【 우연에 가려진 세상 】 - 생각실험으로 이해하는 양자역학

_최강신 (지은이) | Mid(엠아이디) | 2018-01-18

이 책의 키워드는 부제에도 나타나있듯이 ‘양자역학’이다. “아무도 양자역학을 이해하지 못한다고 말해도 괜찮다고 생각한다.” 리처드 파인만이 한 말이다. 그러니까 전공자가 아닌 이상(전공자라고 모두 이해한다고 생각할 수는 없지만)양자역학을 충분히 이해하지 못한다고 해서 기죽지 말라는 이야기다.

의외로 우리의 일상 속에 양자역학은 깊숙이 자리 잡고 있다. 단지 우리가 의식을 못하거나 안하고 있을 뿐이다. 컴퓨터 안에 반도체가 들어있고, 텔레비전 안에 LED가 있고, 많은 가전제품이 양자역학의 효과를 의도적으로 활용하고 있다. “양자역학의 효과는 일상생활에선 드러나지 않는다. 이상한 양자역학을 따르는 물체들이 모여 전혀 이상하지 않은 우리 세상을 이루는 것이다.” 따라서 양자 현상은 경험을 통하여 직관적으로 이해할 수도 없고 비유로 설명할 수도 없다고 한다. 억지로 일상의 말로 표현하면 오해를 불러일으킬 뿐이다.

이 책의 지은이 최강신 교수(이화여자대학교)는 이론물리학자이다. 끈이론이 이 세상을 구체적으로 어떻게 설명하는지를 연구하고 있다. 이 책은 2012년부터 2016년까지 이화여자대학교 스크랜튼학부의 The Universe, Life and Light에서 함께 공부한 학생들의 슬기를 거름으로 태어났다고 한다.

특징적인 것은 양자역학을 애써 설명하려하지 않는다는 것이다. 오히려 영자역학이 직관적으로 이해 불가한 주제라는 것을 납득시키는 것에 초점을 맞춘다. 이해하는 것이 어렵다고 해도, 왜 이해할 수 없는지를 설명하는 것은 그리 어렵지 않다는 말을 덧붙인다. 책은 총 5부와 부록으로 편집되었다. 지은이는 ‘이상하고 아름다운’이라는 타이틀의 1부의 내용만 갖고도 한 권의 책이 될 수 있도록 정리했다. 뒤로 갈수록 더 세밀한 설명이 뒤따른다. 따라서 물리에 대한 특별한 지식이 없는 독자들이 이 책의 1부만 이해해도 지은이는 만족할 것이라고 한다.

양자역학에 가까이 가기 위해 파동의 중첩과 간섭이야기가 뒤따른다. “양자역학에서 제일 문제가 되는 것은 단 하나의 입자가 자기 자신과 간섭한다는 것이다.” 지은이는 이 부분에서도 최대한 쉽게 설명을 해주고 있다. ‘파동은 파도를 일반화한 물리 개념이다.’ 양자효과가 원자의 붕괴와 연관되어있다는 것을 설명하기 위한 그 유명한 슈뢰딩거의 지옥기계(슈뢰딩거의 고양이)이야기와 함께 편광, 얽힘 등 머리는 좀 복잡해지지만 알아두면 쓸모 있는 과학지식이 펼쳐진다.

현대물리학에서 상대성이론과 함께 중요한 위치를 자리 잡고 있는 양자역학은 난해하기 때문에 더 유명하다. 양자역학은 20세기 초 원자를 이해하려는 노력을 통해 탄생했다. 양자역학은 세상에 대한 생각을 완전히 바꿔버렸다는 평가를 받는다. 당시 이해되지 않았던 것은, 원자는 불가능한 안전성을 가지고 있었고, 원자에서 나오는 빛은 매우 특정한 색(파장)만을 띤다는 것이었다. 이렇게 제한된 정보밖에 없었지만 이를 바탕으로 원자가 어떤 구조를 가지고 있는가를 이해하는 계기가 된 것이다. 이 책의 지은이 최강신 교수는 상대성이론을 다룬 전작 『빛보다 느린 세상』(엠아이디, 2016)에서와 마찬가지로 하나의 (사고)실험 결과에 대한 차분한 접근을 통해 그 현상을 과학적으로 인식하고 해석하고 있다. 이 생각실험의 특징은 보이는 것만을 인정한다는 것이다. 볼 수 없는 것을 어설프게 표상화하지 않고 받아들일 수밖에 없는 것만으로 논리를 전개시키고 있다.

