양자역학의 새로운 해석

양자역학의 미래, 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다
한스 크리스천 폰 베이어 지음, 이억주.박태선 옮김 / 동아엠앤비 / 2018년 10월

이 책은 양자 역학 이론과 현상을 소개하고 이에 대한 해석 이론인 큐비즘(QBism)에 대해 서술한 책이다.

책의 구성은 양자물리학적인 이론과 현상에 대한 일반적인 설명과 함께 양자 물리학 이론들이 개발되는 과정을 연구자들의 연구활동과 함께 담고 있다.

책의 내용은 양자역학과 관련된 주요 이론과 현상들을 소개하고 양자역학적 현상을 이해하기 위한 확률론적 해석 기법인 큐비즘과 큐비즘이 주는 세계관에 대해 기술하고 있다.

우선, 양자역학이 탄생하기까지 19세기말과 20세기초까지 빛의 입자설과 파동설을 둘러싼 물리학자들의 논란과 연구 활동들이 소개된다: 막스 플랑크의 에너지 복사 곡선 모델과 에너지-진동수 방정식; 아인슈타인의 광양자설에 입각한 광전효과 모델; 토마스 영의 광파 중첩 실험; 에너지와 진동수 관계를 묘사한 플랑크-아인슈타인 방정식; 에르빈 슈뢰딩거의 파동함수 방정식; 아인슈타인의 빛의 성질에 관한 특수 상대성 이론과 중력 작용에 관한 일반 상대성 이론; 베르너 하이젠베르크의 불확정성의 원리와 관찰자 효과; 전자의 특성을 묘사한 양자 시스템인 큐비트(qubit)와 큐비트의 파동 방정식.

양자 역학의 파동 방정식이 나타내는 의미를 해석하기 위해 실험 관측 값에 대한 통계의 사용과 확률 공식의 도입의 유용성을 기술한다. 21세기 이후에 등장한 양자역학의 새로운 해석이론으로 베이즈 확률 해석을 적용한 규비즘을 소개한다.

큐비즘의 효용성은 양자 역학에서 파동함수의 붕괴 현상에 대해 대안적인 해석을 담당하는 것에서 나타난다: 확률 값의 갱신으로 파동함수의 결과 값이 이루어지는 것으로 전자의 파동 함수가 고정되지 않다는 양자 역학의 현상을 설명할 수 있다.

특히, 슈뢰딩거가 개발한 양자역학에 대한 비판으로 제시된 이른바 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 문제에 대한 해석을 큐비즘이 근본적으로 변화시킨다: 상자 안에 들어 있는 고양이의 상태를 일반적인 빈도확률론이 결정하는 오류를 저지르지 않고, 큐비즘은 상자를 열고 난 이후에 발견하게 되는 고양이의 상태에 대한 기대값을 기술하는 역할을 한다.

참고로, ‘슈뢰딩거의 고양이’ 문제는, 상자 안에 고양이 한 마리와 독가스가 든 유리병에 연결된 방사능 장치가 함께 들어 있는 상황을 가정했을 때, 만약 방사능 물질의 반감기가 지난 시점에 과연 고양이의 상태는 무엇이냐는 질문이다. 즉, 방사능 붕괴 확률이 50%이기 때문에 고양이가 살아 있을 확률이 50%라서 고양이의 상태가 살아 있음과 죽어 있음이 혼합되어 있다는 양자 역학의 파동방정식의 역설을 비판한 것이다.

마지막으로, 저자가 생각하는 큐비즘이 가지는 세계관에 대해 기술하고 있다: 큐비즘은 베이지어니즘이라는 선험적 확률론에 영향을 받기 때문에, 절대적이고 객관적인 자연 세계의 현상을 묘사하는 것이 아니라, 인간이 경험하는 주관적인 세계를 나타내는 것으로 볼 수 있다는 것이다. 저자는 큐비즘이 ‘새로운 과학적 진리’의 역할을 할 것으로 낙관한다.

이 책은 ‘양자물리학’에 관한 복잡하고 어려운 이론과 현상들에 대해 가능한 한 쉽게 해설하고 있다: 당시 이론들을 연구하던 물리학자들의 연구 과정과 연구 결과에 대한 학계에 대한 반응과 수용 과정까지 그리고 있어서, 딱딱한 이론들이 주는 지루함을 줄일 수 있다. 예를 들면, 양자역학이 탄생할 수 있는 이론적 기반을 제공했던 아인슈타인은 정작 양자역학을 인정하지 않고 고전물리학을 고수했다는 이야기나 큐비즘의 본질이 결국 심리학과 물리학의 결합이라는 이야기는 흥미로웠다.

여전히 어렵지만 양자역학에 관심이 있다면, 일독을 권한다.