아인슈타인처럼 양자역학하기

아인슈타인처럼 양자역학하기 - 직관과 상식에 맞는 양자이론을 찾아가는 물리학의 모험
리 스몰린 지음, 박병철 옮김 / 김영사 / 2021년 10월

최근 시작한 한국드라마 ‘멜랑꼴리아’를 보면 세상을 수학의 시선으로 보는 이들이 등장한다. 난제에 도전하고 온통 그 해답을 찾는 과정에 몰두하는데 일상의 시간을 바친다. 비단 수학자만이 그런 것은 아니고 과학자들도 비슷한 과정을 통해 몰랐던 현상들을 발견하고 해석하면서 지금의 발전을 이뤄냈을 것이다.

바로 이런 과정상의 한 단계를 제시하고 있는 책이 바로 <아인슈타인처럼 양자역학하기> 이다. ‘과학적 사고를 한다는 것은 몇 세대에 걸친 논쟁 끝에 어렵게 합의된 사실을 받아들이면서도 미지에 대해서는 여전히 열린 마음을 유지한다는 뜻이다’는 서문의 한 문장을 통해서도 과학을 받아들이거나 임하는 기본자세에 대하여 잘 이해할 수 있다.

이 책에서는 ‘양자역학’의 등장배경, 발전사, 풀리지 않은 의문들, 모순들, 현재 진행되고 있는 관련 내용들, 남아있는 숙제들을 담고 있다. 이런 내용들을 비전공자인 일반인들도 이해하기 쉽게 전달하고자 함이 이 책을 내게 된 목적이고 양자역학이론에 대한 맹신을 주의하기 위함이라고 하고 있다.

이렇듯 과학자들 사이에서 ‘양자역학’에 대하여 많은 의견충돌이 있는 것은 무엇보다도, 이 이론이 가지고 있는 불안정성인 것 같다. 뭔가 멋지고 신비한 것 같은 양자라는 것은 파동일 수도 있고, 입자일 수도 있는 측면에서 물질을 다룬다. 또한 다중우주라는 개념까지 확장되어 현실적이지 않은 것까지 다루고 있는 듯 보인다.

바로 이런 면들이 확실함을 전제로 하는 물리학자들에게는 납득이 가지 않는 부분들이 많게 만들 수 밖에 없을 것이다. 그래서 논리적으로 타당한 양자물리학을 구축하기 위한 노력이 진행 중이라고 저자는 알려주고 있다.

현대과학의 근간을 이루게 된 양자역학이지만, 시작부터 잘못된 부분들이 있으며 바로 그런 부분들을 잡아가는 노력이 필요하다는 이야기를 각각의 개념과 물리학과정을 들면서 정성껏 알려주고 있는 부분이 전반부의 내용이였다(내가 잘 이해했다는 전제하에). 깊이 들어가는 개념들은 이해가 어려운 부분들도 많아서 한 번의 완독으로는 모두 다 알기는 힘들 것 같다.

전제에 잘못된 부분이 있었던 양자역학은 아인슈타인의 현실적인 관점에서는 받아들여지기 힘들었고, 현실주의적인 양자역학을 위한 많은 증명과 논쟁들이 계속되어 오고 있으나 여전히 모순은 존재한다고 본론을 마무리 하고 있었다.

개인적으로는 막바지에 있는 어떤 물리학적 연구를 해나가는 데 있어서 어떻게 진행해야 하는 지를 다룬 챕터가 기억에 더 남는다. 그 중 두 문장을 옮겨보면 아래와 같다.

_‘새로운 기본이론을 구축하는 우리의 전략은 [1]원리, [2]가설(원리에서 벗어나지 않는 가설), [3]모형(원리와 가설이 부분적으로나마 반영된 모형), [4]이론의 완성 이렇게 네 가지로 진행될 것이다.’_

_‘아인슈타인이 상대성이론을 혼자 구축했다고 하지만, 시간과 공간 개념을 새로 정립해야 한다고 느꼈을 때 그는 결코 혼자가 아니었다. 그가 뒷주머니에 꽂고 다니던 노트에는 갈릴레오와 뉴턴, 라이프니츠, 칸트, 그리고 마흐의 지혜가 고스란히 담겨 있어서, 그들과 마음속으로 대화를 나누며 올바른 길을 찾아갈 수 있었다.’_

하나의 기본이론이 세워지고 완성되는 데는 많은 요소들이 필요하다는 뜻이였다.

이론적인 세부적인 내용은 세세히 이해하기는 힘들었으나, 어떤 과학이론에 대하여 어떻게 접근을 하고 어떻게 증명하는지 등에 대하여 그 과정을 자세히 짐작할 수 있었다. 마냥 따라가는 것도 아니고 그저 반대를 먼저하는 것이 아니라, 타당성 있게 사고를 하고 증명을 한다는 것은 무엇인가 에 대하여 더 배울 수 있었던 시간이였다.

_양자상태는 양자이론의 핵심 개념이다. 현실주의자들은 묻는다.

그것은 현실적 정보인가? 입자의 양자상태는 물리적 현실과 정확하게 일치하는가? 아니면 미래를 예측하기 위해 편의상 도입된 개념인가? 양자상태는 입자에 대한 서술이 아니라, 입자와 관련하여 우리가 갖고 있는 정보에 불과한 것 아닌가?_ [‘양자는 어떻게 변하는가’에서]

_일반상대성이론에는 중첩원리가 존재하지 않는다. 이론의 핵심인 장방정식의 해 두 개를 더했다고 해서 새로운 해가 되지 않기 때문이다. 수학용어를 써서 말하자면 양자역학은 선형적이고, 일반상대성이론은 비선형적이다._ [‘양자상태의 물리적 붕괴’에서]

_카우프만은 현재를 기준으로 바로 다음 순간에 일어날 수 있는 사건의 집합을 인접가능성이라 불렀다. 가까운 미래에 일어날 사건들, 즉 인접가능성은 아직 현실이 아니지만 앞으로 현실이 될 사건의 범주를 결정한다.

슈뢰딩거의 고양이의 경우, 인접가능성은 살아 있는 고양이와 죽은 고양이다. 브론토사우르스와 외계 강아지는 여기 포함되지 않는다. 이처럼 인접가능성은 배중률을 따르지 않는다 해도 분명히 특성을 갖고 있으며, 특성을 가진 물체는 관측 가능한 결과를 낳는다. 그래서 ‘가능성의 작은 일부는 현실로 간주할 수 있다’고 주장하는 것이다.

....

논리적으로 가능하다고 해도 모두 현실로 구현되지는 않는다. 그러나 가능성의 작은 일부는 명확한 특성을 갖고 있으므로, 새로운 범주의 현실과 가능성에 포함시킬 수 있다._[‘혁명의 대안’에서]