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나는 초등학교 시절 확률에 대해 배울 때 어려움을 겪었었다. 동전을 던졌을 때 앞면이 나올 확률이 1/2이라니! 나는 아무리 던져도 1/2의 확률이 나온 적이 없었다. 아주 많이 던졌을 때 앞면이 나올 확률이 1/2인 것과 한 번 던져서 앞면이 나올 확률은 같은 것인가? 이 책은 내가 품었던 궁금증을 속 시원히 긁어주었다.

이 책의 첫인상은 ‘그림이 많다’는 것이었다. 작가는 단순히 지식을 나열해 놓기보다 독자와 함께 다양한 실험을 같이 해보면서 결과를 유도하는 과정을 함께한다. 그리고 여러 과학자들의 해석을 이해해보면서 질문을 던지고 문제점을 찾는다. 이러한 서술방식은 마치 강의를 직접 듣는 것 같은 현장감을 준다. 또한 과학에 대한 기본 지식이 없는 사람들도 읽을 수 있도록 파동, 주파수 등의 기초 과학 용어부터 서술해 놓았다.

이 책은 ‘5부+부록’으로 구성되어 있다. 1부에서는 겹실틈 실험을 통해 빛과 전자는 입자와 파동을 동시에 갖는다는 것을 설명하였다. 따라서 양자역학은 직관적으로 이해하기 힘들다. 2부에서는 파동에 대해 알아보며 슈뢰딩거 방정식을 같이 이해해본다. 3부에서는 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이’에 대해 코펜하겐의 해석뿐만 아니라 여러 세계 해석, 길잡이파 해석 등 여러 해석을 담았다. 4부에서는 편광에 대해 알아보고 광자의 편광 실험을 같이 해본다. 5부에서는 광자의 편광 실험을 얽힘 상태에 적용시켜본다.

작가는 책머리에서 1부만을 가지고도 한 권의 책이 되게 하였고 나머지 장들은 1부를 좀 더 깊게 들어간 것이라고 말했다. 그리고 자세히 읽는 것보다 흐름을 타서 읽는 것이 중요하다고 말한다. 모르는 것을 붙잡고 있기보다 빠르게 한 번 읽고 다시 한 번 천천히 읽는 것을 추천한다. 굵은 글씨와 그림 위주로 보면서 그림에 대한 주석만 이해해도 전체적인 흐름을 파악하는 데에는 충분할 것이다. 그리고 소제목에 맞추어 내용을 정리해가면서 읽으면 이해하는 데 더욱 도움이 될 것이다. 양자 역학에 대해 궁금한 사람이라면 꼭 완독하여 이해의 즐거움을 함께 했으면 좋겠다.

새로운 학문을 공부하거나 알려고 할 때 제일 먼저 그 분야에 사용되는 용어를 잘 숙지하면 그다음부터는 어려운 책의 내용이라도 이해할 수 있게 된다. ＜우연에 가려진 세상＞은 '양자역학'이라는 학문에 대해 읽을 수 있는데 양자역학이라는 분야가 생소하긴 하다. 우선 양자역학 중 역학에 대해 알아보면 운동과 힘을 연구하는 분과를 역학이라고 하고 물리학=역학이라고 해도 된다. 양자역학은 물리 대상의 운동과 상호작용을 기술하는 체계로서, 빛과 물질이 가진 입자의 성질이나 파동의 성질을 잘 조화하여 상보적으로 기술하는 학문이라 한다. 즉 물리적이고 가시적인 역학 중에 빛과 파동의 운동을 양자역학이라고 하는 것이다. 이렇게 기본 개념을 정리하고 이해되니 ＜우연에 가려진 세상＞에서 설명하는 양자역학이 쉽게 이해되면서 재밌게 느껴졌다. 게다가 일상에서도 볼 수 있는 현상들을 볼 수 있고 실험도 할 수 있다는 것이 흥미로웠다. 양자역학이 탄생하는데 중요한 역할을 한 보어는 원자모형 제시하고 빛이나 전자가 입자와 파동의 이중성을 가진다는 사실을 밝혀낸 것이 가장 중요한 계기가 되었다고 한다.

