408 보이는 것이 전부가 아니다
양자역학을 대하는 마음 가짐
일전에 양자 역학에 대한 기본으로 세상은 디지털이라는 이야기를 했습니다.
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세상 모든 것은 작은 것들이 뭉쳐져서 만들어졌다는 것은 거의 확실한 것 같습니다. 돌도, 인간도, 별도.
이것을 받아들였다면 양자역학을 알기 위해 조금 더 받아들여야 하는 것이 있습니다. 보이는 것과 너무 다른 이야기를 받아들이기 위해서는 준비를 좀 해야 합니다. 놀랍게도 양자역학의 해석은 각자 달라도 그 현상만큼은 정확하게 맞아떨어지고 있습니다. 양자역학 공식이 틀렸다면 지금의 반도체의 발전을 상상할 수 없었을 것이며, 상용화는 아직 멀었지만 최근에 양자 컴퓨터도 작동을 했다는 것을 보면 현재까지 그 현상이 존재하는 것만큼은 틀림없어 보입니다.
아리스토텔레스의 4원소설과 뉴턴 역학을 다루었었습니다.
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4원소설은 세계를 4개의 원소의 조합이라는 틀로 설명하고 일어나는 모든 현상을 틀에 맞춰서 설명했다는 의미에서 과학의 범주에 있었다고 할 수 있습니다. 하지만 제대로 된 과학은 역시 뉴턴 역학부터라고 할 수 있습니다. 지금은 학교 교과과정에서 배우기 때문에 당연하게 이해하고 있지만, 우리에게 일어나는 현상을 직관적으로 해석하기에는 아리스토텔레스의 방식이 오히려 더 분명해 보입니다.
뉴턴 역학의 핵심은 물체에 작용하는 힘이 없으면 그 상태를 유지하고, 힘이 생기면 가속한다는 것입니다. 만약 이 내용을 몰랐다면 우리는 우리가 보는 세상을 매우 다르게 해석할 것입니다. 어떤 움직이는 물체라도 아무런 힘을 주지 않으면 멈춥니다. 정지해 있는 벽을 아무리 밀어도 가속하지는 않죠. 일상에 어떤 일도 뉴턴 역학으로 설명하는 것은 부자연스럽습니다. 기존 이론의 모순을 관찰하여 뛰어난 직관으로 힘의 작용에 대해 알아내었기 때문에 뉴턴은 역사에 남는 대과학자가 되었습니다. 진공에 가까운 우주로 날린 보이저 2호가 연료가 없음에도 계속 항해하는 것을 보면 뉴턴 역학은 분명합니다. 물론 만화를 보면 가속을 하지 않는 로켓이라도 꽁무니에서는 계속 불꽃이 뿜어지지만 그건 만화죠. 산소가 없는데 불꽃이 생기는 것부터가 이상..... 그만하겠습니다ㅋ
상대성 이론은 우리가 보는 세상을 더욱 상식에서 멀어지게 만들었습니다. 앞에서 나온 바와 같이 시간과 공간이 서로 얽혀서 함수관계를 나타낸다느니, 빨라지면 질량이 증가하는 등 일상에서 볼 때는 말도 안 되는 소리를 하고 있습니다. 아직 다루진 않았지만 일반 상대성 이론으로 넘어가면 중력은 공간이 휘어진 것이라는 괴상한 소리까지 합니다. 그럼에도 불구하고 상대성 이론이 옳다는 증거는 계속해서 최근까지도 나오고 있습니다. 지금은 많은 사람들이 자세히는 몰라도 시공간의 개념을 교과서에서 배우고 받아들이고 있기도 하고요.
양자역학은 더 괴상한 소리를 합니다. 많은 분들이 슈뢰딩거의 고양이가 죽었니, 살았니 하거나, 중첩 상태가 어쩌고 하는 소리를 들어보셨을 것입니다. 유명한 과학자들이 그렇다니까 그런 줄 알고 넘어갔겠지만, 사실 과학자들도 양자역학에 대해 확실한 해석이 있는 것이 아니며 의견이 갈리고 있습니다. 하지만 앞에서 이야기한 바와 같이 그 현상만큼은 분명히 일어나고 있고 공식은 정확하게 들어맞고 있습니다. 때문에 오히려 전공자들은 이 의미에 대해 생각을 많이 하지 않는다고 합니다. 정확한 공식을 계산하고 응용하는 것만 해도 벅차기 때문이죠. 양자역학에 대해 의문을 가지는 대학원생에게 하는 유명한 대답으로 "Shut up and Calculate!"(입 닥치고 그냥 계산해)라는 말이 있을 정도입니다. 오히려 생각할 시간은 평범한 사람들에게 더 많습니다.
지구 평면설을 주장하는 사람들에게는 우주로 나가서 지구를 보여주면 가장 확실한 증명이 될 것입니다. 화성에 생명체가 사는지 알아보려고 많은 무인 우주선을 보냈지만, 실제로 생명체가 근처에 있다 해도 로봇이 생명체를 판단하는 것이 매우 어렵습니다. 가장 쉽게 생명체를 알아볼 수 있는 방법은 사람이 가서 직접 보면 됩니다. 사람의 직관은 생각보다 강력합니다.
하지만 실제로 우리가 본다고 하는 것은 우리의 눈에서 나간 빛이 물체에 닿아 흡수되지 않고 반사되는 빛을 받아서 인식을 하는 것이라 합니다. 빛은 질량이 없지만 에너지를 가할 수 있기 때문에 물체에 영향을 줍니다. 물론 우리가 보는 어떤 물체에 아무리 눈을 부릅 떠봐야 매우 작은 에너지가 발사되기 때문에 아무런 영향을 주지 못하겠지만, 아주 작은 세계에서 이러한 작은 에너지는 상당히 많은 변화를 만들어냅니다. 우리가 어떤 것을 관측할 때 그 어떤 것의 상태는 변할 수밖에 없기 때문에 어떤 것의 상태를 알 수 없다. 이것이 이름도 멋있는 하이젠베르크의 불확정성의 원리입니다.
여기까진 그럴듯합니다. 우리가 노려봐서 염력으로 물체를 띄우고 할 수는 없는 것은 분명해 보이지만, 아주 작은 세계에서는 영향이 있을 수도 있다는 것은 직관적으로도 받아들일 만합니다. 이제 받아들이기 힘든 개념을 이야기하겠습니다. 일단 이 현상은 확실하게 관측이 된 것이니만큼 일단 받아들이고 생각을 하는 것이 좋습니다. 바로 세상 모든 물질은 관측되기 전에는 파동 상태이다가 관측이 되면 입자가 된다는 것입니다.
무슨 말인지 잘 모를 수 있습니다. 관측의 개념도 모호하고, 파동 상태가 무엇인지도 잘 모를 수 있지만, 일단 개념적으로 우리가 보고 있는 물체는 보기 때문에 존재한다고 생각해둡시다. 물론 이 말도 정확한 표현은 아니지만 일단 이렇게 알고 넘어가야 무리 없이 더 자세한 설명을 받아들일 수 있습니다. 최고의 천재 아인슈타인조차 "저 달을 보기 전까지는 존재하지 않는다는 말이냐?"라고 반문하며 이러한 사실을 받아들이지 않은 것을 보면 얼마나 받아들이기 힘든 개념인지를 알 수 있습니다. 뉴턴은 세상이 움직이는 원리가 우리의 직관과 다르다는 것을 알아냈고, 아인슈타인은 더 심하게 직관을 왜곡시켰다면, 양자 역학은 우리가 보는 모든 것이 보이는 대로 있는 것이 아니라고 말하고 있습니다.
