우주관 오디세이 - 세기의 보어-아인슈타인 논쟁 라운드 21930년 제6차 솔베이회의에서 아인슈타인은 양자역학을 반박하는 두 번째 사고실험을 제시했습니다. 공격 대상은 이번에도 불확정성 원리였습니다. 물론 궁극정인 목적은 양자역학의 불완전성을 밝히기 위한 것이었습니다.아인슈타인의의 공격아인슈타인은 이번에도 천재성이 번뜩이는 사고실험을 내놓았습니다. 아래 과 같은 상자를 상상합니다. 상자에는 작은 구멍이 하나 있는데, 셔트를 통해 그 구멍을 열고 닫을 수 있습니다. 그리고 그 셔트를 열고 닫는 시간 간격은 상자 안의 시계에 의

우주관 오디세이 - 세기의 보어-아인슈타인 논쟁 라운드 1닐스 보어는 1927년 9월 이탈리아 코모호수가에서 열린 코모회의에서 코펜하겐 해석을 공식 제안한 데 이어 한 달 뒤 당대 최고의 물리학술대회인 솔베이회의의 제5차 대회에서 코펜하겐 해석을 받아들이도록 물리학자들을 설득하는 데 성공하였습니다. 그는 물리학자들을 일일이 찾아다니며 코펜하겐 해석의 논리를 끈질기게 설명하고 납득시켰습니다. 보어는 물리학자들을 붙잡고 ‘한 마디만 하자’며 새벽까지 열변을 토하는 게 보통이었다고 합니다.그러나 양자론의 기초를 다졌던 아인슈타인과 슈뢰딩

우주관 오디세이 - 상보성 원리상보성 원리(complementarity principle)는 양자론의 철학적인 기둥입니다. 상보성 원리는 대립적인 두 개의 물리량이 상호보완하여 하나의 사물이나 세계를 형성한다는 것입니다. 이 우주는 서로 대립하면서 보완하는 불가분의 구성요소에 의해 성립되어 있다는 것입니다.따라서 원자세계를 이해하려는 입장에서 상보성 원리를 말하자면, ‘고전물리학적으로 상호 배타적인 개념이 양자물리학적인 세계를 이해하는 데는 상호보완적인 역할을 한다’는 것이라고 할 수 있습니다.상보성 원리는 하이젠베르크의 불확정성

우주관 오디세이 - 불확정성 원리“하이젠베르크의 불확정성 원리 이후 이뤄진 모든 이론물리학의 새로운 발견은 불확정성 원리의 재해석에 불과하다.”아인슈타인 이후 최고의 천재 물리학자라는 평가를 듣는 파인만의 말입니다. 불확정성 원리의 물리학사적 평가라고 할 수 있는데, 이 원리의 영향력이 그만큼 깊고 넓다는 뜻일 것입니다.명불허전이라, 불확정성 원리는 고전역학과 양자역학을 가르는 이정표이자 가장 은밀하면서도 가장 신비로운 자연의 속성이 아닌가 합니다.그렇다면 하이젠베르크는 이처럼 엄청난 비밀을 어떻게 발견하게 되었을까요?하이젠베르크가

우주관 오디세이 - 파동함수가 기술하는 것은 무엇인가?슈뢰딩거 방정식의 해인 파동함수가 기술하는 것은 무엇일까요? 슈뢰딩거는 드 브로이의 물질파 가설을 전제로 파동방정식을 만들었습니다. 드 브로이 가설에 따르면 전자는 파장의 정수배에 해당하는 궤도에 ‘퍼진 상태’로 존재하는 파동입니다. 이런 전자의 운동 상태가 파동함수로 기술된다면 전자는 파동처럼 펼쳐져 있다는 것일까요?하지만 전자는 어디까지나 입자이며, 구름처럼 펼쳐져 있는 걸 본 적이 없습니다. 그렇다면 전자의 운동을 기술한 파동함수는 도대체 뭘 말하는 걸까요?다시 말하면 전자

