- 싱글벙글 양자역학 알기쉽게 한방에 정리

요즘 양자역학에 대한 글이 많은데 

간단하게 무슨 이야기인지 한방에 알아보자

쉽게 말해 양자역학은 원자를 다루는 학문임

원자는 화학적으로 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위이자 세상 모든 물질의 기초가 되는 것인데 

원자를 100% 이해한다면 세상이 무엇으로 이뤄져 있는지 알기가 쉽겠지?

그러다보니 많은 과학자들이 원자를 많이 연구했다

그런데 연구하면 연구할수록 특이한 성질이 많이 발견되는 거임 

중학교 과학시간에 아마 기억나겠지만

원자는 가운데 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이뤄져 있다고 배웠을 거다

이런 것들을 입자라고 부른다

입자는 기본적으로 뭐든 보고 만질 수 있고 

이를테면 야구공처럼 누군가에게 던져서 전달할 수 있으면 입자라고 한다

이 때 위에 모형을 보면 원자핵 주위를 여러 전자 입자들이 돌고 있잖아?

그러니까 세상 만물은 입자로 되어 있다고 생각해서 이런 말이 나왔다

이 때 밥 먹고 할 일이 없던 과학자들은 어느 날 빛을 가지고 실험을 해본다

세상 만물이 입자라면 빛도 입자겠지?

그럼 빛을 저기 조그만 틈 두 개로 쏴보면 어떻게 될까

여러 입자들이 조그만 틈 사이로 지나가니까

틈 모양대로 줄이 그어질 거 아냐

이론상으로만 입자라고 생각했는데 실험으로 증명하면 노벨상 뚝딱이겠지?

꿈에 부푼 과학자들은 신나서 실험을 해 보는데

웬걸

저렇게 여러 줄이 그어지더라 그거야

몇 번 실험을 해봐도 결과는 같았다

??? : 그럼 빛은 입자가 아니란 말임? 아니 그것보다 왜 여러 줄이 나와?

그거는 사실 이유가 있었다

보고 만질 수 있는 건 입자라고 하는데 그 반대는 파동이라고 한다

소리는 보고 만질 수 없지만 분명 존재하니까 여러 사람에게 들리잖아?

소리가 대표적인 파동임

빛이 입자가 아니라 파동이란 생각은 사실 2500년 전 아리스토텔레스 때부터 물을 보고 '아마 빛도 같겠거니...' 생각할 정도로 유서깊은 생각이고

실제로도 빛은 파동이 맞아서 

우리는 이렇게 가시광선 적외선 자외선 등등이 파장에 따라 나뉜다고 배우고 있다

아하! 빛은 파동이구나! 오케이! 

하고 신나하던 과학자들에게

이 할아버지가 등장한다

사실 금속판에다 빛을 쏘면 뭔가(전자)가 튀어나오는데

이건 파동이 아니라 입자만이 갖는 성질이라 그거임

빛이 파동이란 게 정설이었는데 아인슈타인이 '사실 빛은 입자임 ㅅㄱ'  하는 바람에 처음에는 난리가 났는데 

결국 검토 끝에 명명백백히 입자가 맞다는 게 밝혀져서

아인슈타인은 이 공로로 1921년 노벨 물리학상을 수상한다

사실 인성 터진 걸로 유명한 아인슈타인이 '파동충새끼들ㅋㅋㅋㅋ노벨 물리학상이 좆으로 보이냐?' 하고 티배깅을 하는 일이 있었지만

학계는 이제 다른 국면에 접어든다

'이상하다 아까까지 빛은 파동이었고 분명 증명됐는데'

'이제는 빛이 입자란 것까지 증명됐네'

'근데 어떻게 입자이자 동시에 파동이냐? 야구공은 야구공이고 소리는 소리잖아'

사람들은 이 모순을 해결하기 위해 다시 비슷한 실험을 구성한다

말하자면 이번에는 빛 대신 명백한 입자인 전자를 쏴보기로 한 거임

그럼 당연히 왼쪽처럼 두 줄이 생기겠지? 

그렇지만 놀랍게도 오른쪽처럼 파동 무늬가 나타났다

이게 무슨 일인가 더 자세히 알아보려고 전자가 날아가는 모습을 사진으로 찍었더니

이번에는 왼쪽의 입자 무늬가 나타났다

말인즉 전자는 관측되기 전에는 파동이었는데, 관측된 다음에는 입자였다는 미친 소리가 된 거임

눈 감고 사람한테 소리를 질렀는데 눈 뜨니까 야구공으로 바뀌었다는 말을 누가 믿을 수 있을까?

이건 일단 빛과 전자의 성질에서 기인함

우리가 뭔가를 관측한다고 하는 건 어느 물건에 부딪쳐 반사된 빛을 보는 거다

그런데 전자란 너무너무 작기 때문에 빛을 날려보내 사진을 찍는다는 건 말하자면 전자가 빛에 치여 교통사고를 당하는 셈이고

우리는 교통사고를 당해 빙글빙글 날아가는 전자를 보는 셈이다

즉 관측한다는 것 자체가 엄청나게 큰 영향을 미치기 때문에 

원래 파동이었던 전자는 관측과 동시에 입자로 변한다는 말이다

아직도 이게 무슨 개소린가 싶으면 이해가 안 가는 게 정상인데

'병신새끼들아 입자는 입자고 파동은 파동이지 어떻게 변하냐? 내가 정리한거 안읽음?'

