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[일천물] - 3. 양자역학 - c(수정) 본문
자! 지금 자신의 눈앞에 보이는 것을 이야기해보자!
중얼중얼 하면 옆사람이 이상하게 볼 지 모르니
속으로 열~심히 외쳐보자. 글쓴이는 전지전능해서 전부 듣고 있다!
응응.
그래그래.
익명의 제보에 의하면 핸드폰, 책, 종이컵이 보인다고 한다 ^.^
글쓴이도 주변에 보이는 것을 적어보겠다.
껌, 동전, 이상한 유리병들, 시계, 양초 등등..
이쯤에서 정말 뜬금없이 글쓴이의 책상을 공개한다.
사진속의 물체들의 위치를 다른사람에게 설명할 수 있을까?
나름대로 기준을 세운다면 충분히 설명할 수 있을 것이다.
예를들면,
모니터를 받쳐주는 책상에서 가장~ 왼쪽에는 시계가 있습니다.
그리고 그것보다 오른쪽 아래에는 껌이 있네요.
그리고 껌 바로 위에는 롯데리아에서 구출해온 한정판 이브이 스노우볼이 있네요.
등등!
아, 한가지 덧붙이자면 이 설명을 위해서 "일부러"
갖가지 물건 올려놓아서 책상 어지럽힌 것이다.
자, 이렇게 우리는 물체의 위치를 나름대로 정확하게 관찰하여 서술할 수 있다.
그러나!
자연의 유일한 취미인 과학자 괴롭히기가 또 발동하는 영역이 있다.
즉, 어떤 물체의 위치를 정확히 서술하는 것이 불가능한 멋진★세계!
그것이 바로 미시세계이다.
거시세계와 미시세계.
말 그대로 거대한 것들에 대한 세계와 아주 작은 것들에 대한 세계를 일컫는다.
당연히 크다와 작다는 상대적 개념이다.
우리들의 일상생활도 개미들에겐 '크다' 라고 할 수 있듯이,
거시세계와 미시세계를 가로지르는 기준점이 필요하다.
이 기준점이 바로 지난 글 말미에서 언급했던 플랑크 상수（Planck Constant） 이다.
'상수（Constant）' 라는 것은 변하지 않는 정해진 숫자 이다.
플랑크 상수 또한 적어도 우리가 살고 있는 이 우주에서,
우리가 알고 있는 시간 동안에는 변하지 않는 것으로 알려져 있다.
우리가 살고 있는 우주는 그렇다 쳐도, 우리가 알고 있는 시간이란?
두말할 것 없이 우주의 시작인 빅뱅 부터, 현재 우주의 나이인 137억 9800만년 까지이다! ^.^
（우리 우주 여태까지 생일파티 137억 9800만번 했음!）
거시세계는 우리인간의 생활범위 뿐만 아니라 넓게는 태양계, 우리 은하, 은하들이 모인 은하단 등등 전부에 해당된다.
상한선은 사실상 우주 전체이다!
하한선인 제일 작은 거시세계는 원자 크기 정도이다.
반대로, 미시세계는 원자 보다 작은, 원자를 구성하는 입자들인 양성자, 전자, 중성자 뿐만 아니라,
그보다 작은 수십 가지의 소립자들을 포함한다.
이 두 가지 세계를 구분짓는 가장 명확한 특징은
'불확정성의 원리가 두드러지게 나타나느냐' 이다.
다시 말하면, 입자로도 보였다가 파동으로도 보이는 '이중성' 이 나타나면 미시세계이고,
그렇지 않고 하나의 형태로만（입자이던 파동이던）나타나면 거시세계인 것이다.
그래서 우리가 굴린 볼링공이 갑자기 뿅! 하고 파동으로 변해서
옆 레인 핀까지 전부 쓰러뜨리는 일이 일어나지 않는 것이다!
현미경으로 보는 바이러스는 100만배는 확대해야 보일 정도로 굉장히 작은 것은 분명하지만,
파동적 특성은 결코 보이지 않는다.
즉, 바이러스는 명백한 입자로 '관찰' 이 된다.
어라?
이 글쓰니가 쓸데없이 왜 '관찰' 에 저렇게 칼라풀하게 강조를 했을까?
라는 생각이 들었다면 글쓰니에게 충분히 조련（?）된 독자이다 ^.^ 깔깔깔
（아님말고...）
사실 주목해야할 단어이기에 색을 칠해보았다.
이것에 대해 여기 길가는 똑똑한 학생을 잡아다가 질문을 해보자.
글쓴이 : 학생~ 잠깐만 ~!!
똑똑한학생 : 어멋! 잘생긴선생님!! 무슨일인가여??
글쓴이 : 뭐쫌 물어보려고~ ㅎㅎ
똑똑한학생 : 그럼요 무엇이든 물어보세여!
글쓴이 : '관찰' 이라는 것이 무엇일까?
똑똑한학생 : 우리가 볼 수 있다-라는 것이져~!
글쓴이 : 그러면 우리가 볼 수 있으려면 무엇이 필요할까?
똑똑한학생 : 빛이여!!
