| 양자론은 20세기 초 물리학을 뒤흔든 두개의 주류 중 하나이다. 상대성이론이 이름만 일반인들에게 잘 알려져 있는것에 반해, 양자론은 그 이름조차도 잘 알려져있지 않다. 이 책은 그런 양자론에 대해서 그림을 사용하여 무척 재미있게 묘사하고 있다. 일반인에게 이 책을 추천하고 싶냐면, 그렇지는 않다. 별을 네개나 준 이유는 쉽게 설명했기 때문이 아니라, 일반인에게 전달한다는 미명아래 사실을 왜곡한 부분이 없이, "아주 정확한 사실만을 전달"했기 때문이다. 그래서 보기보다는 쉬운 책은 아니라고 말하고 싶다. 이 책을 읽고 양자론이 무엇인지에 대해서는 알기 어려울 것이다. 양자론에 대해서 공부하다가 잠시 뭐가 어떻게 된건지 정리를 해보고 싶을 때 읽어볼만한 책이고, 그런 용도로는 적절하다. |
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하이젠베르크를 읽다가 새삼 양자론이 정확하게 무엇이었던가 다시 찾아보려 손에 들었던 책인데 내친김에 다 읽었다. 만화와 사진이 주종을 이루기에 분량이 많지는 않다. 그러나 일반인이 가볍게 읽는 것은 제법 무리있어 보인다. 수식과 그래프가 너무 많아 이해하기 어렵다. “하룻밤의 지식여행”시리즈 중의 하나인데 다른 시리즈도 이렇다면 하룻밤에 보는 것은 가능할지 모르나 이해까지 바랄 순 없겠다.
고전물리학은 실험과 관찰을 통해 이론을 검증하는 방식이다. 고전물리학에서는 다음 몇가지의 기본가정이 있는데 이는 절대적 진리로 여겨졌다.
1)우주는 절대시간과 절대공간의 틀에 있는 복잡한 기계와 같다. 2)모든 일에는 원인과 결과가 있다. 3)결정론은 완벽하다. 4)빛의 성질은 맥스웰의 전자기파이론으로 완벽히 설명되었다. 5)에너지는 입자이거나 파동이거나 둘중 하나다. 이러한 사실들은 뒤에 모두 부정되었다.
막스플랑크는 에너지가 양자단위로 존재한다는 것을 밝혀 양자론을 탄생시켰다.(1900) 아인슈타인은 빛의 광양자설을 주장하였다. 즉 빛이 입자라는 사실을 밝혔다. 19세기말 원자속에 전자가 있다는 것이 밝혀지고 이후 러더퍼드는 원자핵은 전체 원자공간의 10억분의 1에 불과하다는 사실을 알아냈다. 1909년 아인슈타인은 다시 빛은 파동과 입자의 두 성질을 가졌을 것이라고 예측하였다. 하이젠베르크는 에너지는 양자화되어있고 시간에 독립적이라는 사실을 주장했다. 이는 p×q는 q×p가 아니라는 곱셈 교환법칙의 부정으로부터 출발했다. 입자와 파동으로는 원자를 설명할 수 없다고 생각한 하이젠베르크에게 막스보른이 확률개념을 도입하여 조화의 실마리를 찾아냈다. 그뒤에 폴 디랙은 빛의 파동 입자 연구에 양자론을 도입하여 입자의 입장에서 보면 입자로, 파동의 입장에서 보면 파동으로 나타난다는 놀라운 사실을 발견했다. 1927년 하이젠베르크는 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없다는 유명한 불확정성의 원리를 발표하였다. 불확정성의 원리는 결정론을 붕괴시켰다. 곧이어 닐스 보어가 물체의 성질을 정확하게 이해하기 위해서는 파동의 성질과 입자의 성질에 대한 이해가 모두 필요하다는 상보성의 원리를 발표하였다. 보어는 양자론을 통합하였다. 보어는 불확정성의 원리와 슈뢰딩거의 파동방정식, 자신의 상보성의 원리를 종합하여, 측정이 이루어지기 전까지는 원자계의 값은 결정되지 않았으며 다만 어떤 확률값의 가능성만을 가질 뿐이다 라고 결론내렸다. 이를 코펜하겐 해석이라고 한다. 양자론의 실험과 논쟁은 아직도 진행중이다. 그러나 현재까지 물리학의 성과는 양자론의 실패에 대한 결정적 증거는 없어보인다. 양자론의 가장 큰 가치는 물리학자들에게 미친 영향이 아니라 지금 이세상을 살고있는 평범한 우리들에게도 큰 영향을 미쳤다는 점이다. 즉 인과율과 결정론의 붕괴, 진리는 단 하나가 아니라는 사실, 의식과 대상물체와의 뗄 수 없는 관계 등이 그것이다. 우리가 과학이라고 믿었던 진리가 과학이 아니고 진리도 아니라고 밝혀진 상태가 바로 양자론의 상태다. 우리는 이제 모든 절대적 도그마에서 벗어날 때가 되지 않았는가?
