[오늘의 한문장] 김상욱의 양자 공부

지금까지 양자 역학의 핵심은 다 보여 줬다. 어떤 느낌이 드나? 양자 역학은 단지 이해하기 어려울 뿐이다. 단지? 그렇다. 단지이해가 안 될 뿐이다. 정해진 규칙에 따라 양자 역학을 수학적으로 적용하면 누구나(?) 정확한 답을 얻을 수 있다.

수소 원자는 양자 역학에 따라 정해진 특정 진동수의 전자기파만을 흡수한다. 태양 빛의 스펙트럼을 보면 이렇게 정해진 진동수의 빛만 흡수되어 검게 된 띠들을 볼 수 있다. 이 때문에 우리는 직접가 보지 않고도 태양이 대부분 수소로 되어 있음을 알 수 있다. 이처럼 양자 역학은 완벽하게 작동한다. 단지 결과가 나온 이유를 우리의직관으로 이해할 수 없다는 것만이 문제다. - P57

[오늘의 한문장] 김상욱의 양자 공부

사실 C의 실험에서 중요한 것이 하나 있다. 이 분자가 이중슬릿을 지나 스크린에 도달할 때까지 절대로 측정(관측)당하지 말아야한다. 여기서 측정이란 무엇일까? 내가 안 보면 되는 것 아닌가? 그렇지 않다. 분자가 날아가는 중에 공기 분자와 부딪치면 적어도 부딪힌공기 분자는 Co이 어느 슬릿을 지나는지 알게 된다. 즉 측정을 당했다는 말이다. - P53

당신이 앞에 놓인 고양이에 관심 있다고 하자. 그렇다면 우주는 고양이와 고양이가 아닌 모든 것, 즉 환경으로 나뉜다. 고양이와환경을 합치면 우주 전체가 된다. 고양이를 들여다보고 있는 당신도환경의 일부일 뿐이다. 양자 역학에서 측정의 주체는 환경이다. 당신이 측정을 하지 않더라도 환경이 실험 대상에 대해 뭔가 알게 되면 측정이 일어난 것이다. - P54

당신도 양자 역학의 지배를 받고 있다. 당신의 몸은 원자로 되어 있지 않은가. 그렇지만 당신은 2개의 문을 동시에 지날 수 없다. 이것은 끊임없이 결어긋남이 일어나고 있기 때문이다. 당신 몸에서 일어나는 모든 결어긋남을 막을 수만 있다면 당신도 2개의 문을 동시에지날 수 있다. 하지만 그러기 위해서는 숨도 쉬지 말아야 하고, 단 하나의 공기 분자와 부딪쳐도 안 되며, 심지어 빛과 부딪쳐도 안 된다.
당신 몸을 이루는 단 하나의 원자라도 외부에 떨어뜨리면 안 된다. 이렇게 하는 것이 사실상 너무 어려워서 우리는 양자 역학적으로 행동할 수 없는 것이다. - P55

[오늘의 한문장] 김상욱의 양자 공부

왜 이런 주장이 나오는지 이해하기 위해, 앞에서 이야기한 이중 슬릿 실험을 다시 생각해 보자. 또 이중 슬릿? 자, 미리 말해두겠는데 이중 슬릿은 양자 역학의 알파요 오메가다. 이중 슬릿 없는 양자역학은 맥주 없는 독일, 카레 없는 인도, 김치 없는 한국과 비슷하다.
- P44

자, 사기가 아니니까 조금만 기다려 보시라. 사진을 보면 전사는 왼쪽 또는 오른쪽, 분명 하나의 구멍만을 지난다. 하지만 이런 식으로 사진을 찍으면서 이중 슬릿 실험을 하면 스크린에는 2개의 줄무늬가 생긴다. 입자니까 하나의 구멍만을 지나고, 따라서 입자의 성질인 2개의 줄무늬가 생긴다. 여기에 모순이라고는 전혀 없다. 그렇다면여태 떠들어 대던 여러 개의 줄무늬는 뭐냐고? 여러 개의 줄무늬를얻으려면 사진 찍기를 중단해야 한다. 과학적인 용어로 하자면, 측정을 중단해야 한다. - P45

실험 결과를 보면 전자가 마치 의식을 가진 생명체처럼 보인다. 누군가 자신을 관측하면 입자와 같이 행동하고, 관측하지 않으면파동과 같이 2개의 구멍을 동시에 지나 버린다는 것이다. 전자는 원자의 일부분이다. 원자는 물질을 이루는 최소 단위다. 그런데 이 최소

단위의 일부가 ‘뇌‘를 가지고 있다고? 이건 진짜 말도 안 된다. 측정이라는 것이 뭔가 중요한 역할을 하는 것 같긴 하다. 하지만 보는 것이무슨 대단한 일이랴. - P46

하지만 뉴턴은 천상계와 지상계가 하나의 법칙으로 기술된다고생각했다. 사과는 땅으로 떨어지는데 달은 왜 안 떨어질까? 이미 2강에서 설명한 것처럼, 달도 지구로 떨어지고 있기 때문이다. 천상의 달은 지상의 사과와 마찬가지로 떨어지고 있다. 다만 땅에 닿지 않을 뿐이다. 이렇게 지상계와 천상계는 하나가 되었다. - P49