아인슈타인도 똑같은 반응을 하고 화를 냈다

자기가 열심히 입자라고 주장했는데 웬 족보도 없는 놈들이 사실 둘 다 맞다는 이상한 소릴 하니까.

다만 이 때 목소리를 크게 낸 건 닐스 보어라는 사람인데

이 사람은 원자 모형에 있어서 저놈의 양자론을 도입한다

전자는 단순히 원자핵 주위를 입자가 도는 게 아니라

불연속적인 스펙트럼(=파동)이 존재하고 이걸 관측하는 순간에 위치가 확정된다는 주장을 하는데

이게 또 실험 결과 맞는 걸로 밝혀져서 1922년 노벨 물리학상을 수상한다

이 양자역학이란 이론의 핵심

그러니까 '원래는 파동인데 관측하는 순간 입자로 밝혀진다'는 말에 대해 대논쟁이 벌어지기 시작하는데

아인슈타인을 필두로 한 사람들이 '무슨 상식적으로 말이 되는 소리를 해야지' 하고 부정하고

닐스 보어를 앞세운 양자역학 사람들이 실험 결과를 들고 와서 '이거 안보임? 눈 삐꾸임?' 하고 반박하는 식으로 전개된다

이 때 나온 문답이 있는데

아인슈타인이 '어떻게 물질이 확률적으로 존재할 수 있나? 신은 주사위 놀이를 하지 않는다.'고 말하자

보어가 '아인슈타인 씨, 신에게 이래라 저래라 하지 마시오.' 하고 대답한 일이 유명하다

두 학파에는 두 사람뿐 아니라 수많은 사람이 있고

이 문답은 보어의 제자 하이젠베르크가 나타나며 일단락되는데

그가 내세운 불확정성 원리란 입자의 정확한 위치란 건 존재할 수 없고 사실 원래 파동인데

우리가 관측하는 순간 파동이 붕괴되어서 특정한 값(입자)으로 관측될 뿐이란 정리다

좀 쉽게 말하면 세상 만물은 '관측해야만' 존재하고 그 위치는 확률에 기반한다는 말이라

이 얼척없는 말을 들은 아인슈타인은 '그럼 달이 눈에 보이지 않으면 달은 없고 눈으로 봐야만 달이 있냐?' 라는 유명한 말로 비판했고

하이젠베르크는 '네 맞는데요' 하고 대답했지만 스승인 보어에게까지 그게 말이 되냐고 한 차례 쿠사리를 먹었다

양자역학자들도 실험 결과를 보고 확신하는 거지 직관으로는 헷갈린다는 얘기임

다만 몇 년 지나니까 역시나 실제로 실험결과가 그렇게 나온 덕분에 맞는 걸로 밝혀졌고 

하이젠베르크는 이 공로로 1932년 노벨 물리학상을 수상한다

그렇지만 맞거나 말거나 달은 그냥 있는거지 솔직히 말도 안 되는 소리인건 틀리지 않아서

여전히 불만을 갖는 사람들은 많았고

아인슈타인은 '이거는 틀린 이론이고 아마 뭔가 숨은 변수가 있는데 우리가 모를 뿐인 것' 이라는 정신승리, 아니 이른바 숨은 변수 이론을 주장하게 된다

이 때 양자역학에 불만을 갖던 사람들 중에 그 유명한 에르빈 슈뢰딩거가 있는데

슈뢰딩거는 '좋아. 그놈의 확률적 존재라는 게 맞다고 치자. 