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책 첫머리에 하룻밤이면 다 읽을 수 있다는데 장말 하룻밤(사실은 하루낮)만에 다 읽게 되었다. 양자역학에 대한 지식이 없는 나도 하루에 다 읽을 정도이니 그렇게 내용이 풍부하다고 할 수는 없으나 적으로 이책의 각 페이지를 채우는 내용들은 전달하고자 하는 바를 빠짐없이 이해시켜 주기 때문에 어설픈 반역의 해설집보다 더 많은 내용을 얻는 것 같다.
이 책의 장점은 위에 말했듯이 쉽고 흥미진진하게 분위기와 느낌을 잘 전달한다는 것이고(비록 내용에 대한 깊은 설명은 없지만), 굳이 단접을 말하자면 구양자학에 너무 많은 지면을 할애하고 하이젠베르그 이후에는 서둘러 마감하는 듯한 느끼이 든다는 것. (사실 코펜하겐 해석 불확정성의 원리같은 메타물리학적인 해설을 듣고 싶었다.) [인상깊은구절] 디랙의 이 연구가 발표되고 나서 빛의 파동 입자 이중성은 그 수학을 이해할 수 있는 사람들에게는 더 이상 역설이 아니게 되었다. 벨의 부등정리 EPR 역설이 등장한 후 30년동안 이 중요한 문제는 아무런 진전이 없었다. 물리학자 벨은 부등정리를 개발하는데 이는 모든 사람이 동의할 수 있는 일부 사실들과 개념을 사용했다. 다만, 아인슈타인이 진실이라고 생각하는 국지성 조건은 제외했다. 만일 시험결과가 부등원리가 깨어지는 것으로 나온다면, 그의 전제 중 하나가 잘못되었다는 것을 의미한다. 벨은 그것은 자연은 비국지적이라는 것을 의미하는 것으로 해석했다. 1978년에 버클리 대학에서 존 클로저(John Clauser) 1982년 파리에서 알랭 아스펙(Alain Aspect) 팀이 행한 실험은 벨의 부등정리가 깨어짐을 증명해 주는 것처럼 보였다. (붉은 색 부분은 잘못 된 것을 보여짐. 벨은 아인슈타인의 실재성이 분리성(Separability)과 국소성(Locality)의 원리에 근거한다는 것을 밝혀내고 분리성과 국소성을 포함하는 자연법칙이 만족해야 하는 일반원리의 부등식을 개발했고 실험의 결과는 부등식이 만족하지 않는 것으로 보여지므로 분리성과 국소성 중에 하나는 잘못된 것으로 파악했다고 하네요.) |
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머리 좋은 사람들은 대머리란 말인가.. 어째 저리들 머리들을 내밀고 계시는지.. 여튼.. 양자론은.. 원자와 전자, 핵, 입자, 광자 등.. 물리학 여러 개념들을 알기 쉽게 그림도 그려놨다.. 그림이 좀 .. 뭐랄까.. 4B 연필이나.. 목탄 같은거로 대충 그렸단 생각도 들지만... 역시 하룻밤만 투자하면 된다.. |