우주관 오디세이 - 슈뢰딩거와 파동방정식양자역학의 두 가지 형식 중 하나인 하이젠베르크의 행렬역학의 탄생지가 북해의 헬골란트 섬이라면 슈뢰딩거의 파동역학이 태어난 곳은 스위스 알프스 산자락의 휴양지 아로사(Arosa)입니다. 그런데 건초열병에 걸린 하이젠베르크가 요양 차 헬골란트 섬에 간 데 비해 슈뢰딩거는 밀회를 즐기기 위한 휴양 차 아로사를 찾았습니다.슈뢰딩거가 아로사에서 파동방정식을 유도할 당시 부인이 아닌 한 여인과 함께 있었다는 사실은 물리학사에서 너무나 유명한 일화니다.슈뢰딩거는 대단한 학문적 업적만큼이나 화려한 여성 편

우주관 오디세이 - 드브로이의 물질파빛의 입자-파동 이중성을 현실적으로 부정할 수 없게 됨에 따라 많은 물리학자들은 이 외견상의 상호모순은 원자물리학의 본질적인 속성이라고 믿기 시작했습니다. 그래서 입자인 빛이 파동의 성질을 갖고 있다면 전자와 같은 다른 입자들도 파동성을 가질 수 있지 않을까 하는 기묘한 생각을 하게 된 것입니다.프랑스의 귀족 가문의 물리학자 드 브로이(Louis de Broglie, 1892~1987)는 1924년 빛의 파동-입자 이중성을 물질의 기본입자인 전자에까지 확대하는 획기적인 발상을 시도했습니다. 그는

우주관 오디세이 - 하이젠베르크와 헬골란트 섬1900년 플랑크의 에너지 양자로부터 시작된 양자론(양자역학)의 싹은 아인슈타인의 광양자 가설에 이어 보어가 이를 원자모형에 적용시키면서 서서히 모습을 드러냈습니다. 원자가 방출하는 스펙트럼의 정체와 메커니즘을 규명하는 연구는 ‘보어-좀머펠트 원자 모형’을 탄생시키는 성과를 거두기도 했습니다.그러나 아직 풀리지 않은 중요한 문제는 스펙트럼의 강도였습니다. 물론 전자가 특정 궤도에서 언제, 어디로 전이(점프)하느냐는 문제도 아직 풀리지 않은 상태였습니다. BKS(Bohr-Kramers-Sl

우주관 오디세이 - 설익은 양자이론 BKS이론 닐스 보어(Niels Bohr)는 플랑크의 양자 개념과 아인슈타인의 광양자 개념을 적용해 원자의 스펙트럼과 구조를 설명한 ‘보어 원자모형’으로 1922년 노벨물리학상을 받았습니다. 그런데 광양자 가설을 내세워 ‘광전효과’ 메커니즘을 규명한 아인슈타인도 1921년도 노벨물리학상 수상자로 선정되어 그 해에 보어와 함께 노벨상을 수상했습니다.두 거장의 노벨상 수상으로 광양자는 물리학계 초미의 관심사가 되었습니다. 그런데 아인슈타인과 보어의 광양자 개념에 대한 태도는 극명한 대조를 보였습니다.

우주관 오디세이 - 양자도약러더포드가 1911년 알파입자 산란을 통해 원자핵을 발견한 것은 원자 연구의 큰 걸음이었습니다. 원자는 작지만 질량의 대부분을 차지하는 원자핵이 중앙에 있고 그 주위를 전자가 도는 모양, 행성들이 태양 주위를 도는 태양계 모양으로 여겨졌습니다. 그래서 러더포드 원자모형은 태양계로 비유되고 ‘태양계 원자모형’이라고 불리게 되었습니다. 하지만 이것은 곧 원자에 대한 새로운 의문들을 던져주었습니다.전자는 원자핵 주위를 돌아야 합니다. 그러지 않으면 전기적인 인력에 의해 전자가 원자핵에 끌려들어가 붙어버릴 테니까

