보이지 않는 미시세계, 미지의 길은 신비로울뿐

우리집 강아지에게 양자역학 가르치기 - 나의 첫 양자 수업 ㅣ 프린키피아 2
채드 오젤 지음, 이덕환 옮김 / 21세기북스 / 2025년 5월

<출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>

양자역학 100년, 미시세계의 신비

2025년은 유엔이 정한 ‘세계 양자 과학기술의 해’다. 양자라는 개념은 여전히 어렵다. 양자역학은 우리가 눈으로 볼 수도 없고, 손으로 만질 수도 없을 정도로 미시세계를 설명하는 물리학이다. 우리의 눈으로 또 감각으로 직접 경험하고 확인할 수 있는 테니스공이나 장난감, 난로와 얼음 조각, 자석과 전깃줄 등 모든 물체의 물리학으로 맨눈으로 볼 수 있는 크기를 가진 모든 물체는 고전 물리학의 법칙에 따른다. 우리가 익히 하는 뉴턴의 고전역학이다. 그런데 현대 물리학은 우리 일상에서 벗어나 세상을 설명한다. 하나는 상대성이론이고 또 다른 하나는 양자 물리학이다. 아주 작아서, 고전 물리학 전자기 파동으로 설명하는 빛의 물리학에도 양자역학이 필요하다. 양자역학 덕분에 태양이 밝게 빛나고, 장미꽃이 붉은 이유도 알게 됐다. DNA 역시 양자역학으로.

이 책은 양자역학에 관한 핵심을, 인간보다 편견도 선입견도 없는 “강아지” 에미를 등장시켜 설명한다. 양자역학적 상태에 관한 해석도 다양해지고 복잡해진다. 양자역학으로 설명하는 시스템은 어떤 허용 상태의 중첩으로 존재한다. 측정하기 전에는 시스템이 어떤 허용 상태에 있는지를 분명하게 확인할 수 있는 현실적인 방법이 없다. 우리는 잘 모르는 것은 신비스럽게 여긴다. 점차 정체를 알게 됨에 따라 신비감은 떨어지지만, 그리 단순하지 않다.

슈뢰딩거의 고양이 역설, 상자 속의 고양이가 살아있기도 하면서 동시에 죽어 있기도 하다는 의미를 어떻게 이해해야 할까? 그래서 역설이지만, 중요한 것은 “선입견” 없이 봐야 한다.

책에서 다루는 내용은 10개 주제다. 이를 장으로 묶어 10장 체재다. 1장 입자-파동 이중성 2. 하이젠 베르크의 불확정성 원리, 3장 코펜하겐 해석, 4장 다중 세계 해석, 5장. 양자 제논 효과, 6장. 양자 터널 현상, 7장에서 9장은 양자 이론의 가장 이상한 예측도 실험적으로 확인됐음을 보여준다. 7장. 양자 얽힘, 8장, 양자 공간 이동, 9장. 가상 입자와 전기동력학, 10장. 양자 물리학의 오용을 다룬다. 다행히도 책 뒤쪽에 용어설명과 참고서적 목록이 실려있어 양자 물리학의 전체 얼개를 조감해볼 수 있다.

양자 물리학은 질과 차원이 다른 세계

막스 플랑크가 1900년에 양자라는 말을 사용했고, 1905년의 아인슈타인의 상대성이론, 그는 양자 이론을 정립한 공로로 노벨상을, 이후 한 세대가 지나서 양자역학 이론이 완성된다. 수소 원자에 대한 최초의 양자 모형을 만들었던 닐스 보어, 리처드 파인만, 줄리안 슈잉거, 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리, 에르빈 슈뢰딩거의 고양이 역설, 휴 에버렛의 다중 세계 해석에서 평행 우주와 같은 양자 이론의 개념은 SF 드라마로 우리의 상상력을 같은 시간대 다른 세계에서 나와 똑같이 생각 나와는 전혀 다른 사람이 존재한다면... 이런 게 가능하다는 설명이기에 꼬꼬무의 영역이라는 것이다.