"하.. 또 빛 너냐"
그렇다.
저번에도 말하였지만, 우리 우주는 애초에 '빛' 에 맞추어 '디자인' 되었기 때문에
빛을 빼놓고서는 무슨 이야기던간에 진행되지 않는다.
빛 : "응~ 이 우주의 주인공 나임. 니네 다 조연임 ^.^"
우리가 본다- 라고 하는 것은 반드시 빛이 필요한 것이고,
따라서 관찰한다는 것을 좀~더 과학자스럽게 표현한다면 이렇게 된다.
"관찰이란, 어떤 대상과 광자와의 상호작용을 일으켜서 그 결과를 보는 것이다"
크~ 이 정도 말만 해도 주변에서 과학자로 생각한다.
외워서 소개팅에서 한번 써먹어보자 ^.^
아참, 여기서 광자는 빛을 입자 취급하면서 부를때의 이름이다.
빛을 파장 취급하면 전자기파 라고 부른다.
전자제품에서 전자파 나온다~ 할때의 그 전자파 와도 같다）
그렇다면, 다음 질문에 대하여 생각해보자.
우리가 관찰한다는 행위는 관찰 대상에 어떤 영향을 미칠까?
위 질문에 대한 대답은 yes 일수도, no 일수도 있다.
잘생기고 예쁜 우리들은 평소에 이런 말을 많이 한다.
"내 얼굴에 뭐 묻었냐? 닳겠다 고만좀 쳐다봐!!"
（그냥 인정하고 넘어가자.）
그렇다. 아무리 봐도 얼굴은 안 닳는다. 비록 세월의 흐름엔 닳을진 몰라도...
가끔 다른 사람보다 너무 닳아버린 사람이 있기도 하지만......
조용히 그분들을 위해 묵념해주자...
아무튼,
평소 생활속에서는 아무리 봐도, 아무리 관찰해도 그 대상에게 영향을 미치지 못한다.
그러나, 보면 닳는（?） 것들이 있다!
바로 미시세계에서는 그러하다!
앞의 글에서 이야기했던 실험을 다시 한번 가져왔다.
우리가 전자가 어디 구멍을 통과했는지 '관찰하기' 위해서 광검출기를 놓는 순간,
전자는 파동적 특성（간섭무늬）을 잃어버리고 입자적 성질만을 보였다.
이것은 우리의 관찰을 하고자 하는 행위가 관찰대상에 영향을 미친 것이다.
이 행위는 전자들의 오지랖의 결과인 간섭무늬를 없애버릴 정도로 큰 영향을 미쳤다.
미시세계 영역에서는 이러한 일들이 비일비재하다.
";; 아니, 보기만 한다는데 대체 왜 그러는데?"
뭔가 핸드폰 검사하려는 여자친구의 말 같은 것은 기분탓;;
아무튼, 위의 말을 전자에게 해주고 싶을 정도이다!
이러한 미시세계의 미스테리를 설명하기 위해 양자역학이 등장했다고 말한 바 있다.
관찰하는 행위자체가 영향을 미친다. 이 말이 암시하는 바가 무엇인가.
그렇다. 우리는 더 이상 관찰할 수 없다.
여기에 무엇이 있다 - 라고 관찰해버리면 안되고,
관찰하지 않은 채로 무엇인가를 이야기해야한다.
?
헐? 어떻게?
정답은 "확률" 이다.
주사위를 던지면 우리는 반드시 무슨 눈금이 나왔는지 '관찰' 할 수 있다.
하지만, 미시세계에서는 주사위를 던지는 행위가 금지되어있다!
단지 이렇게 이야기 할 수 밖에 없다.
"저기.. 나 주사위 던지면 안된대 ㅠㅠ 그치만 던지면 1이 나올 확률은 알아! 무조건 1/6 이야!"
이 같은 슬픈 양상은 빛 자체가 관찰대상인 소립자들에게 영향을 미친다는 것으로 이해할 수 있다.
볼링공들에게 입으로 바람을 아무리 불어도 꿈쩍도 하지 않지만,
스티로폼 알갱이들은 바람의 바- 자라도 꺼내는 순간 저 멀리 날아가 버린다.
즉, 소립자들의 위치를 알아내기 위하여 "관찰" 하는 순간,
우리는 그 소립자들의 위치정보를 왜곡하는 것이기에
결코 "관찰하는 순간의 정확한 위치 정보" 를 알아낼 수 없게 된다.
미시세계의 이 금기를 어기고 관찰을 하려 한다면,
우리에게 남는 것은 날아가버린 스티로폼 알갱이처럼,
왜곡되어 저 멀리 날아가버린 소립자의 쓸모없는 위치 정보 뿐이다.
원자 구조를 설명할때에도 마찬가지이다.
흔히 쉬운 설명을 위해 원자를 이루고 있는 작은 입자인 전자가 중심의 원자핵을 돌고 있다고 표현한다.
마치 태양 주변을 도는 행성들이 있는 태양계처럼!
"크~ 이 조그만 원자 구조가 거대한 태양계와 똑같네. 우주 만물은 이렇게 통한다구★"
그러나 이것은 실제 원자 구조와는 '매우' 다르다.