우주관 오디세이 - 양자론의 아버지 닐스 보어양자론 하면 물리학자 단연 닐스 보어(Niels Bohr)를 떠나 생각하기 힙듭니다. 보어는 ‘양자론의 아버지’라 불립니다. 그는 원자 모형 연구를 통해 양자역학의 기초를 닦았을 뿐 아니라 ‘코펜하겐 학파’의 리더로서 양자론의 완성에 결정적인 역할을 했기 때문입니다. 보어는 양자역학의 표준해석인 ‘코펜하겐해석’을 주도함으로써 상식과 직관에 반하는 양자론을 철학적으로 정립했습니다. 따라서 보어의 철학을 살펴보는 것은 양자론을 이해하는 데 큰 도움이 될 것입니다.보어는 아인슈타인과는 상반된

우주관 오디세이 - 러더포드의 원자핵 발견물체는 열을 받아 타면서 빛을 냅니다. 상식으로 여겨졌던 이 현상은 19세기 말 원자에 대한 연구가 본격화되면서 새롭게 조명되기 시작했습니다. 모든 물체는 원자의 집합입니다. 따라서 물체가 빛을 내는 상식적인 현상으로부터 ‘원자가 내는 빛은 무엇인가?’라는 질문을 하게 된 것입니다. 이 질문은 곧 원자 구조에 대한 연구로 이어졌고, 수많은 천재 물리학자들에 의해 양자역학의 완성으로 귀결되었습니다.원자가 방출하는 빛은 묘한 규칙성을 띠었습니다. 이를테면 수소원자가 내는 가시영역 빛의 스펙트럼을

우주관 오디세이 - 빛의 이중성빛이 입자인가 파동인가 하는 빛의 입자-파동 논쟁은 아이작 뉴턴 시대(17, 18세기)까지 거슬러 올라갑니다. 뉴턴의 빛에 관한 연구는 잘 알려져 있습니다. 그는 빛을 입자의 흐름이라는 결론을 내렸습니다. 이에 반해 네덜란드의 물리학자 하위헌스(Christian Huygens)는 빛이 파동이라고 주장했습니다. 당시에는 뉴턴의 명성이 워낙 높던 터라 빛의 입자설이 우세했습니다.그러다가 1802년 영국의 의사이자 아마추어 물리학자인 토머스 영(Thomas Young)이 그 유명한 ‘영의 실험’을 통해 빛의

우주관 오디세이 - 광양자 가설20세기의 여명과 함께 벼락처럼 등장한 막스 플랑크의 '양자 가설'은 흑체복사 문제를 잘 해결해 주었지만 ‘도대체 양자란 무엇인가’라는 새로운 의문을 던져주었습니다. 모든 사람들, 심지어 제안자인 플랑크 자신마저 양자 가설에 의구심을 떨치지 못하고 있을 때 한 젊은 물리학자만은 이를 진지하게 수용했습니다. 그가 바로 혁명적인 천재 앨버트 아인슈타인입니다.아인슈타인에 의해 플랑크의 양자 가설은 탄생한 지 5년 만에 새로운 방향으로 발전하게 되었습니다. 아인슈타인은 물리학사에서 ‘기적의 해’

우주관 오디세이 - 플랑크 상수의 의미세계 물리학계를 곤경에 빠뜨린 ‘흑체복사의 무한대 에너지’ 문제는 19세기의 마지막해인 1900년 마침내 해결되었습니다. 독일 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)가 획기적이면서 황당한 가설, 즉 흑체로부터 방출되는 전자기파의 에너지는 극히 작은 ‘에너지 알갱이’로 구성되어 있다는 ‘양자 가설(quantum hypothesis)’을 세워 말끔하게 풀어낸 것입니다.플랑크는 이 공로로 1918년 노벨물리학상을 받았으며, 독일 물리학계의 거장으로 존경받는 인물이 됩니다. 그런데 플랑크의 물리학

