빛의 물리학을 읽고

빛의 물리학 - EBS 다큐프라임
EBS 다큐프라임 [빛의 물리학] 제작팀 지음, 홍성욱 감수, EBS MEDIA 기획 / 해나무 / 2014년 5월

우주를 포함해서 사람 등 이 세상이 어떻게 생겨났는지에 대한 관심이 매우 높은 시절이라, 이 책을 읽게 되었다. 앞서 읽었던 호킹의 <위대한 설계>의 기억의 잔여물이 남아 있어서인지, M이론이라 양자, 아인슈타인의 상대성 원리가 그렇게 새롭게 느껴지지 않는다. 나의 이해 수준이 높지 않음을 전제로 깔고 말이다.

이 책은 시간의 흐름대로 적혀나가지 않는다. 우리가 제일 잘 아는 물리학자인 아인슈타인과 특수 상대성 이론이 가장 먼저 나온다. 상대성이란? [아인슈타인에게 동시에 일어난 사건이란 처음부터 존재하지 않는다. 시간이 모든 사람에게 다르게 흘러가기 때문이다. 절대 시간이란 원래부터 없었던 것이다.] 그렇다면 이렇게 원래부터 없던 (모두에게 똑같은) 시간을 표준화된 시간으로 만드는 자본주의는 얼마나 대단한 것인가? 

상대성 원리 중 특수 상대성이 먼저 나오는데, 일반 상대성은 특수 상대성의 일반화라는 측면에서 뒷장에 나오도록 꾸며져있다. 그렇다면 특수 상대성이란? [등속운동은 일상에서 별로 눈에 띄지 않기 때문에, 특수한 경우라고 해서 아인슈타인의 이론에는 특수상대성이론이라는 이름이 붙었다…결국 절대 시간이란 우주 어디에도 존재하지 않는다. 우리 모두는 서로 다른 시간을 살아가고 있는 것이다. 아인슈타인에 와서야 우리는 절대와 상대의 의미를 다시 생각하게 되었다.] 여기에 대해서 한가지 궁금점이 있다. 각자의 시간이 다르다고 하지만, 그 다르다고 알 수 있는 기준을 알고, 정했다면 무언가 절대 기준은 인정해야 하는 걸까? 서로 다른 시간이라도 그 다른 시간의 차이에 대한 범위는 있지 않을까?

일반상대성 원리를 설명하기 위해 가장 먼저 그 유명한 뉴튼의 만유인력의 법칙이 나온다. [결국 지구를 도는 달도 앞으로 계속 나아가려는 관성과 지구와 달이 서로 잡아당기는 만유인력 때문에 끊임없이 돌고 있는 것이다. 이뿐만 아니라 지구가 태양을 도는 원리도 마찬가지다.] 하지만 완벽한 이론은 없다.[ 뉴턴의 이론에 하나의 문제가 발견되었다. 바로 가속이라는 골치아픈 문제이다…아인슈타인은 특수상대성이론에서 속도가 다른 관찰자가 보기에 그 길이가 짧아진다고 했다. 그러면 (원을 따라 도는)열차가 빨리 돌면 특수상대성 이론에 의해 길이가 짧아질 것이다….원의 지름도 변하지 않았고, 파이값도 그대로인데 왜 달리는 열차의 길이, 즉 원둘레는 줄어들까?... ...파이값은 인류가 오랫동안 추적해서 찾은 변하지 않는 값이다.] 그리고 20세기 초반의 천재 아인슈타인은 이에 대한 답을 찾았다. [아인슈타인은 답을 찾았다! 힘이 가속도로 움직일 때 원주율이 변하는 것은 바로 공간이 휘어지기 때문이었다. 원운동을 하는 열차가 점점 짧아져서 선로를 벗어나게 되는 건 바로 공간이 휘어져 있기 때문이었다…가속도의 힘이 존재하는 공간, 즉 중력이 존재하는 공간은 모든 물체를 휘게 한다…질량이 있는 곳에서 공간은 휘어진다. 태양 주변도 마찬가지다. 태양 뒤에서 오는 별빛은 직진하고 있지만 휘어진 공간을 따라 오게 된다…중력은 잡아당기는 힘이 아니라 공간이 휘어지기 때문에 생기는 것이다.아인슈타인의 답이었다.]