＜우연에 가려진 세상＞에서 설명해주는 양자역학은 오히려 잘 모르기 때문에 더욱 집중해서 읽게 되는데 특히 '편광'이라는 것에 관심이 갔다. 편광은 빛과 관련이 있는데 렌즈가 완벽하게 투명하지 않아 어두워지는 것이 아니라 빛을 통과한 렌즈를 통과하지 못하는 특별한 성질이 있는데 통과하지 못하는 정도는 두 렌즈가 서로 어떻게 겹쳐있는가와 관계가 있다. 이런 현상을 '편광'이라고 한다. 편광을 가장 잘 알 수 있는 곳은 입체 영화를 볼 수 있는 극장으로 영화관에서 사용하는 안경을 통해 이 편광을 가장 잘 경험할 수 있다. 빛이 편광판을 지나가는 방식은 두 편광판 축의 상대적인 방향에 따라 빛이 통과하는 정도가 다른 것으로 설명할 수 있다. 연속된 두 편광판의 축이 수직이지만 않으면 빛이 통과한다. 편광판이 수직이 아니라면 빛이 일부만 통과한다. 즉 편광축이 서로 수직인 두 편광판은 빛을 완전히 막지만 편광축이 비스듬하면 빛이 일부만 통과한다. 빛은 전기 진동과 자기 진동이 서로 수직하게 이루어진 횡파라고 할 수 있다. 이런 빛의 성질은 다양한 규칙이나 원리를 이용해 과학적으로 설명해준다. 그리고 이 책 ＜우연에 가려진 세상＞을 어렵지 않게 할 부록이 있어 더욱 알찬 지식을 쌓으면서 읽었다. 부록엔 책속에 등장하는 수많은 과학용어와 법칙을 설명해주고 있어 양자역학에 대해 많은 지식을 갖고 있지 않아도 이책을 즐길 수 있는 이유다.   

생각실험으로 이해하는 양자역학

양자역학이란 무엇일까?
우선 제목부터 뜯어 보자.
우연에 가려진 세상이란 제목이 붙어 있다.
그렇다면 우리가 살아가고 있는 이 세상이 우연 투성이라는 이야기로 생각해도 될까?
그리고 양자역학은 우연을 겉어낸 세상을 이야기 하는 걸까?
아니면 양자역학이란 것이 전적으로 우연한 세상이란 걸까?

처음부터 질문이 참 이상 했다.
책을 다 읽고 나면 양자역학을 이해하고 있는 상태가 될 줄 알았는데.
여전히 양자역학이 무엇인지 모른다.
어쩌면 "확률"이란 말 자체가 양자역학의 세상을 가장 잘 말해주는 단어 같다는 생각까지 든다.
어쨌든 확률이란 결국 100이 기준이니 0.0001%의 확률이라 해도 있을 수도 있다는 것 이니까.
이러나 저러나 일어 날 수 있는 일이 일어나고 있는 것 이니까.
아님 말고 뭐.

기억에 남는건 겹실틈 실험과 슈뢰딩거의 고양이, 그리고 파동이다.
그리고 끝...

수식없이 물리현상을 얼마나 이해할 수 있을까?
과학중에서 물리학은 수식 때문에 접근하기 어려운 분야 중 하나였다.
많이는 아니더라도 좋으니 글로 물리현상을 이해 할 수 있으면 얼마나 좋을까?

전작 상대성이론에서 충분히 경험했다.
와!! 수식없이도 어렵지 않게 상대성이론을 이해 했다니!!

그래서 이번에도 기대했다.
그 어렵다는!! 어쩌면 세상에서 이해하고 있는 사람이 얼마 없을 거라는
양자역학을 책을 읽으면 이해할 수 있지 않을까?
하지만... 양자역학은 무리 였나보다...

1부 겹실틈 실험으로 시작 할 때까지는 쉽게 따라 갔는데...
파동으로 넘어가면서 조금씩 어려워 지더니 와우 다양한 학파의 견해와
조금씩 나오기 시작하는 함수식에 무너 졌다.

한 번 읽어서 그랬을꺼야!! 라는 생각에
시간이 걸리더라도 한 번더 도전했는데...
윽... 결국 함수의 벽을 넘지 못했다.

수식없이 이해 할 수 있다면서요??...
음.. 겹실틈 실험과 슈뢰딩거의 고양이, 그리고 파동이란 현상으로 설명할 수 있다는 것을 이해 하면
그것이 양자 역학 이란 것인가요??
얽힘은 또 뭐죠??

양자에 정보를 담으면 복사할 수 없다니!!
아니 양자에 어떻게 정보를 담죠??
어떻게든 처음의 상태를 모르잖아요??
한 번 걸러진 편광에다 정보를 담는 건가요??
서로의 약속을 먼저 정해 두는 건가요??

