유레카 3 - 스물한번째 이야기
(양자역학! 이 사건은 철학적으로는 우주를 지배하는 두 번째 규칙을 발견한 대사건이다. 인류는 우주 프로그래머의 두 번째 규칙을 발견하였다)
1부. 우주
8장. 세 번째 프로그램, 세 번째 프로그래머 2
* 이 글은 <유레카3>의 21번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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57. 유신론(有神論)과 유물론(唯物論)
우리 우주는 거시 우주의 결정성, 즉, 인과율(因果律)에 따라 정해진 길을 걸어 가는 첫 번째 규칙이 있다. 이 규칙에는 시작과 끝이 이미 정해져있다. 미래는 예정되어 있고 그것이 변화할 가능성은 없다. 이것을 신이 미리 정해놓았다고 믿는 것이 예정론(豫定論)이며 유신론(有神論)이다. 같은 논리로 이미 다 정해져 있으므로 신이 개입할 여지가 없고 그러므로 신은 없고 오직 물질만이 존재한다고 생각한다면 그것이 곧 유물론(唯物論)이다. 그러므로 유신론과 유물론은 뉴턴에서 시작되어 아인슈타인으로 마무리되는 고전역학의 결정성에 기초한 뿌리가 같은 사상이다. 그것은 어떤 방향에서 보느냐의 차이이지 결코 근본이 다른 사상은 아니다.
마르크스(Karl Heinrich Marx. 독일 1818년 ~ 1883년)시대에는 아직 과학이 양자역학에 미치지 못하였고 거시우주의 우주의 움직임을 규정한 고전역학에 머물러 있었다. 과학은 당시의 사실성을 대변한다. 마르크스는 철학에 과학을 접목시킨 위대한 철학사상가임에는 틀림이 없지만 애석하게도 마르크스 시대의 과학은 고전역학이었다. 지금은 중학생이면 배우는 고전역학은 당시엔 최첨단 과학이론이었고 우주의 움직임 즉, 신의 규칙을 인간이 규명한 인류 최초의 사건이었다. 고전역학의 규칙에 따라 우주의 미래는 정해져 있고 당연히 인류의 역사도 정해져있다. 그것을 반영한 것이 마르크스의 역사발전론이다.
만약에 마르크스가 양자역학을 알았더라면 그의 역사발전론과 계급투쟁론은 당연히 바뀌었을 것이고 공산주의 이론도 바뀌었을 것이고, 그러면 현대의 역사도 많이 바뀌었을 것이다.
마르크스(Karl Heinrich Marx. 독일 1818년 ~ 1883년)
58. 양자역학의 발견
미시우주는 양자역학의 세계이다.
독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901년~1976년)가 제안한 불확정성의 원리는 양자역학을 규정하는 대표적인 규칙이다. 그는 이 원리를 발표하여 1932년 노벨물리학상을 받는다. 그의 나이 고작 31살(한국식이면 32살) 때의 일이다.
이 젊은 청년과학자는 도대체 무슨 일을 한 것일까?
베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901년~1976년)
불확정성의 원리를 수학으로 설명하면 <입자의 위치와 운동량을 곱하면 일정한 숫자보다 항상 크다>이다.
그래서 이게 어떻다는 뜻일까?
이를 방정식으로 표현한 것이 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger, 오스트리아 1887년-1961년)의 방정식이다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다. 여러번 말하지만 우리는 철학적 의미를 깨닫는 것이 목표이므로 이 수식을 알고 이해하면 좋지만 이것이 의미하는 뜻을 아는 것만으로도 충분하다. 이 수식을 이해하지 못한다고 실망하거나 슬퍼할 필요는 없다.
그는 이 공로로 1933년 노벨물리학상을 받는다. 슈뢰딩거의 방정식은 일종의 미분방정식인데 이것이 고전역학의 방정식들과 다른 것은, 고전역학의 뉴턴의 운동방정식에 조건을 대입하면 하나의 해가 얻어지지만 즉, 초기조건만 알면 그 운동이 어찌될지 정확히 예측할 수 있지만, 양자역학의 운동을 설명하는 슈뢰딩거 방정식에 조건을 넣으면 하나의 해가 아니라 여러 개의 해가 구해진다.
이 해들은 움직이는 파동으로 이해되었고 이 파동의 움직임을 확률함수로 나타낸 사람은 막스 보른(Max Born, 독일 1882-1970) 이었다. 이 분 또한 양자역학과 결정학, 광학 등의 공로로 1954년 노벨 물리학상을 수상한다.
슈뢰딩거와 보른
확률(確率).
입자의 미래가 확률로 정해진다. 당시의 아인슈타인을 비롯한 고전역학자들은 이를 도저히 납득하거나 받아들일 수 없었다. 심지어 양자역학의 방정식을 만들어 낸 슈뢰딩거조차도 이를 용납 못하고 고양이가 사니 죽니를 운운하며(슈뢰딩거 고양이 패러독스) 아인슈타인 편에 선다. 이들의 논리는 양자역학은 완벽한 이론이 아니고 아직 발견하지 못한 어떤 물리량이 있는 것이고 그것을 찾아내면 고전역학과 같이 입자의 움직임과 미래를 정확하게 예측할 수 있다는 것이다.
59. 슈뢰딩거의 고양이 패러독스
이 이야기는 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전성을 이야기하기 위하여 지어낸 이야기이지만 오히려 요즘은 양자역학을 이해시키는데 활용하는 이야기이다.
