The Scale Of The Universe

 

상대성이론과 양자역학

 

 

▲The Scale Of The Universe (The Universe to Quantum Foam) - scale2

 

 

 

▲ 양자역학 파동 차원 [리자쿤]

 

 

 

▲Powers of Ten™ (1977)

 

 

 

우주의 역사 - 양자역학  2008.08.12

 

양자역학은 상대성이론과 아주 비슷한 시기에 등장했습니다.

20세기 초반입니다.

 

상대성이론은 아인슈타인이라는 거장이 꽉 잡고 있는 반면에,

양자역학은 많은 이름들이 동시대에 왕창 등장합니다. 비유하자면..

삼국지 시대에 수많은 영웅호걸들이 한꺼번에 등장하는 것과 비슷하달까요?

 

상대성이론은 워낙 맛깔나게 깔끔하고 간결한 반면 양자역학은

파고 들어갈수록 인간의 인식체계로는 실체를 잘 이해할 수가 없는 그런

신비스러움을 가지고 있기에 한 사람의 업적이 아니라 많은 이들의 헌신으로

그렇게 조각처럼 만들어진 것인지도 모릅니다.

닐스 보어, 베르너 하이젠베르그, 리차드 파인만, 쉬뢰딩거, 폴 디락 등등..

 

상대성이론과 양자역학은 세계를 바라보는 관점이 전혀 반대방향에서

출발합니다. 상대성이론은 인간의 인지 수준보다 훨씬 큰 영역에서

시작하지요. 지구보다 훨씬 큰 태양, 절대 속도를 가지는 빛..

반면 양자역학은 인간의 인지 수준보다 아주 작은 영역에서 출발합니다.

원자 안의 전자, 양성자, 중성자 그리고 더 작은 궁극의 입자를 찾아 떠나는 여행..

 

양자역학에서 밝힌 이 우주의 가장 도깨비 같은 면이 뭐냐면 미시세계

그 아래의 입자들은 파동과 입자의 양면성을 동시에 지닌다는 것이지요.

 

간단한 (그래서 실제로 많이 행해졌던) 실험을 소개합니다.

두 개의 틈을 통해 빛을 투사하면 이를 통과한 빛은 물결무늬를 만듭니다.

소위 파동의 간섭 현상입니다. 빛이 파동이라고 생각할 경우 이해는 금방 됩니다.

파동이라는 것은 중첩을 일으키게 마련이니까요.

(제가 언제 기회가 되면 기타를 가지고 파동의 중첩 현상 중 하나인 맥놀이

현상을 설명드리지요. 화음이라는 것도 결국 파동의 중첩으로 인해 발생합니다.)

 

그런데 빛은 파동이 아니라 입자의 성질을 가진다는 것이 아인슈타인에

의해 처음 발표됩니다. (아인슈타인은 죽을 때까지도 양자역학을 못마땅하게

생각했던 사람인데.. 그가 양자역학의 단초를 만들었다는 거.. 이거 참.. 신기합니다.)

(빛의 입자설, 소위 광양자 이론은 특수 상대성 이론과 동일시기에 발표되었습니다.)

 

파동은 사방에 퍼지는 것이고, 입자는 총알처럼 한 방향으로 날아가는 것인데,

도대체 파동의 성질과 입자의 성질을 동시에 지닌다는 그 도깨비 같은 것이 뭐냐..

이것이 바로 21세기에 이른 아직까지도 많은 학자들이 고민하는 성질입니다.

어떤 학자들은 실용적 관점에서.. 그냥 그런게 있나보다 하고 실용연구나 하자

마음 먹고 일합니다. 이들이 만든 작품들은 많습니다. 트랜지스터도 이에 속합니다.

오늘날의 디지털 기술은 결국 양자역학에 크게 기대는 셈이죠.

 

빛은 원래부터 파동적 성격이 강하다고 여겨진 반면, 전자는 입자적 성격이

강한 존재로 여겨졌습니다. 하지만 전자를 가지고 행한 이중 슬릿(틈) 실험에서도

전자는 놀라운 결과를 보여줍니다. 빛과 다를 바 없이 물결무늬를 만들더라 이겁니다.

