[CBS부산 과학 인사이드] 상식과 직관에 반하는 양자론 오디세이 (1) 양자란 무엇인가①
[CBS부산 과학 인사이드] 상식과 직관에 반하는 양자론 오디세이 (1) 양자란 무엇인가①
  • 조송현 기자 조송현 기자
  • 승인 2022.06.18 12:12
  • 업데이트 2022.06.19 10:26
  • 댓글 0
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https://soundcloud.com/cbs-14609860/220315-1a
https://soundcloud.com/cbs-14609860/220315-1a 과학인사이드 2022.03.29

매주 화요일, 흥미로운 과학 이야기 나눠봅니다.
과학 인사이드
과학교양서 우주관 오디세이 저자인데요. 
웹진 인저리타임 조송현 대표와 함께 합니다.
대표님 안녕하세요?


01. 오늘은 어떤 주제 나눠볼까요?

요즘 교양과학의 최대 화두는 양자역학과 
이와 관련된 기술 혹은 현상인 것 같습니다. 
그래서 '양자론 알파에서~오메가' 혹은 
'양자론 오디세이'라는 타이틀로 
양자론에 대한 얘기 이어서 좀 다뤄볼까 합니다. 


02. 네. 긴장도 되고 기대도 되고 
그렇습니다. 
하나씩 좀 쉽게 풀어가보죠. 
어디서부터 시작을 해야 할까요?


일단 출발은 양자의 개념부터 해야겠죠. 
양자(quantum)란 무엇인가...
양자론은 무엇이고 이게 왜 필요한가? 

요즘 영화 이름에도 양자물리학이란 게 있고, 
양자컴퓨터니 양자통신이니 하며
'양자’라는 말이 자주 들립니다. 
양자의 개념부터 좀 짚어볼까 하는데..

이게 사실 쉽진 않아요. 

좀 쉽게 가려면.. 일단 컴퓨터의 예를 
들어볼 수 있겠는데..
질문 하나 할게요. 

만약
지금 컴퓨터가 사라진다면 어떻게 될까요?
컴퓨터가 생겨나지 않았다면 
우리 사회가 혹은 세계문명은 어떤 상태일까요?


03. 글쎄요. 
세상이 멈춰버리지 않을까요?
컴퓨터 없는 세계.. 상상이 안 됩니다. 

> 그렇죠. 그런데 단언컨데 양자론이 없었다면 
컴퓨터는 생겨나지 못했을 겁니다. 
이 하나만으로 양자론이 
갖는 의미, 중요성.. 어느 정도 전달이 되지 않을까 싶어요. 
양자론은 매우 성공적인 이론일 뿐 아니라 
현대문명을 떠받치고 있는 초석이라고 해도 과언이 아닐 만큼 
폭넓게 응용되고 있습니다. 
20세기 초 양자론이 태동하지 않았다면 
오늘날 인류의 삶의 방식은 지금과는 완전히 달랐을 것입니다. 
그래서 저는 현대문명을 
양자문명이라 부르는 게 마땅하다고 봅니다. 

- 그리고 양자론은 상대성이론과 함께 
현대 물리학의 양대 기둥입니다. 
특히 양자론은 상대성이론과는 
또 다른 우주관을 담고 있습니다. 
따라서 현대문명이 내포한 우주관을 
알기 위해서도 양자론을 알 필요가 있죠. 

 

04. 근데 이게 어려워요. 
가장 단순한 설명도 
알아듣기가 힘들거든요. 
일반인이 접근이 가능한 영역인지
잘 모르겠어요. 

> 사실 전문가들, 물리학자들도 어렵다고 합니다. 
아인슈타인 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.”
라고 말한 적이 있습니다.

- 또 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.

- 심지어 ‘광양자가설’로 양자론 탄생에 결정적인 역할을 한 
아인슈타인도 양자론에 문제를 제기하며 
평생 양자론 수용을 거부했을 정도입니다. 

 

05. 이런 위대한 과학자들도 고개를 .. 다소 위안이 됩니다만, 
양자론이 유독 이렇게 어렵고 까다로운 영역으로 
남아있는 이유는 뭘까요? 

이들이 어렵다고 하는 건, 
양자역학이 이론적으로 불완전하거나 
수학 공식이 난해하기 때문은 결코 아닙니다. 
양자역학은 수학적으로 매우 명료하게 서술되며 
그 이론은 완벽하다고 단언할 만합니다. 
실험적으로 한 치의 오차도 없이 입증되며, 
기술적 공학적 응용도 놀라울 정도입니다.

- 그럼에도 이들이 양자론을 이해할 수 없다는 건, 
양자론이 우리의 상식과 정면으로 대립하기 때문입니다. 
다시 말해 양자론은 
우리의 상식과 직관을 벗어난다는 말입니다. 
양자론은 우리에게 익숙한 우주관(기계론적 우주관)을 바꿀 것을 요구합니다. 
나아가 양자론은 새로운 자연관과 우주관을 제시합니다. 
그걸 금방 받아들이기 쉽지 않은 것이죠.

 

06. 상식과 직관을 벗어난다?
예를 좀 들어주신다면요? 