아직잘 모르겠습니다..
그래서 리뷰도 어떻게 남겨야 될지...
책을 읽고나서 멘붕에 빠진건 정말 오랜만입니다..ㅠㅠ

 

 리처드 파인만은 자신이 양자역학관련하여 노벨물리학상을 받았음에도 불구하고 " 이 세상에 양자역할을 이해하는 사람은 한 명도 없을 것". 이라고 했다. 그만큼 양자역학은 어렵고 난해하다는 것이다. 나도 양자역학에 대해서 다른 과학책에서 어렴풋이 관련 내용을 봤을 뿐 본격적으로 양자역할을 다룬 책은 본적이 없었다. 그러다 책' 우연에 가려진 세상'이 나와 한번 도전해봤다. 제목부터 의미심장하다 우연에 가려진 세상이라니. 웬지 양자역학의 속성을 잘 드러낸 제목같다. 

 근데 웬걸 책에서 양자의 정의부터 밝히질 않는다. 알거라 생각한건가? 그래서 친절한 네이버에 양자의 정의를 찾아봤더니

[ 어떤 물리량이 연속값을 취하지 않고 어떤 단위량의 정수배로 나타나는 비연속값을 취할 경우, 그 단위량을 가리키는 용어이다.] 란다.(출처- 네이버 두산백과)

 그래서 광자와 전자가 양자가 되는 듯 하다. 전자는 원자핵 주변에서 에너지의 흡수 방출 여부에 따라 원자핵 중심과 주변으로 오르내리는데 희한하게도 이게 연속적인 아날로그 값이 아닌 디지털 정수배이다. 책에는 자연계에 은근히 디지털 처리가 많다고 한다. 디지털은 인위적인 것이 아닌것일까? 어쨌든.

 그래서 책은 그 유명한 전자 실틈 실험에서 시작한다. 전자 실틈 실험은 막에 전자가 통과할 수 있는 실틈을 적당한 거리를 유지해서 두개 만들어 놓은 후 실틈 뒤에는 전자가 부딪히면 흔적은 남기는 형과막을 설치한다. 그 후 전자를 발사해서 전자가 실틈을 통과하는지를 보는 실험이었다. 처음에는 당연히 실틈의 뒤에 두개의 실틈 모양 기둥을 예상했지만 결과는 매우 달랐다. 마치 물결무늬처럼 전자가 흔적을 남겼던 것이다. 과학자들은 이를 통해 전자를 파동으로 해석했다. 왜냐하면 물결무늬는 파장을 가진 파동이 두 틈을 지나면서 서로 간섭이 일어나 생기는 것으로 밖에는 해석할 수 없었기 때문이다. 하지만 기묘하게도 이 파동은 형광막에 닿는 순간 동그란 입자의 무늬를 남겼다. 

 이를 두고 유명한 코펜하겐 해석은 전자가 입자와 파동의 두 가지 성질을 모두 가지며 파동의 형태로 이동하다가 형광막에 닿는 즉, 측정의 순간 이것이 무너지며 입자로 남는 다는 것이다. 지금까지 나는 이 해석이 보다 일반적인 것인줄 알았는데 책에서는 97년 있었던 회의에서 상당히 많은 학자들이 코펜하겐 해석을 따르고 있지 않았다.

 하나는 여러 세계 이론으로 두 개의 실틈 실험에서 형광막에 남겨진 파동무늬는 밝기가 다른데 이는 전자가 각 부분의 형광막으로 향해 부딪힐힐 확률이 각각 다름을 의미한다. 전자가 많이 부딪혀 밝은 빛을 띠는 부분일 수록 전자가 그리로 향할 확률이 높다는 것이다. 그리고 역시 기묘하게도 이런 각 사건은 독립성을 띠며 서로 다른 세계를 구성해나간다는 것이다. 우주의 에너지가 보전되는 것처럼 이런 확률들의 총합도 보존된다고 본다. 잘 이해는 안가지만 일전에 다중우주 이론의 한가지로 거론된 것을 본적이 있다. 

 다른 하나는 길잡이파 이론이다. 여기서는 사실상 전자를 입자로 본다. 그런데 자석의 전자기파나 행성주의의 중력파처럼 전자가 움직일때 어느 지점으로 경향성을 갖고 향하게 끔 하는 길잡이파가 존재한다는 것이다. 물론 이런 것을 중력이나 전자기력 같은 근본적인 힘으로보지는 않지만 그런 것이 작동하여 전자가 특정 부분으로 높은 확률로 향한다는 것이다. 개인적으로는 이게 더 이해가 잘가서인지 더욱 그럴듯했다. 