이제부터가 중요하다. 원자는 양자 역학적으로 행동할 수 있으니 A와 B의 중첩 상태, 그러니까 A이면서 동시에 B일 수 있다. 독약병이 멀쩡하면서 동시에 깨져 있을 수도 있다는 말이다. 그렇다면 고양이도 살았으면서 동시에 죽어 있다는 이야기다.
그런데 원자는 미시 세계에 속하니까 그렇다 쳐도 고양이는거시 세계에 속하는 존재 아닌가? 고양이는 절대 이럴 수 없다. 그렇다면 독약병도 이럴 수 없고, 원자도 이럴 수 없다. 즉 중첩 상태는 존재할 수 없다. 양자 역학은 틀렸다! 이것이 바로 그 유명한 슈뢰딩거고양이의 역설이다. - P50

[오늘의 한문장] 김상욱의 양자 공부

원자는 왜 붕괴하지 않나?
원자핵과 전자는 서로 다른 부호의 전하를 갖기 때문에 전기적으로 인력이 작용한다. 마치 태양과 지구 사이에 인력이 작용하는것과 같다. 서로 당기니까 들러붙어 버릴 수도 있지만, 초기 조건에따라 원 궤도 운동을 할 수 있다. 사실 이것은 바로 ‘뉴턴의 사과문제

다. 사과는 땅으로 떨어지는데 달은 왜 안 떨어지나? 답은 "둘 다 떨어지고 있다."이다.
- P38

전자가 가질 수 있는 최소의 반지름이 존재하는 이유다. 이 때문에 전•자는 원자핵과 들러붙을 수 없다. 결국 전자의 파동성이 원자의 안정•성을 보장한다. 다시 말해서 전자가 이중 슬릿을 지나며 여러 개의 줄

무늬를 만들어 내지 못한다면, 원자가 존재할 수 없다. 아니 이 세상이 지금의 모습으로 존재할 수 없다.
이 정도면 ‘할머니‘에게는 첫 번째 강의로 넘치고도 남을 것이다. 전자는 2개의 슬릿을 동시에 지나간다. 이것은 전자가 파동의 성질을 갖기 때문이다. 수없이 많은 의문이 꼬리에 꼬리를 물고 생겨난다면 빨리 책장을 넘기시라. - P41

[오늘의 한문장] 김상욱의 양자 공부

양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 안전하게 말할 수 있다.
1-리처드 파인만당신이 어떤 것을 할머니에게 설명해 주지 못한다면, 그것은 진정으로 이해한것이 아니다.
2-무명씨" - P27

양자 역학을 할머니가 이해할 수 있게 설명하는 것은 애초에불가능한 미션이다. 하지만 우리는 양자 역학이 없이 하루도 살 수 없다. 불가능해도 시도해 봐야 하는 이유다. 양자 역학 없이 살 수 있다고 생각하는 사람들이 있을지도 모르겠다. 그렇다면 우선 이 책을 전 - P27

자책으로 보는 데 사용하고 있을 컴퓨터나 스마트폰부터 처분하고 시작해야 한다. 종이책으로 보고 있다고 회심의 미소를 지으실 분들은형광등을 끄시길. 텔레비전을 포함한 거의 모든 전자 장치를 버릴 차례인데 벌써 포기하시다니. 화학, 생물은 아직 시작도 안 했다. - P28

양자 역학은 원자를 기술하는 학문이다. 원자가 어디 있는지궁금하면 그냥 고개를 들어 주위를 둘러보면 된다. 모든 것은 원자로되어 있으니까. 맛있는 와플도 원자로 되어 있다. 칼로 와플을 둘로나누고, 그 반을 다시 둘로 나누고, 또 나누고 해서 27번 정도 나누면원자 하나의 크기에 도달한다. 즉 그 크기가 0.00000001 센티미터라는이야기다. - P28

전자는 크기가 거의 없을 만큼 작기 때문에, 서울시만한 공간안에 농구공 말고는 아무것도 없이 텅 비어 있다는 말이다. 우리의 몸도 원자로 되어 있다. 따라서 우리 몸은 사실상 텅 비어 있다. 다른 모든 물질도 마찬가지다. 재물에 욕심을 갖지 마시라. 모두 비어 있는것이다. - P29

본다는 것은 대상에 빛이 부딪혀 반사하여 내 눈에 들어온 것을 말한다. 원자가 텅 비어 있지만 빛이 투과하지 못하고 튕겨 나온다면 적어도 내 눈에는 빛을 튕겨 낸 뭔가가 있는 것으로 보인다. 결국원자는 텅 비어 있지만 빛이 투과하지 못하여 꽉 찬 걸로 보인다는 뜻이다. 물론 인간이 볼 수 있는 빛은 가시광선뿐이다. 다른 종류의 빛인 엑스선이나 감마선 같은 것은 몸을 그냥 뚫고 지나간다. 엑스선으로 뼈를 볼 수 있는 이유다. 그럼 왜 가시광선은 튕겨 나오고 엑스선은 투과할까? 이것도 양자 역학이 답을 해 준다. - P30

 실제 원자들끼리만났을 때에도 먼저 마주치는 것은 언제나 상대방의 전자다. 전자들끼리는 서로 미워한다. 밀어낸다는 말이다. 따라서 원자핵끼리 만나기는 힘들다. 나중에 보겠지만, 전자들이 언제나 서로 미워하는 것은아니다. 때로 함께하기도 한다. 원자가 결합을 이룰 수 있는 이유다.
그렇지 않다면 당신은 존재할 수 없다. - P31