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by 오인환 Jan 09. 2022

[인문] 쉽고 재밌는 양자역학과 양자컴퓨터_퀀텀의 세계

'이 세상 삼라만상은 모두 입자인 동시에 파동이다.' 무슨 말일까. 너무 작아서 눈에 보이지 않은 작은 물체를 입자라고 한다. 어떤 한 곳에서 에너지가 흔들리며 전달되어 나가는 것을 파동이라고 한다. 결국 물질과 파동은 완전히 다른 종류의 어떤 것이다. 세상 삼라만상이 모두 입자인 동시에 파동이라는 얘기는 "사과는 파도다."만큼 허무맹랑한 말이다. 현대 물리학에서는 이상한 현상을 확인했다. 아주 작은 세계인 미시세계에서 원자는 원자핵과 전자로 이뤄져 있다. 전자는 원자핵 주위에서 특정한 궤도에 존재한다. 현대물리학자가 발견한 것은 전자의 운동이 조금 이상하다는 것이다. 전자를 관찰한 결과, 평소에는 파동으로 존재하다가 관찰자가 그것을 관찰하는 순간 입자로 변했다는 사실을 알게됐다. 빛이나 전자 같은 미소한 물질이 입자와 파동성 둘 다 갖는 다는 것을 '양자성을 띈다'라고 말한다. 힘과 운동 관계를 역학(力學)이라 하므로, 양자역학이란 입자성과 파동성을 갖는 역학에 대한 연구다. 원자핵을 주변에 있는 전자는 고전물리학에서 봤을 때, 일정한 속도와 방향이 있어야 한다. 원자핵의 어느 부분에 있던 전자가 다시 얼마 뒤에는 다른 위치에 존재해야하고 그 운동의 방향과 속력을 통해 위치를 알아 낼 수 있는 것이 고전 물리학이다. 마치 태양 주변을 돌고 있는 지구의 속력과 방향을 알면 얼마 뒤에는 지구가 어디 쯤에 있을지 계산이 가능해야 했다. 하지만 미시 세계에서는 그렇지 않았다. 그저 확률적으로 어딘가에 존재할 뿐이다.

누군가가 관찰하기 전에는 파동 것들이 누군가가 관찰했더니 입자가 된다. 즉, 모든 상태는 '중첩'되어 있다가 관찰자가 관찰하는 즉시 물질이 된다. 즉, 당신이 옆 방에 있는 책상은 당신이 관찰하기 전까지는 그저 에너지와 파동의 형태로 존재하다가 당신이 관찰하는 즉시 물질로 바뀐다. 또 하나의 양자역학 중 하나는 '얽힘'이다. 쉽게 말을 하자면 마주보고 춤을 이들을 통해 예를 들 수 있다. 마주하고 있는 파트너가 오른 발을 내민다면, 상대하고 있는 파트너는 왼발을 뒤로 빼야만 한다. 이처럼 우주가 팽창하기 전 하나로 존재하던 입자들은 서로 '얽힘' 상태로 존재한다. 즉 임자들이 우주 팽창과 함께 깨지면서 분리되었다고 하더라도 영자역학적에서는 여전히 '얽힘'의 상태로 존재하여, 이쪽에서의 어떤 변동이 떨어져 있는 다른 어떤 쪽에도 같은 변화를 갖는다는 것이다. 도통 무슨 말인지 알다가도 모를 이런 양자역학을 대략적으로나마 알게 되자, 나는 광활한 우주에 대한 호기심 보다 '미시세계'에 대한 호기심이 더 커졌다. 이런 사이비 같은 이론은 '아인슈타인' 또한 믿지 않았다. '그저 어떤 특정한 확률로 존재한다'는 비과학적인 이론을 어떻게 받아 들 일 수 있을까. 양자역학의 아버지인 '닐스보어'와 '아인슈타인'은 이에 관해 편지를 조고 받곤 했다. 양자역학의 '불확실성'에 대해 주장한 '닐스보어'에게 아인슈타인은 이렇게 말했다. "신은 주사위 놀이를 하지 않는다네." 그러자, 닐스보어는 다시 이렇게 말했다. "신에게 이래라 저래라 하지 마시지요."