 책은 광자를 가지고 양자의 얽힘 현상도 다룬다. 얽힘은 두 광자가 얽힘이 일어나면 서로 멀리 떨어져있어도 상호작용을 주고 받는다. 상대성이론에 따르면 빛보다 빠른 것은 없다. 따라서 두 얽힘 상태의 양자가 상당히 먼 공간을 떨어져있다면 원래 서로 영향을 받지 않아야 한다. 하지만 이 녀석들은 빛보다 빠른 속도로 하나가 영향을 받는 즉시 ,다른 하나도 영향을 받는다. 소위 국소성의 원리를 위반하는 것이다.

 이런 얽힘 현상은 현대에 양자암호를 개발하는데도 사용되며 양자컴퓨터에도 사용될 수 있다고 한다. 책에도 나오지만 사람은 양자를 관찰한적도 없고, 정체도 모르면서 이미 다양하게 사용하는 것이다.  

 책은 양자역학과 관련한 다양한 실험과 각 학파의 의견 그리고 여러 해석들을 파동과 편광등을 활용해 비교적 쉽게 설명한다. 하지만 결국 수식이란건 피할수 없는 부분이 있고, 모든 걸 다 세세히 설명할수는 없다보니 일반인이 교양서적으로 읽기엔 쉽지 않은 부분도 있었다.(오일러의 공식, 자연로그, 벡터등이 나올땐 문과출신으로 절망했다. 이공계라면 쉬울수도 있겠다.) 솔직히 반정도도 이해 못한 것 같다. 하지만 그럼에도 양자역학에 관심이 있다면 한번 도전해볼만한 책이란 생각이다. 언제고 다시 한번 읽어봐야겠다. 

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《우연에 가려진 세상》

최강신 지음 | [MiD]

20세기는 인류가 지구상에 등장한 이래 가장 큰 발전을 이룬 세기일 것이다. 과학분야만을 보더라도 20세기의 시작과 함께 고전 물리학의 문제점들에 관한 논의가 양자역학과 상대성 이론을 탄생시켰다. 인류는 비행기를 만들어 땅 위에서만 이동하는 한계를 극복하고 새로운 차원에서 이동할 수 있게 되었다. 나아가 20세기의 중반에 해명된 DNA 구조를 시작으로 새로운 과학, 유전학으로 대표되는 새로운 생물학의 길을 열기도 하였다. 인류는 지구를 벗어나 달에 발을 딛기도하고, 태양계 외부로 나가는 시도를 하기도 하였으며, 20세기에 발견 및 고안된 각종 과학이론을 토대로 21세기를 사는 우리는 현재 우리 삶이 각종 전자기기로부터 자유롭지 못할 정도가 되었다. 우리가 매일 손에 들고 있는 스마트 폰만 하더라도, 20세기에 눈부신 발전을 거듭해온 양자역학의 혜택을 고스란히 받은 사물이다. 스마트 폰에 내장된 GPS기능은 양자역학과 상대성 이론을 모두 사용하는 대표적인 부산물이며, 정보를 저장하는 메모리 칩, 스마트 폰의 두뇌인 프로세서, 디스플레이 등은 모두 양자역학의 발전과 이해가 없었다면 만들어내지 못했을 것이다.

오늘 생각해보는 ＜우연에 가려진 세상＞은  바로 양자역학에 대한 본격적인 안내서라고 할 수 있다. 양자역학을 소개하는 교양서를 읽고나면 언제나 드는 생각은 크게 세 가지이다. 첫째는 역시 양자역학은 이해하기 어렵다는 점이고, 둘째는 양자역학을 대중에게 쉽게 쓰는 일은 더더욱 어려운 일이라는 것. 그리고 마지막으로 우리의 삶은 직간접적으로 양자역학과 절대적으로 긴밀하게 연관되어 있다는 자각이다. ‘양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람은 없다’라고 까지 이야기했던 미국의 물리학자 리처드 파인만의 말을 상기해보면, 오랜 시간 물리학 연구에 노력을 쏟고, 학문적 훈련을 해온 학자들도 직관적으로 이해하기 힘든 분야가 양자역학일 것이다. 그러므로 양자역학을 소개하는 교양서를 읽는다면 우선 바로 이해가 가지 않다고 하더라도 바로 책을 덮을 필요가 없음을 받아들이는 마음가짐이 중요할지도 모르겠다. 나만 이해가 안되는 것이 아니기 때문이다. 이해가 잘 되지 않는 양자역학이라고 해도 우리는 양자역학을 이용해서 과거 20-30년 전과는 또 다른 생활을 해나가고 있지 않은가.