우주관 오디세이-용광로에서 탄생한 양자역학 원자와 양성자 전자 등 미시세계의 운동 양태를 설명하는 이론이 곧 양자역학입니다. 그런데 정작 양자역학을 탄생시킨 결정적인 계기는 원자물리학과는 거리가 먼 열복사 문제, 정확하게 말해 흑체복사(黑體輻射, blackbody radiation) 문제였다는 사실은 아이러니가 아닐 수 없습니다.색깔을 보고 온도를 감으로 알아맞히다흑체복사가 문제가 됐던 것은 시대상황과 무관하지 않습니다. 19세기 중엽 철혈재상 비스마르크의 독일에서는 제철업이 융성하던 시대였습니다. 용광로에 석탄과 철광석을 녹여서

우주관 오디세이 - 원자론 논쟁과 양자론의 여명19세기 말 마흐(Ernst Mach)와 볼츠만(Ludwig Boltzmann)의 '원자론 논쟁'은 물리학사의 중요한 사건으로 기록되고 있습니다. 볼츠만은 이 논쟁에서 충격을 받아 안타깝게도 스스로 목숨을 끊었으나 그의 원자 가설은 사실로 증명되었고 불후의 공식으로 남았습니다.사실 ‘원자론’ 논쟁의 역사는 매우 깊습니다. 기원전 4~5세기 그리스 철학자 레우키푸스(Leucippus)와 그의 제자인 데모크리투스(Democritus)가 제안한 원자 가설은 ‘이 세상은 원자와

우주관 오디세이-상식과 직관에 반하는 양자역학아인슈타인 이래 가장 뛰어난 물리학자란 평판을 얻은 노벨물리학상(1965년) 수상자 리처드 파인만(Richard Feynman)은 “양자론을 이용할 수 있는 사람은 많아도 양자론을 정말로 이해하고 있는 사람은 한 사람도 없다.”고 말한 적이 있습니다.양자론의 대부인 닐스 보어(Niels Bohr)도 “양자론에 쇼크 받지 않는 사람은 양자론을 모르는 사람이다.”고 했습니다. 이들 두 물리학자의 말은 결국 양자론이란 그만큼 이해하기 어렵다는 의미로 해석됩니다.양자론은 매우 성공적인 이론일 뿐

우주관 오디세이-상대성이론 오해일반상대성이론이 1919년 영국의 천체물리학자 에딩턴의 일식실험에 의해 사실로 확증되자 아인슈타인은 갑자기 세계에서 가장 유명한 과학자가 되었습니다. 아인슈타인은 1921년 미국을 처음 방문했을 때 자신에 대한 미국인들의 엄청난 관심에 당혹감을 느꼈다고 합니다.특히 재미있는 사실은, 아인슈타인에게 열광하는 미국인 대부분은 그가 상대성이론을 창안한 과학자라는 사실을 모른다는 것입니다. 오죽했으면 아인슈타인이 이 같은 미국인들의 열광에 대해 ‘정신병리학적’이라고 촌평했을까요.당시 미국에서는 상대성이론 관한

우주관 오디세이-아인슈타인의 철학적 견해아인슈타인은 인간의 의식과 독립적인 객관적인 실재가 있다고 믿었으며, 또한 그것은 이해가능하다고 믿었습니다. 그렇다면 그 실재를 파악하고 이해하기 위한 방법은 무엇일까요? 앞에서도 잠시 보았듯이 아인슈타인은 경험과 이성 활동을 병행해야 한다고 생각했습니다.우리는 경험주의와 합리주의(이성론)의 의미를 알고 있습니다. 실재를 파악하는(인식의) 수단으로 경험에 의존하는 것이 경험주의이며, 순수한 사유만으로 도달할 수 있다는 것이 합리주의입니다.이들 철학의 연원은 깊습니다. 고대 플라톤이나 아리스토텔