수식없는 양자물리도 어렵다

• 수식 없이 술술 양자물리
• 쥘리앙 보브로프
• 2023-04-20

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

오늘 이야기할 책은 쥘리앙 보브로프라는 사람이 쓴 <수식 없이 술술 양자물리>란다. 오랜 만에 양자역학 책을 읽는 것 같구나. 양자역학이라고 하면 어렵다는 선입견이 있는데, 어려운 것은 맞단다. 그런데, 이 책의 앞표지와 제목을 보면 그 어려운 양자역학을 쉽게 설명되어 있을 것 같은 착각이 든단다. 양자역학은 아빠가 관심 있어 하는 분야이고 중복되는 내용이 있어도 양자역학에 관한 책들을 가끔씩 읽는 것이 좋단다. 복습한다는 생각도 있고, 새로운 지식을 만난다는 생각도 있고, 무엇보다 기억력이 좋지 않은 아빠는 같은 내용이라도 주기적으로 읽어주어야 사라지는 기억력을 그나마 유지할 수 있게 된단다.

<수식 없이 술술 양자물리>라는 책은 몇 달 전부터 봐두던 책이란다. 이 책의 지은이 쥘리앙 보브로프는 프랑스의 대학 교수이고, 과학의 대중화에 노력하는 사람이라고 하는구나. 그래서 이 책도 양자역학을 일반 사람들에게 쉽게 설명해주려고 기획한 책이란다. 수식도 없이 말이야.. 그러나 책 제목처럼 ‘술술’ 넘어갈 양자역학이 아니지…

1.

아빠도 양자역학에 관한 책을 좀 읽었더니, 이 책의 많은 부분을 이전 책에서 본 내용들이 많았고, 지은이가 어떤 이야기를 꺼낼 때 왜 그런 이야기를 꺼냈는지 알겠더구나. 빛의 정체를 알아내려고 노력한 많은 과학자들이 빛이라는 것은 파동과 입자의 성격을 모두 가지고 있다는 것으로 결론을 내고 무척 놀랐을 거야. 파동과 입자라는 것은 그 성질로 보아 공존할 수 없다고 생각했거든… 빛도 그리 놀랬는데, 전자라는 물질이 그렇다면… 실험을 해보면 전자라는 입자도 파동처럼 움직이는 확인했을 때, 보면서도 믿을 수 없었을 거야.

파동이면서 입자.. 이것이 양자역학의 핵심이자 전부라고 아빠는 이해하고 있단다. 그렇다면 작은 입자 말고 큰 입자들은? 큰 입자들도 마찬가지라는 거야. 아빠가 이해한 바를 다시 이야기해보면… 모든 입자의 위치는 정확하게 정해져 있는 것이 아니야. 어떤 입자가 그 위치에 있는 것은 그 위치에 있을 확률이 높기 때문이라는 거야. 그리고 누군가 그 입자를 관찰하려고 하면 파동의 성질은 사라지고, 확률 높은 곳에 입자로 보이게 되는 것이지…

큰 물질들은 무엇인가에 의해 관찰되기 쉬워지고, 그로 인해 가장 확률적으로 가장 높은 위치에 있게 되는 거야. 파동의 성질을 실험적으로 확인한 가장 큰 입자는 어떤 것인가? 전자 알갱이에서 시작한 이후로 많은 과학자들이 더 큰 알갱이를 가지고 이중슬릿실험을 하여 파동의 성질을 찾아 보았다고 하는구나. ChatGPT에 물어보니 2000개 이상의 원자로 된 분자에서도 확인을 했다는구나. 정말 대단하지 않니? 우리 같은 사람도 어차피 원자와 분자로 이루어져 있기 때문에 이론적으로 가능한 거야. 그래서 그런 것을 확장하여 관련된 SF 소설도 있고 어벤져스 같은 영화도 있는 것이란다.

…

이 책에는 양자역학 하면 꼭 나오는 파동함수에 관한 이야기, 결 잃음에 관한 이야기, 그 유명한 코펜하겐 해석에 관한 이야기, 다세계(다중우주) 해석에 관한 이야기, 양자 얽힘에 관한 이야기도 실려 있단다. 이런 이야기들은 아빠가 이전에 다른 책에서도 이야기한 적이 있어서 오늘은 패스할게.

2.

양자역학을 읽다 보면 스핀이라는 용어가 나온단다. 스핀은 양자역학에서 입자의 고유한 각운동량으로 회전하는 것처럼 보여서 스핀(spin)이라고 불린단다. 스핀은 up, down 두 방향 상태를 가지고 있단다. 대부분의 물질을 이루는 up과 down은 거의 50대50으로 비슷하단다. 예전에 읽은 <쿼런틴>이라는 SF 소설에서 스핀의 방향을 하나씩 일일이 세던 사람이 생각나는구나. 스핀에 대해 자세히 이야기해주고 싶지만, 아빠가 제대로 이해하지 못해 잘못된 지식 전달의 우려로 하지 말아야겠다. 단지 전자 알갱이 하는 1/2 스핀이라는 점, 스핀 한 개는 2개 입자를 구성할 수 있다는 점, 스핀의 개수가 정수인 물질을 보손이라고 하는 점, 스핀의 개수가 정수가 아닌 물질은 페르미온이라는 점 정도만 이야기해야겠구나.

