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직감하는 양자역학 - 우주를 지배하는 궁극적 구조를 머릿속에 바로 떠올리는 색다른 물리 강의
마쓰우라 소 지음, 전종훈 옮김, 장형진 감수 / 보누스 / 2022년 9월

평소에 누웠다하면 바로 자는 제가 언제 한번 잘 타이밍을 놓쳐서 밤을 지새운 적이 있었습니다. 웹툰도 보고 유튜브로 재미있는 걸 찾아보다가 EBS [통찰]이라는 프로에 김상욱 교수의 양자역학에 대한 강의가 있더라구요. 그날 왜 그걸 눌렀는지... -_-a 이해는 안 됩니다만 막상 보니 재미있게 봤습니다. 30분 가량의 내용에서 지금도 기억나는 딱 하나 '우리가 보고 있는게 그 사물의 진짜가 아니다'라는 말이었습니다.

그 하나의 내용만 기억한 채로 시간이 지나서 책들을 훑어보는데 [직감하는 양자역학]이라는 제목의 일본사람이 쓴 책이 눈에 띄었습니다. 갑자기 새벽에 본 유튜브가 생각나서 목차를 봤는데 제가 알고 싶은 내용들이 있더라구요. 특히 양자컴퓨터가 어떤지 알고 싶었는데 그것이 딱 있어서 이 책을 보게 되었습니다. 책 제목과 달리 직감하기엔 어려운 책이었지만 덕분에 유튜브로 양자역학에 대한 내용을 다시 찾아보며 열심히 봤습니다. 이 책의 시작도 역시 '보고 있는 세상은 세상의 실체가 아니다'입니다. 무엇이 실체라는 걸까요? 이 책의 내용을 다 이해하기엔 턱없이 부족한 능력이지만 양자역학이 나오게 된 역사와 기본적인 내용 위주로 정리하려고 합니다.^^

먼저 양자역학의 의미를 살펴보면 양자의 움직임을 말하는 것이고 양자(quantum)는 '불연속적인 값을 가지고 있는 어떤 물질' 이라는 뜻입니다. 우리가 사는 세상은 불연속적인 것은 없어보입니다. 공이 굴러가면 굴라가는게 경로가 다 보이잖아요. 그게 우리가 보고 있는 세상이고 보이는 걸 연구해서 나온 결과가 고전 물리학이라고 해요. 그런데 연구하면서 계속 그 안을 보다보니 그 속은 보이는 것과 너무 다르다는 걸 알게 됩니다. 이 때부터 현대물리학이 시작되고 그것의 계기 중 하나는 양자의 발견입니다. 이 양자의 발견으로 지금 반도체의 플래시메모리가 나오고 이제는 양자컴퓨터가 나오려고 합니다. 우선 양자라는 개념을 잘 새겨두시고 그럼 대체 왜 양자역학이 나왔는지 그 역사를 살펴보겠습니다.

20세기 전반까지는 뉴튼이 발견한 운동법칙 F=ma로 이 세상을 다 설명할 수 있었습니다. 위치와 속도를 전제로 물의 운동을 설명하고 먼 미래의 움직임도 예측할 수 굳게 믿고 있었죠. 엄청난 영향력을 끼쳤던 뉴튼은 18세기에 빛은 입자라고 생각했습니다. 우선 직진운동을 하고 햇빛이 물체에 닿으면 그림자가 생기기 때문이죠. 하지만 19세기 들어오면서 고등학교 물리책에 나오는 토마스영의 이중슬릿 실험으로 빛이 파동이라는 결론이 나게 됩니다. 빛이 입자라면 작은 틈사이만큼의 빛만 벽에 닿겠지만 빛은 파동의 성질을 가지고 있어서 벽에 줄무늬가 생기는 걸 실험을 통해서 알게 되었죠. 뉴튼의 주장이 뒤바뀌기가지 100년의 시간이 흘렀다고 해요. 19세기 후반부에 맥스웰이 확립한 전자기학으로 빛이 파동이라는 걸 더 확고히 하게 됩니다. 빛은 곧 전기장과 자기장이 서로를 생성하면서 진행되는 전자기파라는거죠. 이 빛 안에 우리가 색을 볼 수 있는 가시광선과 함께 자외선, 적외선 등이 있습니다.

이렇게 빛이 파동이라는 인식이 굳어질 때 20세기에 새로운 인물들이 나옵니다. 바로 플랑크와 아인슈타인인데요. 플랑크는 흑체복사 실험을 통해 진동수가 클수록 큰 에너지를 갖고 여기서 중요한게 에너지값이 정수배로 불연속적인 값을 가진다는거에요. 이 말은 전자기파의 가장 작은 단위가 1이라면 에너지가 1, 2, 3, 4 이렇게 늘어나지 1.1, 1.2, 1.3은 있을 수 없다는 뜻입니다. 여기서부터 양자라는 개념이 나오게 되요. 플랑크의 가설에 힘입어 1905년 아인슈타인이 광자효과를 통해 빛이 입자라는 걸 증명하게 되는데 금속에 특정 진동수 이상의 빛을 쪼일 때 전자가 튀어나오는 걸 알게 됩니다. 빛의 세기가 세거나 오래 쪼인다고(빛 알갱이 개수가 많다고) 전자가 나오는게 아니라 한 알갱이의 에너지가 커야 된다는거죠. 파장이라면 설명할 수 없는 현상이라고 합니다. 이로서 빛이 파장성과 입자성을 모두 갖게 된다는 결론을 이끌게 됩니다.