본 책의 저자와 같이 오랜 시간 물리학을 공부하고, 가르쳐온 연구자라면 물리학 관련 강의나 책을 쓸 때, 대상이 누구인지를 예상하고 이에 따라 준비하는 것이 가장 기본적이고 중요한 일일 것이다. 내가 이 책을 온전히 이해하지 못하더라도 다소 아쉬운 부분이 남았던 것은 대상 독자에 대한 설정이 다소 모호하지 않았나하는 점이다. 이 책은 저자가 대학에서 학부생들을 가르치며 수업시간에 논했던 양자역학에 대한 내용들을 정리한 것으로 보이므로, 아마도 저자는 이 책의 독자가 물리학과 학부생이나, 물리 특히 양자역학에 관심을 가진 일반인을 대상으로 했을 것이다. 곧 양자역학에 관심을 가진, 대학 학부생 수준 이상의 지적 수준을 갖는 일반인을 최소한 염두해두었을 것이다. 책의 시작은 흥미진진하게 물리학 강의 노트로 유명한 세 권짜리 파인만 강의집 중에서 양자역학을 다룬 제 3권의 시작과 유사하게 시작한다. 다시말해 고전적 대상(축구공)과 양자적 대상(전자)의 겹실틈(이중슬릿) 실험으로부터 이야기를 풀어낸다. 그리고 2부에서 양자적 대상의 입자-파동 성질의 이중성을 소개하기 위해 파동 물리학을 잠시 소개한 후 이를 양자역학의 맥락에서 연결짓고 있다. 여기까지는 그럭저럭 천천히 따라갈만 했지만, 3부 부터는 저자가 독자들에게 많은 것을 전달하고 싶었던지 수없이 새로 등장하는 물리적 개념에 대한 소개가 대체로 없이 나아가는 점이 다소 아쉬웠다. 저자도 책의 여러 곳에서 밝히고 있듯, 양자역학 분야에서 아직도 논란의 주제가 되고 있는 측정과 관련한 ‘얽힘’의 문제까지 다루고 있는데, 이는 쉽지 않은 시도였을 것같다. 저자의 고충이 어느 정도 느껴지면서도 어떤 독자를 주로 대상으로 하고, 수업에서와는 달리 어떤 부분을 배려하여 독자들의 독서를 도울 수 있을지 좀더 고민을 하고 반영이 되었더라면 더 좋았을 것 같다.

저자가 언급한 바대로 이 책에서는 양자역학에 대한 기본적인 입장을 마련했던 코펜하겐 학파의 견해를 비판적인 입장에서 검토하고 있다. 코펜하겐 학파에 대한 소개가 책의 앞에 나왔다면 더 좋았을 것인데, 코펜하겐 학파는 20세기 초 양자역학의 토대를 마련한 중요한 사람들이 속해있는 학파라고 할 수 있겠다. 이 학파의 주요 멤버로는 고전적인 원자론에 대한 문제점을 파동과 양자개념의 도입으로 양자역학적 원자론을 탄생시켰으며 상보성 원리를 주장한 닐스 보어를 주축으로, 불확정성 원리를 창안한 하이젠베르크 등을 우선 떠올릴 수 있겠다. 그리고 이들 코펜하겐 학파의 양자 현상에 대한 해석은 양자물리학의 표준적 해석으로 받아들여지다시피 했던 점을 우선 저자가 상기해주었으면 하는 아쉬움이 있었다. 왜냐하면 이 코펜하겐 학파의 해석을 ‘비판적’으로 검토하기 위해서는 새로운 비판에 대한 내용 뿐만 아니라 기존의 해석에 대해 어느 정도는 이해를 하고 있어야 하기 때문이다. 이 책에서 다루는 수많은 개념들을 고려해보면 단행본 교양서에 담기에는 지면의 제약이 많은 것도 사실일 것이다. 다만 저자가 많은 내용을 담아내려고 하다보니 놓치는 부분이 점점 더 많아진게 아닌가하는 생각이 들었다.

