<과학은 미래를 예측할 수 있는가>
EBS특별기획 “통찰(洞察)” 中
<과학은 미래를 예측할 수 있는가>
EBS특별기획 “통찰(洞察)” 中 - 고전역학과 양자역학 이야기
강 일 송
오늘은 지난 시간에 이어 EBS특별기획 <통찰>의 두 번째 이야기를 해보려고 합니다.
지난번에는 통찰의 유래와 의미, 방법 등에 관한 이야기를 나누었었지요.
이번 시간은 과학에 관한 내용인데, 고전역학과 양자역학, 카오스이론, 불확정성의
원리 등에 관하여 살펴보겠습니다.
과학과 인문학은 대척점에 있다고 흔히 생각하기 쉽지만 결국 학문은 융합되어
가고 있고 그 원리는 비슷함을 보게 됩니다.
한번 보시겠습니다.
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★ 한 치 앞도 모르는 인간
우리가 살아가는 세상은 혼란스럽고 복잡하며 미스터리하다. 한 치 앞도 모르는 게
인간이다. 그러다보니 우리는 끊임없이 미래예측에 목을 맨다.
정부는 틀림없는 미래정책을, 기업은 명확한 수요예측을, 사람들은 정확한 일기예보를
갈망한다. 이런 갈망은 시간을 지배하려는 욕망을 낳았고, 물리학은 복잡한 세상 속에
숨겨진 이치와 법칙을 파헤친다.
★ 고전역학의 관점
영어로는 예측, 예언을 ‘프리딕션,prediction' 이라고 한다 이 영단어는 ’pre- 미리‘와
‘dict, 말하다’라는 뜻이 합쳐져 ‘미리 말한다’라는 뜻을 가지고 있다.
과학은 이론적으로 구축된 체계화된 법칙을 가지고 미래의 결과를 예측하는데, 이러한
예측이야말로 과학자가 하는 가장 주된 활동이라고 볼 수 있다.
갈릴레오가 발전시켰고, 데카르트가 체계적으로 제시했으며, 뉴턴이 완성했다는 고전역학은
힘과 운동의 변화만으로 모든 물체 사이의 관계를 밝혀냈다. 이를 통해 어떤 특정한
시각에 위치와 속도 값만 알면 거의 모든 거시적인 역학 현상을 설명해낼 수 있다.
★ 뉴턴의 운동법칙
뉴턴은 고전역학의 기초가 되는 세 가지 법칙을 밝혔다. 관성의 법칙, 가속도의 법칙,
작용-반작용의 법칙이 그 세 가지이다.
이중 두 번째의 가속도의 법칙을 정리한 공식이 F=ma 이다.
F는 힘, m은 질량, a는 가속도를 의미한다. 이 공식을 통해 이론적으로 운동하는 모든
물체의 1초 뒤, 2초 뒤뿐 아니라 백만 년 뒤의 위치를 알 수 있게 된 것이다.
즉 F=ma 는 과학의 예측 가능성에 문을 연 것이다.
★ 카오스 이론의 탄생
천체를 연구하는 학자들에게 난제가 하나 있었는데, 그건 태양과 지구의 궤도를 찾을 때
가볍게 풀리는 수식이 달이 추가되면 계산 불능의 상태에 빠지는 문제였다.
이를 삼체문제(三體問題)라고 한다.
프랑스의 수학자이자 물리학자인 푸엥카레가 삼체문제의 일반해를 구하는 게 불가능하다는
사실을 입증하면서 해결이 되었는데 이로써 카오스 이론의 예고되었다고 해도 무방하다.
카오스 이론은 미국의 수학자이자 기상학자인 로렌츠에 의해 개념화되었는데, 1961년 기상
현상을 연구하다가 연산 과정에서 1/20만 단위 이하의 수치가 나비의 날개짓 정도에 불과한
사소한 조건으로 여겼지만 몇 달 후에 그것 때문에 완전히 다른 날씨가 될 수 있음을 안
것이다. “베이징의 나비 날개짓 한번이 텍사스에 거대한 토네이도를 일으킬 수 있다.”는
것이다. 로렌츠가 뉴턴 법칙의 ‘빈틈’을 발견한 것이다.
★ 양자역학의 세계
양자역학(quantum mechanics)은 고전역학과 달리 원자의 세계를 주제로 삼는 물리학이다.
우리 눈에 보이지 않지만 원자 역시 크기가 있는데, 10의 마이너스 10승 미터의 크기다.
비유적으로 말해서 동전 하나가 지금 있다고 할 때, 이 동전 하나가 원자라고 한다면
동전의 크기는 지구의 크기에 맞먹는다.
이렇게 작은 원자를 과학자들은 볼뿐 아니라 원자내의 구조도 파악했다. 원자 가운데
핵이라는 부분이 있고, 그 주위에 전자라고 부르는 입자가 있다. 처음에 원자 구조 내에도
케플러의 법칙 같은 게 있지 않을까 생각했다. 하지만 놀랍게도 이 원자 시스템은 우리가
알고 있던 어떤 고전역학으로도 설명할 수 없다는 결론에 도달하게 된다.