이건 마치 한 개의 전자가 온갖 가능성의 경로를 다 거치면서 입자 스스로 자신과

간섭을 일으키는 것과 비슷한 겁니다.

 

아니! 세상에 입자 하나가 어떻게 스스로 간섭을 일으킬 수 있을까요?

저도 궁금해 죽겠습니다.

바로 이 이해하기 어려운 소립자의 양자역학적 현상들 때문에 많은 상상들이

등장했습니다. 평행우주 즉, 거시적으로는 존재를 느낄 수 없지만 소립자들은

자유로이 넘나들 수 있는 무한 개의 평행우주 가설도 이런 현상 때문에

고안되었습니다.

 

파동과 입자의 이중성을 표현해보기 위해 파동방정식이니 확률식이니 이런 것들이

고안되었습니다. (부평사람님도 댓글에서 말씀하셨다시피 어디까지나 모델링입니다.)

 

입자-파동 이중성 못지 않게 신기한 양자역학적 개념은 불확정성 원리입니다.

위치와 운동량을 동시에 정확하게 결정할 수 없다는 가설입니다.

빛의 속도를 넘는 현상이 관측되지 않았기 때문에 상대성 이론이 여전히 유효하듯이,

불확정성 원리를 날려버릴 수 있는 아주 높은 정확도의 위치-운동량 동시 계산은

여전히 관측되지 않고 있습니다. 우주가 원래 그렇게 설계되었기 때문에 그럴지도 모르죠.

 

양자역학은 제대로 이해하지 않으면 아주 엉뚱한 상상으로 흐르기 쉽습니다.

(그렇다고 제가 제대로 이해한다는 것은 아니지만요.. ^^)

양자역학의 불확정성 원리 및 입자-파동 이중성을 합해서 쉽게 설명하려고 나온 말이

“소립자 세계는 관찰자가 개입되지 않으면 실체를 가지지 못한다.”입니다.

 

이 말에서는 분명히 ‘소립자 세계’에서 그렇다는 겁니다. 그럼에도 어떤 사람들은

이걸 너무 쉽게 확대해석해서 거시 세계로 가지고 나오기도 합니다.

(양자역학적 세계관이 인간원리를 탄생시킨 것은 맞습니다만, 그래도 섣부른

확대해석은 조심해야 합니다.)

 

관찰자는 어떤 관찰 행위를 하기 위해 또다른 소립자(주로 광자나 전자)로

관찰 대상에 교란을 일으켜봐야 합니다. 교란을 일으키기 전까지는 관찰 대상은

뚜렷한 실체(운동량이라던가 위치 등등)가 결정되지 않은 것이지요.

소립자 세계의 이 사실만을 아무 고민없이 거시적으로 확대하면

저 먼 우주 어느 세상도 인간이 관찰하지 않으면 객관성 내지 실체가 없는 것

아니냐 .. 이런 억측이 등장하게 됩니다.

 

하지만, 거시적 세계는 분명히 실체와 객관성을 가집니다.

세상의 근원은 양자역학적 미시 현상을 가지는데 이것들이 모인 거시세계는

뚜렷이 객관성을 가지는 겁니다. 그 경계가 어디냐 자체가 과학적 연구대상입니다.

미시 세계에는 존재 의미가 없던 엔트로피적 현상이 거시세계가 되면서

갑자기 등장하는 것과 같은 맥락입니다.

 

그래서.. 저는 석가모니 스승님의 색즉시공 공즉시색이 아인슈타인의

에너지-질량 등가식이나 아니면 양자역학적 불확정성 세계를 말한 것이

일단은 아니라고 생각하는 겁니다.

스승님은 뭔가 다른 말씀을 하신 것이 아닐까요?

 

출처: https://truthquest.tistory.com/entry/우주의-역사-양자역학?category=27156 [나비 꿈 속의 우주 (Cosmos in a Butterfly's Dream)]