양자에 관한 이야기
김상욱 '김상욱의 양자공부'
여기 있는 두부는 뭘로 이루어져 있을까. 여기 커피는 뭘로 이루어져있을까. 커피믹스와 물을 섞었으니까 그 두개로 나뉠 거다. 과학이 발달해서 두부를 반으로 쪼개고 또 쪼개면 가장 작은 두부알갱이의 크기를 구할 수 있다. 거기서 더 자르면 더 이상 두부가 아니다. 두부만 이런 게 아니다. 커피믹스 가루, 물은 물론 길거리의 돌멩이, 우리의 머리카락 모든 걸 이렇게 쪼개면 가장 작은 알갱이가 된다.
이걸 최신형 현미경으로 보면 실제 볼 수도 있다. 그런데 더 신기한 것은 이 알갱이들이 모두 '원자'라는 똑같은 알갱이로 만들어져있다는 거다. 사람도 동물도 식물도, 주변에서 볼 수 있는 모든 물건들도 다 원자들이 이어져서 만들어진 것이다. 몇 개씩 몇개의 연결고리로 어떤 각도로 이어지느냐에 따라 우리 피부가 되기도 하고, 물이 되기도 하고, 돌멩이가 되기도 한다.
이 책은 세상에서 가장 조그만한 이 알갱이를 연구한 결과다. 뭐 의미가 있을 수 있냐고 할 수도 있겠지만, 이 연구결과로 왜 물은 딱딱하지 않고 출렁이는지도 설명할 수 있고, 어떻게 엄마가 애를 낳으면 얼굴이 닮아있는지도 알 수 있다. 우리가 맛을 어떻게 느끼느냐도 설명할 수 있다. 이 세상이 어떻게 시작되었는지도 알 수 있다.
양자는 이 원자라는 것의 성격을 설명하기 위한 말이다. 이 작은 알갱이는 우리가 알고 있는 것과는 다르다. 돌멩이 하나와 물결을 생각해보자. 나무로 된 벽에 다가 세로로 두개의 긴 틈을 만들어보자. 돌멩이를 던지면 둘 중 하나의 틈을 지나가서 반대편에 떨어진다. 돌을 100개쯤 던지면 틈이 두개니까 두 무더기가 쌓을 거다. 물을 채우고 파도를 만들어 보자. 물결은 두개의 틈을 다 지나간다. 양자는 우리가 눈으로 보고 있으면 100개를 던지면 돌멩이처럼 두 무더기가 쌓인다. 그런데 우리가 딴데를 보고 있으면 물결처럼 두개의 틈을 다 지나간다.
그러면 양자는 돌멩이인가 물결인가. 과학자들은 우리가 눈으로면 돌멩이고 안보면 물이라고 한다. 말이 안되고 나도 이해는 안가는데 실험을 하면 그렇게 나온다고 한다. 양자는 돌이기도 하고 물결이기도 한 것이다. 이런 특징이 원자들끼리 이어지는데 영향을 주고, 물질들을 만든다.
양자는 순간이동을 하는 것처럼 보인다. 당구대에서 흰 공으로 빨간 공을 쳐보자. 흰 공을 세게 치면 빨간 공이 세게 움직이고, 약하게 치면 흰 공도 조금만 움직인다. 양자에서는 좀 다르다. 흰 공을 약하게 치면 빨간 공은 안움직인다. 조금 더 세게 쳐도 안움직인다. 더 세게 치면 순간 이동해서 저 멀리 가서 가만히 있는다. 거기서 더 세게 쳐도 더 멀리가지는 않는다. 그러다가 정말 세게치면 두배의 거리로 순간 이동해서 가만히 있는다. 이상하지만 연구 결과가 그렇다고 한다. 저 작은 세계는 우리가 이해할 수 없는 세상이다. 이런 연구 결과로 스마트폰 같은데 쓰이는 반도체를 만들 수 있다고 한다.
양자의 또 다른 특징은 돈다는 것이다. 그런데 양자 두개가 짝을 이루는 경우가 있다. 그러면 서로 반대 방향으로만 돈다. 그런데 이게 미리 정해진 게 아니라고 한다. 두 개의 상자에 각각 넣어 놓고 하나를 꺼내면 왼쪽으로 돌고 있다고 치자 그러면 다른 양자는 오른쪽으로 돌 고 있다. 그런데 이게 상자를 열어볼 때 알 수 있다는 거다. 그리고 하나를 봤을 때 다른 하나가 도는 방향은 그때 결정된다고 한다. 참 이상하지만 사실이라고 한다.
아까 말했듯이 나도 이해를 못하고 이걸 머릿 속에 그려볼 수 있는 사람은 없다고 한다. 아무리 똑똑해도 말이다. 과학은 실험해보고 숫자로 공식으로 표현하는데, 그러면 그 결과는 또 다 맞는다.
양자에 관한 연구들은 가장 최신 과학이어서 모르는 사람이 많다. 굳이 이해하려고 하지 않아도 이런 게 있다 정도만 알고 있어도 된다. 그리고 몇 십년 정도 흐르면 이 새로운 연구들로 우리가 몰랐던 세상에 대한 새로운 지식들을 알게 되고 상식도 바뀌게 될 것이다.