왜 원자는 소멸되지 않고 이 세계를 지탱하고 있을까? 원자핵과 전자는 왜 충돌하지 않을까?
고전역학으로는 도저히 풀 수 없었던 이 질문은 지독히도 과학자들을 괴롭혀 왔는데,
덴마크의 물리학자 닐스 보어(1885-1962)가 역사상 전대미문의 이론을 만들어 1922년 노벨
물리학상을 수상한다.
보어는 정상상태와 양자도약이라는 개념으로 이러한 난제를 설명했는데 학계는 논쟁으로
들끓었고 누군가가 이 어지러운 상황을 빨리 종결시켜 줄 필요가 있었다.
★ 하이젠베르크의 불확정성 이론
그 해결사로 등장한 것이 바로 독일의 물리학자 하이젠베르크(1901-1976)였다.
보어의 이론이 나온 지 12년이 지난 후, 그는 불확정성의 원리를 들고 나와 난제를
해결하게 된다. 양자의 기초를 확립하고 불확정성의 원리와 원자핵의 구조를 밝힌
공로로 그는 1932년 노벨 물리학상을 수상했다.
그는 고작 24살 때 이 문제를 해결했는데, 인류 역사상 물리학에 있어 가장 놀라운
도약을 한 것이라고 평가받는다. 이 이론은 과거의 모든 구축된 이론을 벗어나서 직접
측정할 수 있는 값만 가지고 새로운 이론을 만든 것이었다.
물리학이 절대법칙에서 확률로 넘어가는 순간이었다.
★ 확률로만 존재하는 세상
양자역학에서 일어나는 사태는 어찌보면 모두 ‘우연히’ 일어나는 일이며, 여기서 발생
하는 물리량은 ‘확률’로만 존재할 수밖에 없다. 세상은 해프닝이다.
오늘날 다수의 물리학자들은 하이젠베르크의 불확정성의 원리를 수용했다.
당시 덴마크의 코펜하겐에 있는 연구소에서 보어와 하이젠베르크가 실험을 통해
정립했다고 해서 사람들은 이 이론을 ‘코펜하겐 해석’이라고 부르고 있다.
나아가 코펜하겐 해석을 보완하기 위해 다-세계,many-worlds를 상정하는 학자도 있다.
측정을 하면 그 중 하나만 나타나고 다른 확률의 우주는 사라진다는 것!
이 해석에서는 여러 개의 우주가 공존한다. 나는 그 중에 우연히 한 쪽에 살고 있을 뿐!
그럼 지금 내가 살고 있는 세계가 아닌 다른 세계에 살 확률도 있었다는 것이다.
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오늘은 "통찰" 시리즈 중 과학, 특히 고전역학과 양자역학에 관한 이야기를 한번
들어보았습니다.
과학은 자연을 이해하고자 하는 마음에서 그 원리를 찾고 그것을 정리한 내용이라
할 수 있겠지요. 한 치 앞을 알 수 없는 현실에서 미래를 예측하고 이에 대비하여
생존하기 위한 방편이었습니다. 그래서 Pre-dict , 미리 말하는 것, 예측이 과학의
임무였다고 저자는 말하고 있습니다.
고전 역학의 완성자인 뉴턴의 가속도의 법칙에 의해 미래를 예측 가능하리라고
희망에 부풀었지만, 다양한 문제점들이 발견이 되면서 카오스 이론이 등장하고
원자의 내부까지 들어가게 되자 과학계는 완전 혼란에 빠지게 됩니다.
원자 내부의 전자 운동이나 미립자들의 운동은 전혀 고전역학의 케플러 법칙등과
무관하게 움직였고, 이를 해결하기 위해 닐스 보어가 정상상태, 양자도약이라는
파격적인 이론으로 노벨상을 수상했지요. 하지만 보어의 이론을 완성시켜 준
것은 24살의 젊은 천재 하이젠베르크였습니다. 그는 물리학을 절대법칙에서
확률의 영역으로 바꾸었고, 독일의 대학 사상 최연소 교수가 되며, 노벨상도
수상합니다.
양자역학은 물리학자들조차도 너무나 이해하기가 어려운 학문이라 합니다.
딱 짜여진 고전역학의 법칙들과 전혀 무관하게 움직이기에 이를 확률로서밖에는
이해하기가 힘들다하지요.
이 지점에서 어떤 학자들은 양자역학이 장자의 철학과 유사하다고 말하기도 하고,
불교의 영원, 억겁의 원리가 들어있다고도 합니다.
카이스트의 김대식 교수가 "과학이 곧 철학이다."라고 했던 것이 바로 이런 연유에
서이지 않을까 생각해봅니다.
확률로 존재하는 세상은 또 다른 세상이 존재함을 말한다고도 이야기되고 있고
현재 세상은 초월적인 존재에 의한 시뮬레이션 세상이라고도 합니다.
따라서 현대 과학이 발달할수록 우리가 눈에 보이는 세상이 다가 아님을 알 수가
있고, 다양한 학문이 융합되고 중첩되어가고, 이를 통합적으로 보는 시각을
가져야만 이 세상을 바로 보는 힘이 길러지지 않을까 생각해봅니다.
감사합니다.