그렇다면 빛의 속도는? 그 속도를 알기 위해 수세기동안 갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰 등 그야말로 세기의 천재들이 이 문제에 달라붙는다. [맥스웰은 전자기파가 나아가는 속도를 계산…대략 310,740,000m/s…바로 빛의 속도다…이것은 무슨 뜻일까? 빛과 전자기파가 같은 것이었다. 우리 눈에 보이는 빛은 온전한 모습이 아니고 전자기파의 일부다.]

그럼 이제 바깥의 우주 세상이 아닌, 우리 눈에는 안보이지만 우리를 구성하는 아주아주 작은 곳으로 들어가본다. 과학자들의 노력으로 우리는 원자 속 전자를 알게 된다.[…톰슨은 음극선이 원자를 구성하고 있는 입자라고 발표하면서, 이 입자에 미립자(corpuscles)라는 이름을 붙였다…질량을 갖고 있고 음극을 나타내는, 원자보다 작은 미림자…나중에 전자라는 이름으로 바뀌었다.] 그리고 전자의 운동을 태양 주변을 도는 지구와 같은 모습으로 그려낸다.[…러더퍼드는 전자가 원자핵 주변을 돌고 있을 것이라고 생각…그리고 태양이 지구를 붙잡아두는 힘이 원자핵과 전자 사이에도 존재한다는 데까지 생각이 이르렀다. 그러려면 지구가 도는 것처럼 전자도 원자핵 주위를 돌아야 했다.] 그리고 원자의 문에 들어서면서 나오는 질문[왜 에너지는 무한대로 커지지 않는걸까?]에 대한 답도 나온다.[…어떤 파동은 에너지를 갖지 않는다…즉 자격이 갖춰진 파동만 에너지를 가졌다. 그 자격이란 파동의 진동수에 h(플랑크 상수)를 곱한 갑이었다…최소 단위는 파동의 진동수에 의해 결정된다. 에너지 최소 단위가 큰 파장은 밖으로 나가지 못한다. 더 정확히 말하자면 나가더라도 아주 조금밖에 나가지 못한다…연속하지 않고 어떤 단위량의 정수배로 나타나는 에너지 단위를 양자라고 한다.양자의 세계는 에너지가 불연속이다. 에너지는 덩어리로 움직인다. 즉 양자화되어 있다. 그리고 건너뛰기를 한다. 그건 현실에선 상상할 수 없는 일이다.] 그리고 전자도 원자와 같이 불연속의 운동을 하는 것을 알게 되었다.[ 원자는 선에 해당하는 에너지 진동수만 방출하기 때문에 낱낱의 선으로 나타난다. 즉 진동수는 스펙트럼에서 서로 다른 색깔을 지닌 떨어진 선으로 나타나는 것이다. 원자는 선에 해당하는 에너지 진동수만 방출하기 때문에 낱낱의 선으로 나타난다. 즉 진동수는 스펙트럼에서 서로 다른 색깔을 지닌 떨어진 선으로 나타나는 것이다…보어의 모델에서 전자가 움직일때도 궤도에서 궤도로만 갈 수 있다. 그럴 때 전자는 에너지를 흡수하거나 방출한다. 전자는 불연속으로 튀는 방식으로 궤도를 옮겨 다닌다…이것이 바로 보어의 원자모델이었다.]

