의아해 하겠지만, 이 책을 읽다보면 이해가 된다.

양자역학이 대두된 뒤에, 그야말로 과학의 패러다임, 더 나아가 인식의 패러다임이 바뀌게 되는 것이다.

이 책, 그러한 관점의 변화가 왜 이루어지게 되는지를, 납득하게 해준다.