표준모형 입자 중에서 보손의 예로는 광자, 글루온, W보손, Z보손, 힉스 입자, 폰론 등이 스핀 1개로 보손이고, 페르미온의 예로는 전자, 양성자, 중성자, 쿼크, 중성미가가 각각 1/2스핀 한 개로 이루어져 있어 페르미온이 된단다. 수소 알갱이 한 개는 양성자 1개, 전자 1개로 이루어져 있으니 1/2스핀 더하기 1/2스핀 하면 1개 스핀이 되어 정수의 스핀이기 때문에 보손이 되는 것이란다. 만일 너희들을 이루고 있는 원자의 구성과 개수를 모두 안다면 너희들이 보손인지 페르미온인지도 알 수 있게 되는 거야.

….

최근 양자 컴퓨터 관련 주식이 뜨거운 것 같구나. AI 다음은 양자 컴퓨터라면서 주식이 하늘 높이 치솟다가도 양자 컴퓨터는 아직 멀었다는 전문가의 이야기가 나오면 다시 아래로 치박기도 한단다. 컴퓨터의 기본 단위 bit는 한 개로 0, 1 이렇게 두 가지 정보를 알려주지만 양자컴퓨터의 기본 단위 큐비트는 양자의 중첩과 얽힘으로 더 많은 정보를 알려줄 수 있다고 했어. 전에도 한번 읽은 적이 있지만, 잘 이해가 안 가서 패스. 나중에 유튜브에서 쉽게 설명한 것이 있는지 찾아봐야겠다. 책에 큐비트에 대한 설명이 있는데, 너희들도 한번 읽어보렴.

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(238)

양자 컴퓨터에 대해 어떻게 생각하는가? 겉보기에는 고전적 컴퓨터처럼 비트와 논리 게이트를 가진 회로 같다. 그런데 더 깊이 생각해보면 각각의 비트는 단순한 0이나 1이 아니고 둘의 중첩 상태로 나타난다. 각각의 양자비트, 즉 ‘큐비트(qubit)’는 8장에서 언급한 것처럼 동시에 두 상태에 놓인다. 중요한 것은 스핀의 두 방향, 원자의 두 에너지, 광자의 두 분극이다. 핵심은 두 가지 상태의 중첩을 얻어내는 것이다.

고전적 컴퓨터와의 두 번째 큰 차이점은 ‘큐비트’가 서로 독립적이지 않다는 것이다. 이것들은 얽혀 있고 서로 복잡하게 섞여 있어 큐비트 하나에 영향을 주면 즉시 다른 모든 큐비트에 영향을 미친다. 요컨대 개별적인 0과 1 대신 우리가 접하게 될 것은 0과 1의 조합이 중첩되면서 동시에 얽혀 있는 상태다. 영원히 결속된 집단이 있는데 그 구성원들이 서로 팔짱을 끼고 있어 나중에는 서로 구별할 수 없을 정도가 되는 상황을 상상해보자. 거기에 이 개인들 각자가 남자인 동시에 여자라는 점을 추가해보라! 이것은 바로 양자 컴퓨터가 시작된 토대다.

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양자 컴퓨터의 사양 분야는 어디가 적합할까? 이 책의 지은이는 분자 시뮬레이션이라는 곳에 활용하면 좋겠다고 하는구나.

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(267-268)

양자 컴퓨터의 수많은 잠재적 사용 분야 중 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 것은 분자 시뮬레이션일 것이다. 우리는 이미 비료를 다른 방식으로 생산할 수 있음을 살펴보았다. 이 슈퍼컴퓨터는 더 저렴한 또 다른 화학반응을 개발하는 데도 큰 도움을 줄 것이며, 그 결과 화학공업의 새로운 촉진제가 발견될 것이다. 또 이 컴퓨터를 이용하면 이산화탄소를 고정하거나 광화학 반응을 촉진하는 과정을 연구할 수 있으며, 신약을 위한 분자를 고안하거나 몇 가지 암 치료에 핵심 역할을 하는 단백질 접힘 같은 메커니즘을 시뮬레이션할 수 있을 것이다. 그리고 더 효율적인 배터리 개발을 위한 인공 소재 발견에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

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아빠가 양자컴퓨터의 원리를 제대로 이해한 것은 아니지만, 아빠의 생각에 양자컴퓨터가 상용화까지는 많은 시간이 걸릴 것 같구나. 알고리즘이 너무 복잡하고, 아직은 오류율이 높아서 이것을 해결해야 한다고 해. 오류율을 30퍼센트에서 1퍼센트까지 줄이긴 했는데 여전히 높은 것은 마찬가지니까 말이야. 하지만 양자컴퓨터만 상용화된다면, 적은 비트로 많은 정보를 알려줄 수 있기 때문에 전력에 많은 도움을 줄 수 있다고 했어. 언젠가 양자컴퓨터가 상용화되어 전력을 확 줄여서 지구온난화를 더디 가게 하는데 도움이 되었으면 좋겠구나.