세기의 천재들은 자신들의 과학적 주장에 대한 논리를 서로 따져가며 꽤 치열하게 살았던 듯 하다. 모범적으로 잘 정리되어 오던 물리학이 '양자역학'을 만나고 뒤죽박죽이 되어버리는 현상은 참으로 재밌다. 양자역학의 모호성 때문에 이는 유사과학의 단골 소재다. 가령 '상상만 하면 모든 게 이뤄진다'거나 '철학'과 '종교'를 오가기도 하고 '외계인', UFO, '타임머신' 등에서도 언급된다. 실제로 얼핏 양자역학에 의하면 대강대강 들어 맞을 수 있는 몇 가지와 '노벨상'을 수상한 저명한 과학자들의 논문과 주장을 근거로 들 수 있기 때문에 사람들을 설득하는데 지적권위자들의 힘을 빌릴 수 있는 것이다. 양자역학에 대해서는 제대로 이해하는 사람이 많지 않지만, 우리를 설득하는데 양자역학을 드는 대다수의 사람들은 '과학자'라기 보다, '종교인', '기자', '작가'와 같은 분류가 더 많다. 양자역학을 수 십 년을 공부해도 도통 이해할 수 없다고 하는 전문가들이 많은데 말이다. 양자역학은 얼핏 비현실적인 현상에 대해 이야기하는 듯 하지만, 이미 기술로 존재한다. 우리가 자석이 왜 끌어당기는 성질을 갖고 있는지는 잘 모르지만 더이상 신기함 없이 자석을 사용하는 것 처럼말이다. 이것을 믿을 수 있건, 믿을 수 없건 이미 양자역학은 세상에 실재하고 있다.

이 책은 절반의 '양자역학'에 대한 설명을 하고 나머지 절반을 '양자 컴퓨터'에 대한 설명을 하고 있다. 책의 첫 문장을 읽어보면 난데없이 소설이 시작한다. 분명 소설로 분류된 책은 아닌데 소설로 시작하는데, 소설은 알송달송하게 전개된다. 이 짧은 소설 뒤에 양자역학과 양자 컴퓨터에 대한 설명이 나오고 다시 소설은 이어진 뒤 짧게 마무리한다. 도통 무슨 소리를 할 수 없는지 알 지 못할 것 같은 양자 역학을 쉽게 풀어주는데 고작 300페이지 밖에 들어가지 않으니 분명 읽어 둘 필요는 있다. 내가 존경하는 법륜스님은 통찰력을 갖는 방법에 대해 이야기 한 적이 있다. 자기로 부터 나오는 궁금증과 호기심, 집중하여 탐구하는 자세, 셋째는 전모를 깨닫을 지혜는 통찰력이 커저가는 과정이다. 통찰력을 얻기 위해서는 독서를 많이 해야한다. 과학과 관련 없는 일에 종사하는 이가 왜 과학책을 읽어야하며, 역사와 무관한 삶을 사는 이가 왜 역사를 읽어야 할까. 여기에 법륜 스님은 말했다. 통찰력은 지혜이며 지혜와 통찰력을 얻기 위해서는 다 섯 가지에 대한 독서가 필요하다. 첫 째, 우주 물리학(우주 질서와 운행원리), 둘째 물질세계에 대한 구성원리(미시세계, 양자역학), 셋째, 생명의 원리(생명공학), 넷째 인간의 심리학(무의식과 심리), 다섯째 인류문명사(역사) 이 다섯가지는 당신이 어떤 일을 하던과 관련 없이 당신이 혜안과 통찰력을 줄 방법이다. 이 책은 과학과 물리에 관하지 않은 대부분의 사람들도 쉽게 읽을 수 있는 책이다. 우리가 살아가는데 독서를 하는 것은 매우 중요하다. 이 책에 나온 매우 공감되는 예시를 들자면, 세상은 컬러 평면 TV를 쓰고 있는데, 혼자 산속에 들어가 흑백 브라운관 TV를 발명하는 노력은 결코 바람직하지 않다.