근데 그럼 상자 속의 고양이도 50% 확률로 살아있다는 거냐?' 하고 비꼬는 사고실험을 제안했는데

양자역학적 측면에서는 놀랍게도 그게 그냥 맞는 말이자 아주 정확한 설명이었기 때문에

즉, 만물은 관측(=빛이 부딫침)하기 전에는 확률적으로만 존재하고 관측함으로서 위치가 특정되기 때문에

나아가 단순히 빛뿐 아니라 모든 물체는 파동이며 관측하는 순간 입자가 되기 때문에

지금은 양자역학에서 애용하는 설명이 되었다 

비꼬려고 한 실험이 유명해지는 바람에 슈뢰딩거는 허탈해했지만

그러거나 말거나 파동역학에 대한 기여로 슈뢰딩거는 1933년 노벨 물리학상을 수상한다

다만 고양이 사고실험이 나온 건 

아인슈타인과 보어의 대논쟁이 있던 1935년임 

대논쟁의 결론은 당대 물리학자들이 여러 차례 씨름할 때마다 아무래도 보어가 맞는 것 같다는 잠정적 결론이 내려졌고

정말정말 맞다고 증명되는 건 십수 년에서 수십 년후다 

그래서, 양자역학이란 한 줄로 요약하면 

빛, 더 넘어서 모든 물질은 사실 알고 보면 파동이고 관측하기 때문에 입자라는 점에 대한 학문이다는 이야기이다

로 끝나면 좋았을 텐데

슈뢰딩거가 상을 받은 1935년에서 눈치챌 수 있었겠지만

이 논쟁을 이상한 방법으로 끝내는 사람들이 등장한다

자칭 예술가지만 미대는 못 붙고 평균학점 2점대라 물리학 지식도 없는 한 정치인이

'엥? 양자역학?ㅠㅜ그거 유대인?이나 하는 학문 아냐? 어떡게 파동이 물질일 수 있어 퓨ㅠㅠㅠㅠㅠ'  하며

양자역학은 유대인의 사이비 과학이다! 하는 말을 내걸고 물리학자들을 싹 다 학계에서 몰아내거나 퇴출하거나 잡아들이기 시작한다

이건 뭐 어처구니없겠지만 사실 뭐 틀린 말은 아닌데

아인슈타인(불륜 7회, 사촌 근친충, 사생아)은 유대인

닐스 보어(서부영화 덕후)도 유대인

슈뢰딩거(비서와 불륜, 동료와 와이프 불륜, 조수 와이프 불륜, 조수 협박, 세집살림, 낙태, 미성년자 성추행, 유부녀 탁란, 사생아 최소 2명) 도 유대인

이었으니

이때다 하고 신난 친나치 과학자 및 나치당원들은 당시 친위대 기관지 흑군단Das Schwarze Korps에 기고해

"이것 봐라! 역시 상대성이론과 양자역학은 비도덕적이다! 유대인들의 엉터리 과학이다!

물질이 사실 에너지라느니 입자는 사실 파동이니 하는 헛소리나 하면서 사람들의 혼을 빼놓는 게 바로 유대인의 특징이다! 

이런 것들이 독일 학계에 빌붙는 게 문제다! 이런 유대인들만 없었어도 노벨상이 2배로 더 나왔을 거다!"

하고 열을 올렸고

하이젠베르크는 독일인이었던 관계로 과학자들 탄압에 크게 맞서는데 

우리 동료들 사생활...이 좀 그렇긴 하지만 

멀쩡한 과학자를 잡아넣는게 말이나 되냐!  

나는 100% 독일인이고 사생활 이슈도 없는데!

하는 반박에 대해 

그건 니가 백인 유대인이라서 그래! 

이라는 기사가 올라오는 걸로 정점을 이룬다

이렇게 된 건 1935년 뉘른베르크 법이 통과되어

대학교 교수, 교사, 공무원 등 모든 공직에서 유대인 추방운동이 한참이었고 유대인 상점에 대한 불매운동을 벌이며 유대인이 쓴 책들도 불태웠는데

여기에 유대인의 학문이라던 이론물리학 책들도 한참 불태워지는 시점이었기 때문이다

이에 분서를 넘어 갱유당할 위기에 처할 정도로 온갖 조리돌림을 당한 하이젠베르크는 결국 펜대를 꺾고

'이론물리학도 나름 중요하며 나는 어디까지나 비정치적인 그냥 학자이고 유대인의 연구라도 독일인에게 도움이 될 수 있다'는 편지를 보내려 하지만

때는 이미 늦어 하인리히 힘러가 이끄는 친위대원들이

하이젠베르크를 잡아다 베를린 대공분실에 처넣고 만다

다만 운 좋게도 하이젠베르크의 외할아버지와 힘러의 외할아버지가 바이에른 등산회에서 서로 아는 사이였던 관계로

하이젠베르크의 어머니와 힘러의 어머니는 절친한 관계였는데

이 둘을 통해 편지가 전달되었고

더욱 운좋게도 하필 대공분실 조사관으로 들어온 사람이

하이젠베르크의 박사논문 심사를 맡은 요하네스 유일프스라는 교수였던 터라

운 좋게 하이젠베르크는 적당히 두들겨맞는 선에서 풀려나고

대신 나치의 핵물리학 연구소에 취직해 핵폭탄을 만드는 연구를 하게 된다

그러니까 입자와 파동에 대한 학문인 양자역학 이야기는

살고 싶으면 등산회에 잘 나가는 할아버지를 두라는 엉망진창인 교훈으로 이야기가 끝나는 것 같지만

그것보다 더 중요한 건 그게 아니라

비록 직관과 다르더라도 학문적 증거가 있다면 믿는 게 학자로서의 자세라는 말이 더욱 어울리지 않나 싶다

정작 여기에는 양자역학의 증거가 된 많은 실험들을 (당연히 존나 노잼이기 때문에) 분량상 직접적으로는 소개하지 않았지만

양자역학은 실생활의 여러 분야에서도 널리 쓰이는 만큼 확연한 과학이 맞기 때문에

그 점은 부디 애교로 보아주었으면 한다 

읽어줘서 고맙다!