오늘은 여기까지.

PS,

책의 첫 문장: ‘왜 양자물리학을 이해해야 할까?’

책의 끝 문장: 또한 이 학문을 탐구하는 이들의 깊은 내면으로 빠져드는 일이고, 120년 전에 이미 시작되었으나 이제 막 출발한 탐험이다.

이제 당신은 어떤 홀에 있고 오케스트라는 첫 번째 화음을 연주한다. 악기들로부터 음악이 솟아나 홀 전체로 퍼져나가지만 확률적으로만 그렇다. 게다가 넓은 홀 안의 침묵은 완벽하고 아무 소리도 들리지 않는다. 파동은 침묵 속에 퍼져나가고, 그때 갑자기 파동이 한 점으로 축소되어 청중 한 명의 귀에 닿는다. 나머지 청중은 아무것도 듣지 못한다. 그다음 음이 두 번째 청중이 각자 단편적으로 들었던 것을 서로 주고받아야지만 그날 밤 연주된 교향곡을 재현해낼 수 있을 것이다.- P40

2018년 11월 16일 베르사유 컨벤션센터에서 전 세계 물리학자들은 역사적 결의안을 표결에 부칠 준비를 했다. 그것은 국제단위계의 변화였다. 참가자들은 열기가 넘쳤다. 각국 대표는 자기 차례에 일어나서 구두로 ‘예스(Yes)’를 외치며 자국 표지판을 들었다. 우루과이 대표가 마지막으로 ‘예스’를 외치자 모든 과학자가 일어나 진심으로 박수갈채를 보냈다. 이들은 만장일치로 킬로그램에 대한 새로운 정의를 결의했다.- P76

그런데 불확정성 원리를 적용하면 열역학은 심지어 절대 영도에서도 원자들이 계속해서 조금씩 움직일 거라고 예상한다. 원자들은 ‘영점 에너지(zero point energy)’를 가진다. 구체적이며 놀라운 결과로 절대 얼지 않는 액체 헬륨이 존재한다. 심지어 절대 영도에 대해 근접한 온도에서 불확정성 원리에 의해 생기를 얻은 조그만 움직임으로도 이 액체의 원자를 요동시키기에 충분하며, 결과적으로 원자들이 고체를 이루지 못하도록 막는다. 다른 액체는 모두 얼지만 헬륨 원자들은 상호작용이 극도로 적어 쉽게 불안정한 상태가 된다.- P86

게다가 양자물리학 논문에서 여러 해석 중 어떤 것을 언급하는 경우는 극히 머물다. 연구자 대부분이 취하는 입장은 데이비드 머민의 이 말로 잘 요약된다. "입 다물고 계산하라!" 과학의 역할에는 의문을 제기하는 것도 있다며 이들에게 반박하는 사람도 있을 것이다. 하지만 과학의 목표는 무엇보다 사물이 ‘어떻게’ 작동하는지 설명하는 것이지 반드시 ‘왜’를 설명할 필요는 없다.- P134

애초에 원자를 이해하려고 연구된 양자물리학은 입자물리학을 탄생시켰다. 이 학문은 소재의 세계와 IT 세계를 탐험했다. 마침내 입자물리학은 화학에 관한 새로운 관점을 제공했다. 흔히 물리학자들은 거만한 눈으로 동료 화학자들을 대한다. 아마도 이것은 두 학문의 역사적 기원에서 비롯되었을 것이다. 물리학은 갈릴레이, 뉴턴과 함께 탄생했고 이들은 세계에 대해 수학적이고 합리적인 관점을 제시했지만, 화학은 연금술사 덕분에 여러 의식으로 가득한 마법 세계에서 첫발을 떼었다. 양자물리학이 탄생한 이후 카드 패는 다시 섞였다. 화학과 물리학은 하나의 동일한 학문이 되었다. 물리학자들은 이 점을 유념해야 할 것이다.- P189

그런데 저항이 완전히 0이라고 하거나 저항이 너무 약해서 측정될 수 없다고 할 수 있을까? 이 점을 알아보기 위해 건전지를 제거해보자. 초전도체가 아닌 구리에서는 전류가 즉시 멈춘다. 전자들은 끊임없는 충격 때문에 계속해서 움직일 수 없다. 하지만 초전도체 고리에서는 전류가 계속해서 완벽히 흐른다. 한 시간 후에도 전자는 지친 기색을 전혀 보이지 않는다. 다음 날이 되어도 전류는 여전히 그대로다.- P217