> 대표적인 게, 연구대상인 ‘객관적 실체’ 
개념부터 문제가 생긴다는 것입니다. 
양자론 이전까지 연구대상인 ‘객관적 실체’는
실험자인 인간의 생각이나 관측에 
독립적으로 고유한 속성을 갖는 것으로 간주됩니다. 
만약 야구공의 무게를 재는 경우를 생각해봅시다. 
야구공은 실험자가 야구공을 저울에 올려놓기 전이나 
저울 위에 있을 때나, 
혹은 그 후에나 모두 꼭 같은 질량과 색깔을 갖습니다. 
두 번 세 번 실험을 반복해도 결과는 꼭 같습니다. 

- 양자역학의 연구대상인 양자는 그렇지 않습니다. 
측정하기 전에는 정확한 속성을 모르고,
단지 측정결과만 확인할 수 있습니다. 
더구나 같은 실험을 반복하면 다른 결과가 나올 때도 있습니다.   

- 또 양자세계에서는 한 물체가 
동시에 두 곳에 존재할 수도 있습니다.

 

07. 한 물체가 동시에 두 곳에 존재한다니..
이건 초능력의 영역 아닌가요?
점입가경인데..
하나씩 그 비밀을 좀 풀어가보죠. 
자.. 가장 기본적인 질문부터 
다시 드려봅니다. 
양자론에서 얘기하는, 
양자가 도대체 뭔가요?

> 대표적인 양자가 전자와 광자라고 하면 
이해가 좀 빨리 되지 않을까 싶습니다. 
양자는 원래 ‘최소 단위 에너지 입자’라는 뜻입니다. 
양자quantum의 quan은 양을 의미하는 라틴어에서 나왔습니다. 
영어 quantity(양)과 어원이 같습니다. 
양자는 보통명사가 됐는데, 
앞에서 말한 광자와 전자, 중성자, 양성자 등 
아원자(원자를 구성하는 입자)를 말합니다.


08. 원자보다 더 작은 입자.. 
누가 이 개념을 처음 만들었나요?


> 19세기의 마지막해인 1900년 
독일 물리학자 막스 플랑크(Max Planck)가 
'양자가설(quantum hypothesis)’을 통해 처음 선보였습니다. 
양자가설이란, 간단히 말하면 
용광로와 같은 흑체로부터 방출되는 열, 
즉 전자기파의 에너지는 극히 작은 ‘에너지 알갱이’로 
구성되어 있다는 가설입니다. 
햇빛과 같은 전자기파(파동)가 에너지 알갱이(입자)라는 생각은 
당시로서는 기상천외한, 황당한 발상이었습니다. 
이런 황당한 발상이 물리학의 줄기를 바꾸고 세상을 바꾼 것이죠. 
플랑크는 이 공로로 1918년 노벨물리학상을 받았으며, 
독일 물리학계의 거장으로 존경받는 인물이 됩니다. 


09. 빛이 알갱이로 구성돼 있다.. 
여기부터 우리 상식에 반하는 거 아닌가요?
이렇게 작디 작은 에너지 알갱이가 
물리학의 판도를 아예 바꿔놓는데..
양자에 
우리가 주목하는 이유는 뭘까요?


> 핵심적인 질문입니다. 
양자 발견의 물리학적 의미는 에너지의 양이 양자의 배수로 존재한다, 
즉 에너지는 불연속적으로 존재한다는 사실입니다. 
예를 들어볼까요? 자루 안에 동전 1원짜리, 10원짜리, 
100원짜리, 500원짜리 동전이 가득 들어있습니다. 
500만원이라고 칩시다. 
단위가 제일 큰 500원짜리부터 덜어냅니다. 
499만9999원을 덜어내니 자루에 1원짜리 동전 하나가 남았습니다. 
자루에는 돈이 0원이 되기 전에 1원이 남은 것입니다. 
동전 단위가 0.5원 혹은 0.2원 같은 것은 없으니 
자루에 담을 수 있는 최소금액은 동전의 최소단위인 1원입니다. 

- 여기서 돈을 에너지로, 동전을 양자로 치환할 수 있습니다. 
양자는 에너지 덩어리가 큰 것도 있고 작은 것도 있습니다. 
그러나 돈의 최소단위가 1원짜리이듯이 
양자도 최소단위가 존재한다는 것입니다. 
0과 최소단위 양자 사이에는 에너지가 존재하지 않는다는 것입니다. 
이 이전 물리학에서는 에너지 양은 덩어리가 아니라 
매끄럽게 연속적인 값을 갖는다고 여겨졌습니다.

- 여기서 양자가설을 조금 들여다보면, 
최소 에너지 알갱이(양자)의 존재는 곧 분할할 수 없는 한계를 의미하며 
따라서 이 세상을 인과적으로 서술하는 데도 
한계가 있을 수밖에 없다는 점을 제시한다. 

- 여기서 직관과 경험에 의해 형성돼온 인과론적이고 
기계론적 우주관과 세계관이 도전에 
직면하게 된다는 예고가 나온 것이다.

 

10. 우리의 직관과 상식이 전부가 아니다. 
눈에 보이지 않는 또 다른 차원의 세계로 
이제 여행을 떠날텐데..
어렵지만 또 흥미롭습니다. 
생각을 유연하게 하고..
열린 마음으로.. 함께 좀 따라나서 보겠습니다. 


자.. 지금까지 과학인사이드, 과학스토리텔러
인저리타임 조송현 대표와 함께 했습니다.
다음 시간도 기대하죠. 
귀한 말씀 감사합니다

<pinepines@injurytime.kr>


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