양자물리학 (ft, 생각이 현실을 만든다?)
양자물리학은 원자 단위 아래의 미시세계에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대 물리학의 한 분야이다. 지금까지 수많은 공상과학과 판타지 장르에 인용되어 세간에 주목을 받았다. 슈뢰딩거의 방정식 얘기도 유명하다. 블랙홀과 빅뱅의 언급할 때 빼놓을 수 없다. 하지만 정작 설명하라고 얘기해보면, 내용에 깊이가 없기가 일쑤였다. 그건 나 또한 마찬가지였다. 이에 오늘은 양자물리학의 개략적인 것을 살펴본다.
양자물리학은 독일의 막스 플랑크가 흑체복사를 빛에너지는 연속한 것이 아니라 덩어리로 되어있다는 내용의 가설로 설명하면서 처음 등장했다. 몇 년 후에는 알베르트 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해 빛 에너지가 진동수에 비례한다는 플랑크의 아이디어를 사용했다. 한편 에르빈 슈뢰딩거는 파동의 형태를 가지는 함수를 바탕으로 고전역학에서 슈뢰딩거 방정식을 유도했다. 이처럼 수많은 과학자들에 의해 양자물리학은 그들의 연구에 적용되었다. 이는 양자물리학이 일부에 알려진 것처럼 얼토당토 한 이야기가 아니라 충분히 과학적인 실제적 이야기임을 반증한다.
여기에 더해 양자물리학에 대해 상식과 어긋난다는 주장이 많은데, 우선 그 상식이라는 것이 무엇인지 반문해 볼 필요도 있다. 3천 년 전에 사람들에게 지구가 해의 주위를 돈다고 이야기를 한다면, 이는 상식과 맞지 않는 이야기라 할 것이다. 결국 상식은 인간이 지각할 수 있는 한계 범위 내로 한정된느 개념일 뿐이며, 관련하여 아인슈타인의 말을 인용할 수 있다. 당신이 달을 보기 전에는 달이 존재하지 않는 것인가?
이제 본격적으로 양자물리학에 대해 말해보겠다. 가장 먼저 유명한 슈뢰딩거의 고양이를 보면, 어떤 상자 안에 고양이가 있다. 이 상자를 열기 전에는 안에 있는 고양이가 죽어있을 수도 있고 살아 있을 수도 있다. 50%의 확률이다. 이것을 양자물리학의 세계에서는 상자를 열어보기 전까지 삶과 죽음이 함께 있다고 한다.
슈뢰딩거의 고양이가 삶과 죽음이 중첩된 상태로 존재한다는 것은 이중 슬릿 실험과 연관 지을 수 있다. 여기에서 두개의 슬릿을 통과한 불빛이기에 두 줄의 불빛이 생길 것이라고 생각할 수 있지만, 실제 벽면에는 여러 줄의 불빛이 생긴다. 이는 회절이라는 현상 후에 파동이 서로 간섭하는 현상에서 발생하는 것이다. 즉, 빛이 파동이라는 것인데, 동시에 빛은 입자이기도 하다. 이를 위해 실험 하나를 더 보도록 하자.
위의 실험에서 빛을 비추는 대신 전자빔 발사기로 전자빔을 쏠 때, 감광판에는 간섭 무늬가 남는다. 이에 위의 빛과 마찬가지로 전자빔도 파동이라는 것이다. 그런데 전자 다발들을 한 번에 하나씩 발사할 때에도 마찬가지로 감광판에 간섭무늬가 남는다. 우리는 이를 통해 각각의 전자 하나하나가 그 자체로 입자이면서 동시에 파동임을 알 수 있다. 여기서 또 알 수 있는 것은 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 모두 통과했다는 것인데, 이 부분에서 슈뢰딩거 고양이의 삶과 죽음의 중첩 부분과 연결된다.
양자물리학적으로 하나의 전자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과했다는 것은 물론 하나의 전자가 동시에 두 곳에 존재한다는 뜻을 포함하며, 결론적으로 하나의 전자는 확률적으로 위치할 수 있는 모든 곳에 동시에 존재한다. 이와 마찬가지로 슈뢰딩거의 고양이도 있을 수 있는 모든 상태로 동시에 존재한다.
사실 이것만으로 양자물리학 모두를 당연 설명할 수는 없다. 가장 유명한 사례를 들었을 뿐이다. 여기에 심화적으로 더 공부할 가치가 있는 것은 이가 역사상 가장 위대한 물리학 이론이기 때문이다. 일반인의 경우 상대성이론을 가장 위대한 물리학 이론으로 꼽았지만, 물리학자들이 생각하는 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론은 양자물리학이다. 이에 한번 본격적으로 공부를 제안하는 바이다.