우리 일상의 편의를 더해주는 것들, 실은 양자역학 때문이다. 전자의 양자역학적 본질을 이해하지 못했다면 컴퓨터를 움직이는 반도체 칩은 만들지 못했을 것이기에, 양자 물리학은 과학의 세계에 머물지 않고, 우주와 우주에 존재하는 모든 물질의 성질에 대한 한계, 그리고 이를 바탕으로 한 철학 문제도, 피라미드 등 세계의 불가사의로 여겨지는 것들의 탄생 배경을 밝힐 수도 있지 않을까, 그렇게 되면 신비스러운 모든 것은 설명할 수 있게 돼, 신비스럽지 않게 될지 모르겠다.

강아지도 이해하는 불확정성 원리

지은이와 강아지 에미의 대화 속으로 들어가 보자. 에미가 이해한 불확정성 원리, “제 뼈를 찾을 수 없어요. 제 뼈는 어디에 있는지 아세요?”라고 에미는 지은이에게 묻는다. 지은이는 뼈가 어디 있는지 알 수 없지만, 얼마나 빨리 움직이고 있는지는 정확히 알려줄 수 있다고 답한다. 이 말이 무슨 말인고, 단순히 측정 자체가 시스템의 상태를 바꾼다는 뜻이 아니라, 우리가 측정할 수 있는 것에 한계가 있어 위치와 운동량을 측정할 때까지는 위치와 운동량이 정의되지 않기 때문이다. 우리가 모든 것이 측정의 효과라고 해석하는 것은 무엇이든지 잘 정의된 성질을 가지고 있다고 생각하기에 그런 것이다. 실제, 양자 이론에서는 물리량이 분명한 값을 가지고 있는 것이 아니다. “정확하게 정의되지 않기 때문에 불확실하다”라는 뜻이다. 이 자체도 오해한 경우가 실제로 많다고 지은이는 말한다. 불확정성은 측정의 세부적인 과정과는 아무런 상관이 없다는 점, 양자 불확정성은 양자 물체가 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있어서 나타나는 결과로 우리가 알아낼 수 있는 근본적인 한계라는 것이다. 여기서 철학과 충돌하고, 고전 물리학 목표나 기초와 정면충돌한다. 불확정성 원리를 이해하기 위해서는 3장 코펜하겐 해석과 4장 다중 세계의 해석에서 다루는 측정과 해석의 문제를 비롯한 물리학을 완전히 새로 이해해야 한다.

보는 것이 전부라는 코펜하겐 해석

파동함수, 허용 상태, 확률, 측정 이 네 가지 개념은 양자론의 핵심 요소다. 그런데 어떤 확률에서 측정의 결과를 어떻게 얻을 수 있는지를 설명해주는 수학적 과정이 없다. 물체의 허용 상태에 대한 파동함수를 계산하기 위해 슈뢰딩거 방정식을 사용하고, 확률 분포 계산을 위해 파동함수를 사용한다. 문제는 확률 분포만으로 측정 결과를 정확히 예측할 수 없다는 데 있다. 양자 이론에서 첫 번째 해석은 덴마크의 닐스 보어가 개발했기에 코펜하겐 해석이라 이름 붙였다. 여기서 나오는 것이 슈뢰딩거의 고양이다. 보어는 밀폐된 상자에 고양이와 함께 1시간 안에 50퍼센트의 확률로 붕괴하는 방사성 원자와 원자가 붕괴하면 독가스를 뿜어내 고양이를 죽이는 장치를 넣은 악마의 실험을 했다. 코펜하겐 해석에 따르면 고양이를 설명하는 파동함수에는 ‘살아있는 상태와 ’죽어 있는 상태‘가 똑같이 들어있지만, 상자를 열어보면 파동함수는 두 상태 중 어느 하나로 붕괴할 것이다. 죽어 있는 동시에 살아 있는 고양이는 뭐란 말인가?

자, 이 정도면 이 책을 읽어야 할 충분한 이유가 되지 않을까 싶다. 강아지 에미와 우리가 느끼는 의문은 같을까 아니면 다를까? 양자역학이란 무엇인가, 여전히 어렵지만, 어렵기에 뭔가 이해되는 방법을 찾아야 할 듯하다.