빛의 성질에 대한 연구가 진행되는 가운데 다른 한편에서는 원자의 모형을 알아가고 있었습니다. 청므엔 원자가 제일 기본입자라 생각했지만 20세기 초반에 톰슨이 원자에서 전자를 발견하고 러더퍼드가 양전하를 가진 원자핵이 원자 중심에 있다는 걸 알게 됩니다. 1913년 보어가 전자가 원자주변을 불연속적인 일정 궤도에서만 돌고 움직인다는 걸 발표합니다. 하지만 왜 그런지는 몰랐죠. 이걸 하이젠베르크가 연구한 결과 입자의 위치와 속도 자체가 정해져 있지 않다는 겁니다. 그걸 잘 알 수 있는 사례는 전자를 한개씩 이중 슬릿에 쏴도 두 빛을 쐈을 때처럼 간섭무늬가 생긴다는 거에요. 전자가 하나의 움직임만 갖는게 아니라는거죠. 이건 참 신기하더라구요.. 결국 원자의 모형을 전자는 어느 곳에서도 발견될 수 있지만(심지어 우주에서도) 어떤 영역에서 확률적으로 많이 분포되는 거라고 이야기합니다. 하이젠베르크가 전자의 움직임을 예측해보려고 했지만 계속 실패하면서 내린 결론이 있습니다. 그것은 우리가 관측을 할 때는 빛이 눈에 들어와야 되는데 이런 전자와 같은 작은 입자는 빛 자체에도 교란이 되기 때문에 정확한 값을 얻을 수 없다는거에요. 그래서 측정한 값을 통해서 입자의 움직임을 행렬로 표현한게 행렬역학이고 물체가 이동 가능한 경로를 모두 더해서 나타낸게 경로적분이라고 합니다. 경로적분은 아인슈타인을 잇는 천재물리학자 리처드파인만이 정립했다고 해요.(참고로 아인슈타인은 하이젠베르크의 주장을 죽을 때까지 반박했다고 합니다.)

결국 양자역학은 세상을 이루는 아주 작은 입자들은 빛과 마찬가지로 입자성과 파동성을 가지고 있고 그 움직임을 예측할 수 없으며 확률적으로 분석하는 학문이라고 합니다. 고전역학을 결정론이라고 하면 양자역학은 모든 가능성이 있는 비결정론으로 봅니다. 이걸 잘 설명하는게 슈뢰딩거의 고양이라는 사고실험이 있는데 상자 안에 고양이를 가두고 1시간 뒤에 살 확률이 반, 죽을 확률이 반인데 상자를 열어보지 않는 한(측정하지 않는 한) 고양이의 상태는 살아있음과 죽음이 모두 공존하다는 겁니다. 이런 양자역학의 특성을 잘 나타낸게 양자컴퓨터인데요. 지금까지의 컴퓨터는 데이터를 이진법으로 표현하는데 각 자리에 0과 1 중 하나의 숫자 밖에 못 들어갑니다. 그래서 데이터가 커질수록 자리수가 늘어나고 처리해야 되는 양이 많아져 시간이 많이 걸리는데 양자컴퓨터는 하나의 자리에 0과 1이 중첩되어 들어갈 수 있는 개념이더라구요. 핵심은 이런 중첩상태를 이용해서 병렬로 계산을 하는건데 한번 계산하는 속도는 지금의 컴퓨터가 빠를지 모르겠지만 여러번을 거쳐 계산해야 된다면 그것은 양자컴퓨터가 월등히 빨라집니다. 하지만 아직 가야할 길은 먼 것 같구요.

지금 적은 내용은 양자역학으로 가는 길을 한발 딛은 정도라고 생각합니다. 수식도 많이 나오고 보고도 이해 못 하는게 많아요.ㅎㅎ이 책의 저자는 말합니다. 양자역학을 몰라도 사는데 아무 지장이 없다. 하지만 세상은 곧 양자를 당연하게 생각하는 시대가 올 것이라구요. 지금은 올바른 경험을 통해 양자라는 걸 직감적으로 알 수 있게 훈련을 하는 과정이라고 생각한다고 합니다. 마치 자전거를 탈 때 처음엔 발을 어떻게 하고 손은 뭘 잡고 생각을 하다가 나중에는 이런 생각없이 자전거를 타는 것처럼요.

더 열심히 공부해서 글을 쓰고 싶었지만 공부하면 할수록 그 방대함에 저절로 겸손을 찾게 되더라구요. ㅎㅎ 제가 느낀건 양자역학뿐만 아니라 모든 것이 보이는대로 살아도 아무 문제는 없다는 겁니다. 하지만 그 보이는 것의 진실을 알고자 하는 사람은 다른 사람보다 앞서갔다는 거죠. 일을 할 때나 주식을 할 때도, 그리고 사람과의 관계에서도 그냥 보이는대로 대응하는 사람과 이걸 왜 하는지, 어떻게 작동되는지를 생각을 하는 사람의 차이는 클 겁니다. 세상을 구성하는 작은 입자조차 예측불가하고 그런 것들이 서로 영향을 주며 지금의 결과를 만들어낸 것입니다. 그러니 눈에 보이는 걸 있는 그대로 따르기보다 겸손한 마음으로 최대한 많이 알고자 한다면 세상을 살아가는데 나를 가리는 안개를 더 많이 걷어낼 수 있을 것 같습니다.^^