물리학사는 이론의 완벽성을 위해 꼬리에 꼬리를 무는 그 어떤 질문과 상상에도 답할 수 있어야 한다. 그 점에서 보어의 원자 모델도, 앞서 뉴튼과 아인슈타인 등 한때의 최고 위치에 있었던 그 누구의 이론처럼 도전을 받았다. [보어의 원자 모델에는 한계가 많았다. 도대체 왜 전자가 궤도를 따라 도는지, 그리고 궤도를 따라 돌던 전자가 왜 갑자기 다른 궤도로 이동하는지, 모델을 만든 보어 자신도 그 이유를 설명하지 못했다.] 이번에는 슈뢰딩거가 파동방정식을 갖고 등장했다.[ …슈뢰딩거는 파동으로 된 궤도를 다시 살렸다. 전자는 그 궤도에서 돈다. 그리고 슈뢰딩거는 전자가 파동의 성질도 가지고 있다는 물질파 개념을 이용해 전자의 움직임을 설명해냈다…슈뢰딩거의 파동은 하나의 공간 안에 있다. 그런데 입자가 늘어나면 그 공간에 더 이상 적용할 수 없다.] 그리고 막스 보른의 그 공격 논리는 다음과 같다.[ (보른이 보기에,) 슈뢰딩거 방정식에 나오는 파동함수 프사이는 가상 공간에 존재하는 것이며 실제로 진동하는 파동을 묘사한 것이 아니었다. 파동함수는 허수를 포함하고 있기 때문에 그 자체로는 아무 의미가 없었다. 막스 보른은 일명 확률 해석이 필요하다고 보았다. 말하자면 입자 하나가 하나의 특정 지점에 확률로 존재한다고 확신했다…보른은 전자가 어떤 공간에 확률로 존재한다고 해석했다.] 전자가 확률로 존재하다? [확율이론에 의하면 전자는 진폭이 큰 곳에서 발견될 확률이 높다. 발견되기 전까지 전자는 다양한 위치에 공존하고 있는 존재다. 간섭 현상으로 진폭이 두 개가 되는 곳에서는 전자가 발견될 확률이 두배가 된다. 서로 상쇄되는 곳에서는 전자가 발견될 확률은 0이다. 그리고 전자 운동의 미래는 우연에 의해 지배된다. 정확히 예측하기가 어렵다.] 결국 우연으로 보이는 것에서 원칙을 찾으려던 활동의 귀결은 다시 우연인가? 이게 물리학사이자 인생인가? 이에 대해 하이젠베르크는 불난 데 부채질하는 불확정성의 원리를 제시한다. [위치를 정확히 재려고 하면 전자의 운동량이 불확실해지고, 전자의 운동량을 재려고 하면 어디에 있는지 위치가 정확히 파악되지 않는다. 즉 위치와 운동량을 동시에 정확하게 잴 수가 없다. 결국 우리는 전자가 어디에 있는지 제대로 알 수가 없다. 코펜하겐학파가 최종으로 생각한 원자 모델은 다음과 같다.] 불가지론으로 빠졌다!

그렇다면 궁극의 이론, 형이상학의 그 한가지 원리는 어디에 있는걸까? [궁극의 이론, 즉 만물을 설명하는 단 하나의 이론이 과연 있을까? 어떤 명백한 근거도 없이, 오랫동안 물리학자들은 그런 것이 있을 것이라고 믿어왔다.] 이에 대해 많은 궁극이 나왔고, 사라지는 순환의 반복이 이어졌다. 그리고 이번에는 끈이론이 나온다. […끈 이론은 끈이 다양하게 진동해서 온 우주를 만든다고 주장했다…지금까지의 우주론이 풀 수 없는 유일하면서도 힘든 지점은 빅뱅이 시작되는 바로 그 순간이다.] 그렇다면 끈이론은 만물 이론이 될 수 있을까? […즉 모든 입자들은 동일한 끈이 다양한 패턴으로 진동하면서 나타난 결과다. 끈은 분리되거나 합쳐진다. 이것이 바로 끈이론이다…끈이론은 M-이론으로 바뀌었으며, 여기서의 M은 세상의 모든 M이었다. M-이론은 11차원의 끈이론에 대해 잘 알지 못하기 때문에 붙여진 이름이기도 하다.]

물리학의 관심이 돋아나서, 되도록 쉬운 책을 골라 읽었음에도 지금까지 논의된 내용을 알기란 쉽지 않다. 그리고 그 많은 논쟁과 고민의 축적을 한권에 눌러놓는다는 게 그리 쉬운 일도 아닐거란 생각이다. 하지만 사람이 아니면 누가 이런 짓을 해왔고 앞으로 할 것일까? 내가 몰랐거나 만나지 못했던 그 수많은 물리학자들의 고민과 노력에 대해 정말 감사함을 느끼고 싶다.