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관측 & 시선

연영찬 기자

2023-11-13 오전 09:21:43


 

우리를 구성하는 모든 것의 본질 '원자'.

 

보고 있지만 전혀 보이지 않는  원자를 연구하는 양자역학.

 

미국의 물리학자 리처드 파인만은 ‘양자역학을 완벽하게 이해하는 사람은 아무도 없다’말했다.

 

양자역학은 너무작아 보이지 않는 세계를 다루기 때문 상상 그 자체가 불가능에 가깝다.

 

그렇지만 양자역학은 우리생활과 밀접하다.

 

우리가 일상생활을 영위하기 위해서 필수적이라 할수 있는 휴대폰, 컴퓨터, TV, 냉장고 등 모든 전자제품 등이 양자역학이 적용된 것들이다. 

 

우주와 인간도 양자역학이 없었다면 존재하지 않았을 것이다. 

 

뉴톤의 운동법칙을 기본으로 하는 ‘고전물리학’

 

어떤 물체의 위치와 속도를 알면 과거나 미래의 상태도 예측할 수 있다는 것.

 

즉, 위치와 속도를 알면 모든 상황은 예측가능하다.

 

반면, 양자역학에서는 위치와 속도 둘중에 하나는 반드시 알 수가 없다. 그러기에 시간의 흐름에 따라 다음 상황을 예측하는 것이 불가능하다.

 

위치를 알아내면 속도를 알수 없고, 속도를 알아내면 위치를 알 수 가 없다.

 

화학적인 방범으로는 더 이상 쪼갤수 없는 원자.

 

그 원자 핵 주위를 전자가 돌고 있다.

 

그런데 원자핵과 전자 사이의 거리는 아주 멀고 그 사이에는 아무것도 없다. 하지만 우리가 보는 물체는 꽉차있다.

 

이것은 바로 전자기력 때문이다.

 

전자의 빈틈없는 철벽 수비력 때문에 가시광선을 비롯한 어떠한 것도 전자를 통과해 원자핵을 만날 수 없다.

 

그래서 눈으로 보거나 손으로 만져도 꽉 차있는 것처럼 보인다.

 

실제로 모든 접촉은 원자핵과는 무관하게 전자 사이의 반발력으로만 이루어진다.

 

악수를 해도 손이 닿은 것이 아니라 손을 이루고 있는 원자핵 주위의 전자가 반발력으로 서로의 손을 밀어내고 있는 것이다.

 

원자핵 기준으로는 닿은적이 없는 것.

 

아인슈타인은 ‘고체비열연구’라는 논문으로 양자역학의 기본적인 틀을 형성해주었지만 양자역학을 반대했다.

 

독일의 물리학자이자 막스보론은 양자역학에서는 모든 결과가 확률에의해 결정된다고 주장하자 절친이었던 아인슈타인은 ‘신은 주사위 놀음을 하지 않은다네’ 라며 그의 주장을 비난했다.

 

이처럼 양자역학에 대한 반대가 심할 때 양자역학 찬성론자는 이를 증명하기 위한 실험을 한다.

 

바로 이중슬릿 실험. 양자역학에서 실험대상의 파동성과 입자성 구분하는 실험이다.

 

가늘고 긴 구멍을 뜻하는 슬릿에 실험대상을 통과시켜서 파동인가 입자인가를 구분하는 것. 

 

실험대상을 이중 슬릿에 통과시켜 회절과 간섭의 성질을 보이며 슬릿을 통과한 실험대상이 여러겹의 간섭무늬를 나타내면 파동인 것이다.

 

반면 회절과 간섭의 성질이 없어 간섭무늬가 나타나지 않고 두 개의 줄무늬만 나타내면 입자이다.

 

이 두가지 실험 결과를 통해 실험대상이 물질인지 입자인지 구분하는 실험이 이중슬릿 실험이다.

 

과학자들은 입자인 전자를 수없이 발사한 후 좁은 구멍인 슬릿을 빠져나오면 뒤쪽 스크린에 어떤 모양이 나오는지 실험했다.

 

실험 결과 파동성을 나타내는 여러겹의 간섭무늬가 나타났다.

 

과학자들은 전자들을 동시에 발사하면 이 전자들 사이에서 서로 상호 간섭을 일으켜 파동의 형태인 여러겹의 간섭무늬가 나타난 것이라 생각했다.

 

이러한 생각이 맞는지 검증하기 위해 두 번째 실험에서는 전자를 하니씩만 발사해서 어떤 무늬가 그려지는 지를 실험했다.

 

그런데 전자를 하나씩만 발사했는데도 파동성을 보여주는 여러겹의 간섭무늬가 나타났다.

 

이 실험결과는 상식적으로 잘 이해가되지 않는 일이었다.

 

왜냐하면 여러 전자들을 동시에 발사하면 전자간의 간섭이 있어 입자인 전자가 파동성을 보여주는 간섭무늬가 나타났다고 생각했기 때문. 이에 입자인 전자를 하나씩만 발사했는데도 파동성을 보여주는 여러겹의 무늬가 나타나는지 의문이 생겼다.

 

전자는 기본 입자로 더 이상 쪼개지지 않는다고 알고 있었다.

 

그래서 과학자들은 실제로 전자가 쪼개지는 것이 아니면 어떤 슬릿을 통과하는지 확인하기 위해서 슬릿 앞에 측정 장치를 두었다.

 

그런데 실험결과는 더 놀라웠다.

 

이번에는 전자가 측정장치가 있다는 것을 인식하기라도 하는 듯이 입자성을 보여주는 두 개의 줄무늬만 나타낸 것.

 

측정장치가 있고 없음에 따라 실험결과가 달라진 것이다.

 

측정장치를 두고 실험을 하면 입자로서의 성질을 보여주었고 측정장치를 두지 않고 실험하면 파동성을 나타냈다.

 

물질은 파동성과 입자성을 동시에 가진다는 것을 이중슬릿 실험이 증명한 것이다.

 

빛이나 전자가 지능이 있어 실험하는 과학자들의 생각과 의도를 알아낸다는 것일까?

 

모든 물질이 파동이듯이 우주 전체가 파동으로 연결되어 있어 서로 영향을 주고 받고 있다고 볼 수 있다.

 

이처럼 관측하면 아주작은 미시의 전자의 움직임도 변한다.

 

전자는 인간처럼 생각하는 생명체도 아닌데 말이다.

 

인간의 행동도 누군가가 바라 볼때와 혼자서만 있을 때 확연히 다르다.

 

따뜻한 시선, 차가운 시선 등 어떤 시각으로 상대방을 바라보느냐에 따라 안간의 행동은 변하고 그 행동들이 모여져 그 사람의 운명이 결정된다.

 

원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자는 이루고 있는 모든 것의 근원이다.

 

인간도 여기에 해당된다.

 

전자가 관측하지 않았을때는 파동성을 나타내고 관측하면 입자성을 띠는 것처럼 인간도 상대방의 시선에 따라 행동이 변한다.

 

원자의 행동을 설명하고 기술하는 양자역학.

 

모든 물질의 근원을 탐구하는 학문으로 인간의 본질을 밝히는 과학이자 철학이며 인문학 인 것 같다. 

 

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