양자역학 이야기

양자역학 이야기 - 빛의 개념부터 시간여행까지, 세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서
팀 제임스 지음, 김주희 옮김 / 한빛비즈 / 2022년 11월

솔직히 말해서, 물론 전공 서적처럼의 난이도는 아니지만 절대로 쉬운 책은 아니다. 하지만 친절하다. 솔직히, 협찬을 받았다는 이유로 ‘양자역학’을 소재로 한 책을 쉽다고 말해버리면, 이건 거짓말이다. 양자역학이라는 과학 분야를 저명한 과학자들도 오랜 시간 동안 서로 대립하고 반박하고, 다시 반박하는 날들이 반복되었다. 어찌 쉽게 설명할 수 있을까. 그러나 친절하게 설명을 해서 그나마 양자역학이 도대체 무엇인지 약간의 맛보기는 할 수는 있다.

양자역학은 빛을 연구하면서부터 시작되었다. 빛은 파장을 가진 파동인가, 알갱이를 가진 입자인가? 뉴턴, 데카르트를 비롯한 과학자들은 온갖 이론을 세우고 실험을 했으나 충격적인 결과가 도출되었다. 파동으로 가정하면 입자여야 가능한 결과가 나왔고, 입자로 가정하자니 파동이어야만 가능한 결과가 나온 것이다. 이는 일반 원자로까지 연구가 확장되었으니, 본격적인 양자역학의 세계가 열린 것이다.

마블의 슈퍼히어로 앤트맨은 양자역학 원리 어쩌고를 이용해서 크고 작아지는 영웅이다. 물론 실제적으로는 실현 불가능한 기술이지만, 이론상 이 모든 장비와 조건만 맞춰진다면 가능하기는 하다고 한다. (몸이 못 버틸 것이다) 워낙 난해한 내용이라 문과 요정인 나는 정확히 이해하기는 어려웠으나, 아무튼 이 원리는 원자에 에너지를 부여하면서 강제로 원자의 구성을 비틀어버리면서 실체에 변화를 주는 것이다. 원자는 원자핵, 중성자, 전자로 구성되어 있다. 전자는 지구가 태양을 공전하듯 원자핵의 주위를 돌고 있는데, 음전하를 갖고 있다. 각 전자는 각자가 갖고 있는 에너지 준위(수준)에 따라 서로 다른 궤도를 돌고 있는데, 거칠게 정의하자면 이 궤도는 오비탈이라고 한다. 마블에서 앤트맨이 작아지고 거대해질 때 ‘핌 입자’라는 물질을 슈트에 주입하는데, 어쩌면 이 핌 입자가 앤트맨의 육체를 구성하는 원자 속 전자가 갖고 있는 에너지 준위에 적합한 에너지를 부여하는 것이 아닐까 생각했다. 전자가 자신에 부합되는 에너지를 부여받게 되면, 그 에너지에 의해 전자가 다른 궤도로 순간이동 하듯 나타난다.

그러나 이러한 내용은 아직까지 과학자들 사이에서도 명확하게 결론지어진 것도 아니다. 고전 물리학에서와 같이 100이면 100 명확하게 맞아떨어지는 것이기 아니었기 때문이다. 우리는 과학을 배움에 있어 하나라도 반례가 존재한다면 해당 가설은 틀린 것으로 판명되고, 새로운 수정 가설이 등장한다. 그런데 양자역학은 고전 물리학과 같이 완벽하게 매칭되는 결과가 나오지 않는 것이었다. 즉, 양자역학은 확률론의 과학인 것이다. 슈뢰딩거의 고양이 이야기처럼, 양자는 실험 결과, 그럴 수도 있고, 아닐 수도 있다.

현대 물리학 양자역학은 고전 물리학과 달리 뒷맛이 깔끔하지 않다. 그러나 확률론이라고 해서 의미가 없지는 않다. 오히려 확률에 가깝기에 우리에게 주는 의미는 깊다고 생각했다.

♦ 현재에 관한 모든 것을 알기란 불가능하므로, 미래를 정확하게 예측하는 일 또한 가능하지 않다. 영원히.

지금 내 몸을 구성하는 원자도 이론상 양자역학에서 자유로울 수 없다. 즉, 나를 구성하는 입자 역시 ‘그렇다’가 아니라 ‘그럴 수도 있고 아닐 수도 있다.’ 나의 과거, 현재, 나를 이루고 있던 모든 것이 수많은 가능성 중 하나로 선택되어 일어났다는 뜻이 된다. 모든 것이 확률이고 가능성이라면, 나의 미래는 내가 생각하는 대로 반드시 되리라는 보장은 없다. 그렇다면 잘못 살았다고 생각했던 삶은 어쩌면 그리 잘못 산 것이 아닐 수도 있고, 불안한 내 미래도 어쩌면 생각보다 좋을 수도 있다. 모든 것이 가능성(possibility)이지 않겠는가.