20세기 초반 양자역학이 태동하던 시기에 코펜하겐 학파와 물리학사상 가장 격렬했던 논쟁의 상대자는 크게 아인슈타인과 슈뢰딩거로 대표되는  물리학자들이라 할 수 있겠다. 내가 이 책에서 ‘부분적’으로나마 이해한 바에 따르면 코펜하겐 학파가 양자 현상에 대해 주장하는 물리적 해석의 기본 특징 중 하나는 그 해석의 성격이 ‘확률적’이라는 점이다. 이 책의 제목 ＜우연에 가려진 세상＞에 사용된 ‘우연’이라는 개념은 아마도 양자역학의 해석에 있어 ‘확률적’인 개념을 반영하는 ‘코펜하겐 해석’을 지칭하는 것이고, ‘우연에 가려진 세상’은 이 코펜하겐 해석이 표준해석의 위치로 자리매김해온 정황을 염두해둔 표현이 아닐까한다. 한편 코펜하겐 해석에서는 물리적인 대상을 ‘측정’함에 있어 이 ‘측정행위’자체가 조사하려는 대상의 상태를 기본적으로 바꾸어버린다는 점을 주요 특징으로 삼는다. 따라서 과정을 되돌릴 수 없이 영구적으로 변형되어 버리는 ‘비가역적’인 특성을 함께 갖는다. 반면 ‘신은 주사위놀이를 하지 않는다’라고 언급했던 아인슈타인의 경우, 우주의 원리를 ‘확률적’으로 설명하는 것에 동의할 수 없었다고 알려져있다. 본 책에서 슈뢰딩거는 파동방정식을 언급할 때 잠시 언급되긴 하지만 아인슈타인과 함께 코펜하겐 학파에 대항하고 있는 입장으로서 크게 부각되고 있지는 않는 것 같다. 대신 물리 현상에 대해 확률적 해석이 아닌 ‘결정론적’이고 ‘통계적’인 ‘앙상블 해석’의 지지자로서 아인슈타인과 데이비드 봄이 좀더 비중있게 부각되고 있다. 

내가 이해한 바가 맞다면, 전자의 겹실틈 실험을 비롯한 측정과 관련하여 ‘코펜하겐 해석’과 ‘앙상블 해석’의 가장 큰 차이점은 ‘측정행위’가 측정되는 대상의 상태를 망가뜨리는지의 여부가 될 것 같다. 코펜하겐 해석에서는 측정을 통해 전자가 가지고 있었을 법한 여러 상태 함수들의 ‘중첩’상태가 측정을 통해 하나의 상태로 결정되어 버린다. 이를 양자역학에서는 파동함수의 ‘붕괴’ 내지는 ‘환원’으로 표현되고 있다. 즉 슈뢰딩거의 고양이 생각 실험에서와 같이 우리가 일정시간이 지나서 고양이를 넣은 상자를 열고 결과를 관찰하기 전까지는 ‘살아있는 고양이’와 ‘죽은 고양이’의 상태가 혼재(중첩)되어 있는 상태로 보고 있지만, 관찰행위를 통해 이 상태함수(파동함수)의 중첩 상태는 하나의 결과로 결정되어 버리므로, 파동함수의 붕괴가 필수적이다. 반면 앙상블 해석은 전자 하나에 대한 상태 확률로 설명하는 것이 아니라 여러 번 유사 실험을 반복했을 경우, 설명할 수 있는 비율, 곧 통계적 해석에 기반하는 점이 주요 특징이라고 이해할 수 있을 것이다. 앙상블 해석의 경우는 측정 후에도 상태 함수들의 중첩상태가 여전히 인정될 수 있다는 점이 코펜하겐 해석과 크게 다른점이다. 이 ‘측정’ 문제의 해석에서 코펜하겐 해석과 앙상블 해석 사이의 다른 입장 차이는 빛의 ‘편광’ 실험에서도 마찬가지로 적용되고 있다.

저자는 여기에서 더 나아가 아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 주장한 ‘EPR제안’을 소개하고 있다. 기본적으로 ‘앙상블 해석’의 지지자로서 이 세 사람은 ‘얽힘’ 상태를 이용하여 교환불가능한(즉, 측정 순서를 바꾸면 다른 측정값을 얻게되는) 두 물리량을 측정할 수 있는 방법을 제시한다. 저자에 따르면 이 ‘얽힘’이라는 주제는 양자역학에서 매우 중요한 개념으로 보인다. 저자는 ‘얽힘’을 ‘두 개의 입자를 따로 다룰 수 없는 양자 상태’(299면)라고 설명하고 있다. 다른 말로 풀이해보면, ‘두 입자가 서로 독립적으로 행동하는 것이 아니라, 무언가를 통해 상호작용을 하여 서로에게 영향을 주는 양자상태에 있다’라고 바꾸어 이해해볼 수 있겠다. 예를 들어, 운동량 보존 법칙의 지배아래 정확히 반대방향으로 출발한 빛의 편광상태는 서로 무관한 것이 아니라 같은 편광상태를 유지해야만 하는 데, 이를 두 입자가 ‘서로 얽혀있다’라고 표현하고 있다. 저자는 현대 양자역학에서 이 ‘얽힘’ 문제가 ‘21세기에 이 얽힘을 이해하는 과정을 통해 양자역학은 더 발전하게 되었다’(299면)라고 ‘얽힘’문제의 중요성을 전하고 있다. 얽힘의 문제에 기반한 ‘EPR역설’이 제기한 해석의 문제점은 ‘얽힘’의 중요한 구분 기준이 될 수 있는 ‘국소성(locality)’의 가정 뿐만 아니라 물리적 대상의 존재를 규정하는 ‘실재성(reality)’의 가정을 기반으로 한다. 저자는 현대 물리학에서 ‘EPR역설’이 제기하는 문제점이 21세기인 지금도 여전히 명쾌히 해결 되지 않은 상태라고 전한다.

