양자 물리학은 신의 주사위 놀이인가 - 독후감 #01

도서명 : 양자 물리학은 신의 주사위 놀이인가 

저자 : 장상현

 

책 소개

사이언스 갤러리 시리즈 2권. 양자 물리학이 모든 과학자들에게 최종적으로 하나의 의심할 바 없는 ‘이론’으로 받아들여지기까지는 드라마틱한 과정이 숨어 있었다. 위대한 천재 아인슈타인마저도 끝끝내 양자 물리학을 온전히 받아들이지 못했을 정도로 양자 물리학은 ‘기이하면서도 매력적인’ 이론이었다.



이 책은 막스 플랑크, 닐스 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 아인슈타인 등 양자 물리학의 태동 과정에서 기여한 물리학자들의 이야기를 통해 양자 물리학의 주요 개념들을 알기 쉽게 설명하고 있다. 아인슈타인은 자연이 인간의 측정을 막는다는 생각에 대해 심한 거부감을 느꼈다. 그는 여러 가지 상상의 실험 장치를 고안하여 불확정성 원리를 공격했지만 하이젠베르크를 옹호하고 있던 보어에 의해 번번이 패배를 맛보았다.

 

 

감상문 쓰기

책을 즐겁게 읽었나요? 이제 책을 읽고 난 후의 생각과 느낌을 바탕으로 독서감상문을 써 봅시다. 독서감상문은 다음 내용을 생각하며 쓰는 것이 좋습니다.

• 책을 읽게 된 동기
• 이 책의 내용과 관계있는 나의 경험
• 책을 구한 방법
• 읽고 난 후의 생각과 느낌
• 줄거리 또는 주요 내용
• 이 책을 꼭 권하고 싶은 사람
• 인상 깊었던 내용과 그 이유

---

양자 물리학은 신의 주사위 놀이인가 -독후감 쓰기

  양자역학은 정말 흥미로운 학문이다. 감히 덧붙이건데 인간의 문명에 가장 큰 영향을 미친 학문 중 하나일지도 모른다. 이는 양자역학이 이 세상을 설명하는 학문이기 때문이라고 생각한다. 양자역학은 전자, 원자 등 너무나 작은 미시세계의 양자의 움직임을 설명하는 학문이다. 양자역학이 다루는 범위는 당연히 평범하게 눈으로 관측할 수 없다. 그렇기에 직감이나 경험으로 양자역학을 이해하는 것은 굉장히 어려운 일이다. 우리가 이해할 수 있는 것은 복잡한 이론과 실험결과 뿐이다. 이런 양자역학의 특성은 양자역학을 한층 더 신비한 학문으로 끌어올리는 듯 하다. 이런 신비로움과 흥미로움은 양자역학에 대한 호기심을 불러일으킨다. 때문에, 자연스럽게 여러 매체를 통해 양자역학을 접하게되어 양자역학에 대해 큰 호기심이 들었다. 어떤 것을 연구하는 학문인지, 어떻게 발전해왔는지 의문이 들었다. 특히, 슈뢰딩거의 고양이 실험이나 코펜하겐 해석등 양자역학과 관련된 유명한 소재에 대해 궁금했다. 책 '양자 물리학은 신의 주사위 놀인인가'은 그런 의문을 잘 해결해준것 같다. 이번 독후 감상문을 통해 이 책에 대한 감상을 적어보면서 양자역학이라는 새롭고 익숙한 분야에 이해를 다지고 한 층 더 다가가고 싶다.

 

  책 '양자 물리학은 신의 주사위 놀이인가'는 앞서 설명했듯이 양자역학을 다루고 있는 책이다. 양자역학의 한 부분을 설명하거나 복잡한 공식을 소개하기 보다는 전체적으로 어떤 학문인지, 어떻게 발전해왔는지 소개하며 양자역학을 이해하기 위해 필요한 지식들을 설명하고 있다. 특히, 제목이 인상깊은데, 아인슈타인의 명언 신은 주사위 놀이를 하지 않는다를 떠올리게 한다. 이 명언은 양자역학을 대하는 아인슈타인의 입장을 대변하는 말이자 양자역학의 논쟁을 가로지르는 중요한 발언이다. 이 책을 읽고 인상깊었던 부분들을 정리해보면서 이 명언에 대해 다시금 생각해보고자 한다.

 

  우선 첫번째로 인상깊었던 부분은 광양자설에 대한 설명이었다. 처음 광양자설을 접한 것은 물리학시간이었는데, 그때는 암기하기 바빠 흐르듯이 받아드렸다. 마찬가지로 광전효과와 빛의 이중성에 대한 부분도 깊이 이해하지 못했는데, 이번에 다시금 이해를 다질 수 있었다. 광양자설은 빛이 진동수에 비례하는 입자를 가진 광자로 이루어져 있다는 학설이다. 광전효과를 설명하는 와중에 등장한 이론으로 광전효과는 빛이 파동이라면 설명될 수 없기에 빛의 입자성을 증명하는 실험 중 하나이다. 즉 광양자설을 통해 빛의 설질에 대한 의문이 제기된 것이었다. 단순히 빛이 파동이고 입자라는 것을 입증한 것 뿐 아니라 이 이론은 플랑크의 양자가설과 함께 양자역학의 포문을 연 사건이었다. 이후 드 브로이의 물질파 이론이 발표되면서 모든 물질이 물질파라는 파동이라는 것이 밝혀졌다.

