[과학입문] 양자역학을 이해하지 못하는 것은 내 잘못이 아니야

과학하고 앉아있네 3 - 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기 ㅣ 스낵 사이언스 Snack Science 시리즈 3
원종우.김상욱 지음 / 동아시아 / 2015년 7월

"여러분 앞으로 두어시간 동안 양자역학이라는 이름을 가진 어처구니 없는 미로속에서 헤매다가 아무것도 이해하지 못하고 나가게 됩니다." 과학같은 소리하네의 양자역학편에서 사회자 파토 원종우는 이렇게 시작한다. 유명한 물리학자 리처드 파인만 조차 양자역학을 아는 사람은 아무도 없다고 말한 것이 바로 양자역학이다.

양자역학이 어렵고, 이해하기 어려운 것은 기존 물리학의 법칙들이 부정되기 때문인데, 문제는 인간이 양자역학을 이해하도록 진화하지 않았다는 것이다.

인간의 뇌는 양자 역학을 제대로 이해하고자 하는 이 모양으로 만들어진 게 아닙니다. 인간의 뇌가 진화해 온 오랜 시간동안 그것의 용도는 포식자를 피해서 먹고 싸고 자고 또 매력적인 이성을 만나서 번식을 하는 것이었죠.

이런 인간의 뇌를 가지고 머리카락의 수십만분의 1보다 작은 세계가 어떻게 움직이는 지를 직관적으로 이해하는 일은 거의 불가능에 가깝겠죠. (138쪽, 과학수다1)

인간의 두뇌라는 것이 자연법칙을 잘 이해하도록 진화한 건 아니거든요. 우리의 뇌는 맛있는 것을 찾거나, 아니면 예쁜 여자, 멋진 남자를 찾거나 하는 그런 것을 잘하도록 진화해왔죠. 우리가 이해를 못한다고 자연이 이상한 게 아니라, 잘못은 우리한테 있다는 겁니다.

그런데 잘못이라고 보기도 힙든 것이 두뇌는 그냥 생존과 번식에 유리하도록 진화된 겁니다. 그래서 모르는 게 너무 당연하니까, 이것을 제대로 이해하려면 피나는 노력을 해야 합니다.(27쪽) 

사실 양자역학의 코펜하겐 해석을 만든 과학자들은 '우주는 문제가 없고, 이걸 이상하다고 느끼는 인간한테 문제가 있다'라고 이야기를 합니다. 이중성을 지니는 파동과 입자는 원래 하나인데, 인간의 언어가 파동과 입자라는 걸 따로 기술한다는 거죠. 이미 사람들 머릿속에 그 개념이 그렇게 따로 자리 잡고 있기 때문에 문제가 생기는 거지, 우주에서는 그것들이 동시에 존재하는 것 자체가 자연스러운 것이고 문제가 없다는 거에요.(55쪽)

사실 양자역학에 대한 부분을 몇 번 본적이 있다. EBS다큐 '빛의 물리학'에서도 몇 번 봤고, 책으로도 봤지만 여전히 이해할 수 없다. 하지만 이건 내 잘못이 아닌 것이다. 인간이 양자역학을 이해할 수 없도록 진화했으니까.

책은 물리학의 기본 법칙부터 설명을 한다.

유닛의 위치를 시간에 따라 기술한 것이 바로 운동이죠.(13쪽)

속도라는 것은 어려운 것이 아니라 한 위치, 지점을 알 때 시간이 조금 지났을 때 위치가 얼마만큼 변하는지에 대한 정보입니다.(15쪽)

그리고 이것은 수학으로 표현할 수 있다.

속도가 변하는 것, 즉 가속운동에 이유가 있다면, 그 이유는 힘이라고 부르자 하는 게 바로 운동법칙입니다. 이것을 많은 사람들이 싫어하는 수식으로 굳이 쓰면 'F=ma'가 됩니다. (20쪽)

이제 이 식으로부터 속도의 시간 변화를 알 수 있습니다. 그리고 그것으로부터 속도와 위치를 끄집어 낼 수 있다면 우주를 다 이해하는 거죠. 'F=ma'로 부터 속도와 위치를 끄집어내는 수학적 과정을 적분이라고 합니다. 그래서 전 세계에 모든 이공계 학생들은 이 적분을 배워야 돼요. 'F=ma'는 미분방정식입니다. 우주의 법칙은 미분으로 쓰여 있고, 이로부터 위치를 추출하는 과정이 적분입니다. 미분을 알려면 극한을 알아야 하고, 극한을 알려면 수열을 배워야 하죠. (21쪽)

그럼 양자역학이 무엇인가. 양자역학이란 이런 물리학의 법칙이 뒤엎어진다는 것이다.