우리는 전자의 정확한 위치를 '관찰' 하여 나타낼 수 없다.
단지 원자핵이 중심에 있을때, 전자가 존재할 확률만 숫자로 나타낼 뿐이다.
존재할 확률이 높은 곳은 색을 진하게, 확률이 낮은 곳은 색을 연하게 그리면 이렇게 된다.
갑분싸.......
앞의 멋-진 태양계모형에 비하면 초라하게 보일 수 있지만 어쩔 수 없다!
이것은 인간의 관측 기술이 부족해서의 문제가 아닌,
이 우주에 포함된 하나의 진리이다!
한번쯤은 들어보았을 아인슈타인의 한마디
'아 진짜, 신이 어떻게 주사위 놀이 하냐? 장난해??' 라는 것도
이러한 현대물리학의 확률론적 관점을 비판하는 것이었지만,
이제는 누구나 안다.
확률을 쓰지 않고서는 더 이상 미시세계를 서술하는 것은 불가능하다 라는 것을.
모든 것을 정확하게 결정할 수 있는 결정론적 관점은,
아인슈타인의 저 유명한 발언과 함께 지나간 유물일 뿐이다.
말장난일 수도 있지만, 어떤 사람들은 이렇게도 표현한다.
그림 10 의 저 뿌연 그림을 그리기 위한 수학적인 모델은 한숨나올 정도로 간단하다.
위치 자체가 확률적인 것이지 그 확률에 대한 계산은 굉장히 쉬운 기초적인 수학인 것이다.
또한 전자가 존재할 확률 자체는 딱 정해져 있다.
그러므로 전자가 존재할 확률이 결정된, 확률론적 결정론이다! 라고 말하는 이도 있다.
양자역학에서 빠질 수 없는 주인공!
슈뢰딩거의 고양이 이야기를 빼놓으면 섭섭하다.
사실 슈뢰딩거가 양자역학의 확률개념을 비판하려고 만들어낸 실험이지만,
얄궂게도 가장~ 양자역학적인 특징이 담겨있어 오히려 양자역학을 대표하는 트레이드 마크가 되었다.
여러가지 버전의 이야기들이 있는데, 모르는 이를 위해 간단히 설명하자면 이렇다.
"밖에서는 볼 수 없는 상자 안에 고양이를 넣고, 유리병에 방사능 원소를 넣는다.
여기에 상자를 여는 순간 이 방사능 원소가 담긴 병이 깨지는데,
이 방사능 원소가 마시면 죽음에 이르게 하는 가스로 변할 확률이 1/2 이다.
즉 나머지 1/2은 마셔도 아무 영향이 없는 가스로 변할 확률이다."
우리는 밖에서 상자를 열기 전까지는 고양이가 어떤 상태인지 알 수 없다.
처음부터 죽어있던 고양이인지, 아니면 살아있는 고양이인지.
우리가 상자를 여는 순간（관찰을 하는 순간） 우리의 행동은 고양이의 상태에 영향을 미치게 될 것이며,
이 결과는 확률적으로 정해진다.（죽음의 가스이거나 영향없는 가스 이거나）
슈뢰딩거의 고양이를 양자역학적으로 설명한다면,
상자를 열기전의 고양이의 상태는 죽은 고양이와 산 고양이가 '중첩' 되어 있는 상태이다.
이 상태가 우리가 상자를 여는 순간 '고정' 되어
죽은 고양이의 상태가 되거나, 산 고양이의 상태가 되는 것이다.
이때 고양이가 죽을 확률은? 50% 이다!
그러므로 관찰하는 행위를 함으로써, 결과가 확률적으로 정해지는 것이다!
하지만, 사실 이 슈뢰딩거의 고양이는 실제 실험재현을 통해
양자역학의 확률적인 모습을 증명하기에는 적절한 예시가 되지는 않는다.
왜냐하면 고양이는 거시세계이니까!
우리가 '소립자만한 고양이' 를 가지고 실험하지 않는 이상,
고양이는 분명 간섭무늬가 나타나지 않기 때문에
상자를 열기 전에도 죽어있던 살아있던 어느 하나로 확정된 상태이다.
그러니 불쌍한 고양이는 그만 괴롭히자!
근데, 생각해보니 고양이 사실 세 가지 상태 아님?
죽은 상태
살아있는 상태
빡친 상태
ㅋ....ㅋㅋ...
이 개그를 본 독자들의 상태 : 빡친 상태
*모 커뮤니티에 수정하면서 적었던 버전입니다.(원래 내용과 많이 바뀌어 새로 올립니다)
지금 보니 좀 가벼워 보이는 것 같기도.....
*2012년 노벨물리학상을 받은 아로슈의 연구에서 원자를 이용하여 미시적인 슈뢰딩거 고양이 실험을 하는데 성공하였습니다. 이 실험에서 직접적인 관측을 하지 않아도 중첩되었다가 중첩이 풀렸다는 사실을 입증하였습니다. 관측을 피하면서 양자적인 중첩은 실재한다는 것을 증명한 사례가 되겠습니다.
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