 

  두번째로 인상깊었던 것은 전자의 이중 슬릿 실험이었다. 토마스 영이 제시한 실험으로 이중 슬릿에 빛을 통과시키면 간섭무늬가 나타난다. 이는 빛이 파동이라는 증명이다. 그런데 정말 희한한 현상이 이중 슬릿 실험에서 관측된다. 전자를 대량으로 통과시키면 당연히 간섭무늬를 확인할 수 있다. 전자도 물질파이므로 서로 간섭할 것이다. 그러나 전자를 하나씩 내보내면 간섭무늬가 관측되어서는 안된다. 간섭할 대상이 없으니 당연히 이중슬릿은 간섭무늬가 관측되지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고 실험결과 하나씩 내보낸 전자는 결국 간섭무늬를 그렸다. 간섭할 대상이 없는데 어떻게 간섭무늬를 그리는 것일까? 이를 해결할 수 있는 답은 전자가 스스로 간섭했다는 결론뿐이다. 전자가 파동의 형태로 퍼져있다가 이중슬릿의 두 문을 동시에 지나가는 것이다. 그러나 우리는 결코 전자가 동시에 지나가는 것을 관측할 수 없다. 관측하려 하면 전자는 하나의 입자로만 보인다. 즉 관측하기 전에는 파동처럼 퍼져있다가 관측하는 순간 입자의 형태로 모인다는 것이다. 정말 귀신이 곡할 노릇이 아닐 수 없다. 이 이중슬렛 실험을 계기로 학계는 큰 논쟁에 휩싸였다.

 

  마지막으로 인상깊었던 부분은 코펜하겐 해석에 관한 부분이었다. 이중 슬랫 실험이후, 슈뢰딩거는 물질파의 움직임을 계산하는 파동방정식을 만들어냈다. 파동방정식을 통해 전자의 움직임을 설명할 수 있었다. 결국, 전자는 파동이자 입자라는 결론이 내려지는 듯 했다. 아인슈타인 슈뢰딩거, 드 브로이 등 저명한 물리학자들이 이를 지지했다. 그러나 보어, 하이젠베르크 등 젊은 물리학자들이 모인 코펜하겐 학파는 이런 해석에 크게 반발했다. 그들은 전자가 파동도 아니고 전자도 아닌 양자 상태라고 주장했다. 양자 상태는 외부의 영향이 없으면 변하지 않는 물리값을 가지는데 이때 측정에 따라 다른 결과를 보여주는 상태이다. 이는 파동방정식에 의해 계산된 결과는 그 입자가 있을 확률이라는 확률해석과 위치와 운동량을 한번에 알아내는 것은 불가능하다는 불확정성의 원리에 기초한다. 이때. 아인슈타인은 보어와의 논쟁 끝에 탐탁치 않게 확률해석과 불확정성의 원리를 받아드렸다. 그러나 아인슈타인이 도무지 받아드릴 수 없었던 것은 양자상태에서 측정할때, 파동방정식이 무작위로 붕괴한다는 것이었다. 예를 들어서 어떤 입자를 골라 측정하면 무작위로 스핀이 위나 아래 둘 중 하나가 결정된다. 아인슈타인은 이 결정되는 방식이 우연이나 확률이 아니라고 생각햇다. 그는 세상을 구성하는 원리가 무작위로 이루어지는 것은 불가능하다고 본 것 같다. 때문에. 신이 주사위놀이를 하지 않는다고 발언한 것이다. 아인슈타인은 이런 코펜하겐 해석을 깨기위해 일생을 바쳤지만 무너뜨리지 못했다. 이후 코펜하겐 해석은 널리 알려졌다. 이 부분을 읽으면서 말로만 듣던 코펜하겐 해석이 어떤 해석인지, 어째서 아인슈타인이 받아드리지 못한 것인지 알 수 있었던 것 같다. 

 

  이 책을 읽으면서 양자역학에 대해 작게 나마 한발자국 나아간 것 같다. 특히, 말로만 듣던 코펜하겐 해석이나 이중슬렛에 관한 내용은 정말 흥미로웠다. 이외에도 양자역학이 적용되는 핵, 반도체, LED 에 대한 설명과 코펜하겐 해석 이외에 다중우주 해석등 양자역학에 관한 지식을 배울 수 있었다. 양자역학은 아직도 베일에 쌓여있는 학문이다. 어쩌면 코펜하겐 해석을 넘어 다른 해석이 나타날지도 모른다. 혹은 양자역학의 발전으로 더 진보된 과학기술을 누릴 수 있을지도 모른다. 이번 시간을 통해 양자역학에 대한 이해를 다질 수 있었고 관련된 의문을 해소할 수 있었던 같다. 아인슈타인이 말한대로 신이 이 세상을 정확히 설계했는지 혹은 유흥 속에서 탄생된 것인지 앞으로도 연구는 계속될 것 같다.