이 모든 것이 원자라고 부르는 똑같은 걸로 되어 있다는 겁니다. 모든 것은 원자로 되어 있죠. 물리학은 모든 것을 운동으로 이해합니다. 결국 물리학에서 가장 중요한 일이 바로 원자의 운동을 이해하는 겁니다. 원자가 어떤 식으로 운동하는지를 기술하는 분야가 바로 양자역합입니다. ... 한마디로 양자역학은 원자를 기술하는 학문입니다. (36쪽)

이제 양자역학의 이해하기 어려운 문제가 등장한다.

전자는 하나다. 그런데 두개의 구멍을 통과한다. 전자는 하나뿐인데,

그리고 그 유명한 슈뢰딩거의 고양이. 두 상자안에 고양이와 독극물이 있다. 한상자가 괜찮다면 다른 상자는 독극물 병이 깨져야 한다. 고전역학, 고전 물리학의 세계에서는 한마리의 고양이는 살고, 다른 고양이는 죽어야 하지만 슈뢰딩거의 고양이는 살아있으면서도 죽어있는 상태다. 음 모르겠다.

하여간 책을 좀 더 읽어보면,

양자역학은 근본적으로 개별 사건에 대해서는 예측이 가능하지 않습니다. 즉, 뉴턴역학의 결정론을 포기하는 겁니다. 그리고 확률론의 세계로 들어서게 되죠.

....

사실 이렇게 확률이 도입되었을 때 물리학자들의 저항이 굉장히 거셌습니다. 왜냐하면 물리법칙이라고 하면 미래를 완벽하게 예측 가능하게 해주는 그런 것이어야 한다고 믿어왔기 때문이죠. 특히 저항의 선봉에 선 사람은 다른 사람도 아닌 아인슈타인이었습니다. 아인슈타인이 죽을 때까지 양자역학을 거부한 이유의 하나가 바로 이 확률 해석 때문입니다.(60쪽)

전자의 위치를 정확히 알려고 하면 더욱 큰 에너지의, 즉 짧은 파장의 빛을 써야 하고, 그러면 전자가 더 많은 영향을 받게 되지요. 이 말은 전자의 속도가 불확실해진다는 겁니다. 하이젠베르크는 이것을 불확정성원리라고 불렀습니다. (72쪽)

하이젠베르크의 불확정성원리가 갖는 중요한 의미는 고전역학의 결정론이 양자역학에서는 왜 통하지 않느냐는 것을 설명한다는 겁니다. 고전역학에서 꼭 필요한 위치와 속도를 동시에 아는 것이 보장되지 않는 것이죠. 이 때문에 확률이 나오는 겁니다. 그래서 아인슈타인이 양자역학이 틀렸다, 불완전하다며 공격을 할 때 그 공격의 가장 중요한 타깃이 바로 불확정성원리였습니다. (73쪽)

양자역학 이해가 되지 않는다. 그래서 양자역학이 뭐?라고 할지 모르겠지만, 이미 양자역학은 세상을 뒤엎어 버렸다. 지금 우리는 이해도 되지 않는 양자역학의 헤택을 보고 있다.

양자역학이 없으면 우리는 19세기로 돌아가야 합니다. 19세기와 20세기는 과학기술의 관점으로는 양자역학이 있느냐 없느냐로 나눌 수 있습니다. 19세기에도 열역학과 전자기학이 있었죠. 내연기관과 전기기기가 있었다는 겁니다. 하지만 19세기에 없었던 것의 하나가 양자역학입니다. 그래서 반도체 같은 걸 이해하지 못했죠. 양자역학이 없으면 전자를 이해할 수 없으니까요. 따라서 양자역학이 없으면 단연코 컴퓨터는 없습니다. 반도체도 없고, 스마트 폰도 없습니다. 지금 스마트폰이 있을 수 있는 것은 1920년대 양자역학을 이해해서 전자를 제어할 수 있었기 때문입니다. 전자를 제어할 수 있게 되었기 때문에 나온 학문이 전자공학입니다. 양자역학이 없으면 전자공학이 없어요. 전자의 운동을 기술하는 게 바로 양자역학이거든요.(108~109쪽)

이해는 안가지만 하여간 양자역학은 기존 물리학과는 다른 세계라는 것이고, 우리는 그 세계에서 살고 있다는 것이다.

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