물리학 연구자로서 저자가 전해주는 흥미로운 사실 하나는 양자역학의 표준적인 해석으로 자리를 잡고있던 코펜하겐 해석이 그 튼튼한 기반을 점점 잃어가고 있다는 것이다. 결국 중요한 것은 현재 나와있는 어떤 해석도 완전하지 않은 상태라는 점일 것이고, 이를 해결하는 것은 앞으로 물리학자들에게 남은 큰 숙제일 것이다. 다만 현재까지 물리학자들이 고민해온 과정에서 우리는 이 양자역학에 관한 지식을 새로운 방향으로 이용할 수 있음을 알게되었다는 점에 주목해본다. 특히 양자 정보 이론과 관련해서는 앞으로 보다 많은 새로운 응용 및 시도가 가능할 것이다. 현재까지 개발된 컴퓨터의 연산 방식과는 상당히 다른 양자 컴퓨터의 이용으로 보다 빠르게 정보를 검색하고 전달하고, 정보에 대한 보안기능이 강화된 정보의 암호화 분야에 대한 전망을 저자는 짧게 언급하고 있다. 놀라운 것은 특히 ‘철학적’, ‘사변적’으로 보이는 이런 해석의 문제가 전혀 다른 분야로 보이는 ‘블랙홀’에 대한 이해를 더욱 넓혀주었다는 저자의 설명이었다. 이것은 자연의 근본 원리를 탐구하는 물리학의 강력한 특성 내지는 장점이 잘 드러나는 사례가 될 것이다.

책을 덮으며 다시금 드는 생각은 양자역학을 이해하는 것과 이를 다른 사람에게 소개하는 일의 어려움이었다. 다소 아쉬운 점은 저자가 사용하는 수많은 양자역학의 개념과 용어가 보다 면밀히 정의되고 소개되어야함에도, 이 부분에 좀더 주의를 기울였으면 어땠을까 하는 점이다. 예를 들어 “해밀톤 역학에서는 속력보다 운동량p가 더 근본적인 양이므로 운동에너지를 *로 쓴다.”(160면 각주)와 같은 설명을 하고 있다면 각 물리량에 대한 정의 뿐만 아니라 여기서 ‘근본적’이라는 표현의 말뜻도 보다 명확히 밝혀주고 독자를 안내해주었으면 좋았을 것이다. 책 전반을 통해 저자가 물리학과 학부생을 주요 독자로 상정하고 있는 것인지는 몰라도, 저자는 ‘독자가 이미 이 정도는 알고 있을 것’이라고 판단하고 논의를 진행하지 않았을까 짐작해본다. 이 책은 저자가 특별한 설명 없이 사용하는 물리 개념과 용어에 대해 독자들이 부지런히 부족한 부분을 파악해나가는 노력이 없다면 저자가 전달하고 싶은 양자역학의 ‘정수’를 파악하기가 쉽지 않을 것같다.

물론 코펜하겐 해석에 대한 저자의 비판적인 시각과 앙상블 해석, 여러 세계 해석 등을 이 책에서 소개한 것은 이미 양자역학 교과서에 나오는 표준해석에 익숙한 독자들에게 보다 새롭게 느껴질지도 모를일이다. 현재 대한민국 사회의 큰 화두인 ‘4차 혁명’의 기저에는 사실 양자역학이 있다는 사실 정도도 아울러 상기해볼 수 있겠다. 물론 ‘4차 혁명’이라는 개념 속에는 ‘인공지능’의 개념이 그 주축을 이루고 있으나, 이를 가능하게 하는 기반 과학으로서 양자역학은 여전히 그 중요성을 인정받아야 할 것이다. 정보이론, 컴퓨터 과학, 각종 전자기기와 이를 통한 혜택은 모두 양자역학에 크건 작건간에 어느 정도는 빚지고 있다는 것은 부인할 수 없다. 나아가 같은 맥락에서 ＜우연에 가려진 세상＞을 어렵사리 읽어내는 과정은 양자역학이 우리 삶에 얼마나 깊게 ‘얽혀’있는지를 다시금 생각하게 해준 흥미로운 시간이었다.

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