이 이야기에는 방사능을 가진 원자핵과 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 안에 들어있고, 이 상자는 독가스가 들어있는 통과 연결되어 있다. 독가스는 밸브에 가로막혀 상자 속으로 들어갈 수 없으며, 독가스가 들어있는 통 역시 외부 세계와 완전히 차단되어 밸브가 열리는지 볼 수 없다. 이 밸브는 원자핵이 든 기계 장치와 연결되어 있는데, 그 기계 장치는 원자핵이 붕괴하여 방사능을 방출하면 그것을 검출하여 밸브를 연다. 밸브가 열린다면 고양이는 독가스를 마시므로 곧 죽게 된다. 덧붙여 원자핵은 단위시간당 50%의 확률로 붕괴하도록 세팅되어 있다. 이제 단위시간이 지난 후 어떤 일이 벌어질까? 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다.
이 아무것도 아닌 이야기가 과학적으로 문제가 되는 것은 상자를 열어보기 전과 후의 상태 때문이다. 이것에 대한 대표적인 해석은 두 가지인데 <코펜하겐 해석>과 <에버렛 해석>이다.
코펜하겐 해석은 보어, 하이젠베르크, 보른을 중심으로 한 해석이다. 양자역학의 대부인 닐스 보어 (Niels Henrik David Bohr, 1885. 10. 7~1962. 11. 18, 덴마크의 물리학자, 1922년 노벨물리학상 수상)의 연구소가 코펜하겐에 있었다. 보어는 당대 최고의 물리학자인 고전역학의 아인슈타인과 맞짱뜨며 뜨거운 과학 논쟁을 하였다.
이 해석은 실험이 진행되는 과정에서는 여러 상태(고양이가 죽거나 산 상태)가 중첩적으로 나타나다가, 측정이 시행되는 순간 하나의 상태로 확정된다고 말한다. 다시 말해 상자가 닫혀 있을 때, 고양이의 상태는 죽은 고양이의 상태와 살아 있는 고양이 상태의 중첩으로 나타나지만, 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 두 가지 상태 중의 하나로 확정된다는 것이다. 이것은 고양이의 상태가 객관적인 결론으로 분명해지는 것이 아니라, 관측자와의 상호작용 결과라는 것을 의미한다.
일견 우리의 상식으로는 잘 이해가 안 되는 부분이다. 내가 보든 안 보든 고양이가 살아있거나 죽어있거나 둘 중에 하나일 텐데 보기 전에는 알 수 없고 보는 순간 결정된다는 의미이다. 어찌 이런 일이. 자연 현상이 내가 본다고 달라지고 보지 않는다고 달라지지 않는다는 뜻인가? 그러나 실제로 미시세계의 현상은 이리 나타난다고 생각해야 해석이 가능하다.
주사위를 예로 들면 이해가 조금은 쉬울 듯하다.
주사위를 던져 1이 나올 확률은 1/6이다. 이는 주사위를 던지기 전부터 던져서 공중에 떠 있는 순간, 바닥에 떨어져 데굴데굴 구르는 순간까지도 확률은 1/6이다. 그리고 주사위가 멈춰 섰지만 내가 보지 않았다면 아직까지 확률은 1/6이다. 이 순간까지 1부터 6까지의 모든 숫자가 중첩되어 있다고 할 수 있다. 그러나 우리가 결과를 관측하는 순간 1인지 다른 수인지가 결정된다.
양자역학이 다루는 미시우주의 세계는 거시우주의 세계와는 서로 다른 프로그램이 적용된다고 할 수 있다.
코펜하겐 해석을 반대하는 사람들은 ‘태양과 달이 관측할 때만 존재한다고 말하는 것이 과연 옳은가?’ 라고 반문한다. 그러나 이것은 미시세계의 일일뿐 거시세계와는 관련이 없다.
에버렛 해석은 1972년에 휴 에버렛 3세(Hugh Everett III)가 제안한 해석으로 상자 속의 고양이는 죽어 있는 고양이와 살아있는 고양이가 섞여 있는 중첩 상태가 아니라, 살아있는 고양이와 죽어 있는 고양이가 모두 존재한다. 관측자가 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간, 우주는 살아있는 고양이를 포함한 우주와 죽어 있는 고양이를 포함한 두 개의 우주로 분리된다는 것이다. 영화와 같은 이 이야기는 실제로 벌써 몇몇 영화의 소재로 쓰였다. 이렇게 되면 확률이 나타날 때마다 우주가 나눠지게 되는데 우주가 너무 많아져서 나는 이 해석은 채택하지 않기로 하겠다.
아무튼 이런 논란이 있고 벌써 7-80년이 흘렀는데도 양자역학이 붕괴되지 않고 오히려 더 확고하게 현대물리학에 자리 잡은 것을 보면 양자역학의 확률성은 이제 현대물리학에서 사실로 인식된 것 같다.
양자역학을 설명하는 3단어를 말하라면 확률, 중첩, 관찰자이다.
확률은 비슷하지만 똑같지는 않다는 의미이다. 미세한 불균형이 확률의 특징이고 입자와 반입자의 10억분의 1의 불균형, 우주 배경 복사의 10만분의 1의 불균형이 우리 우주를 만드는 결정적인 역할을 하였다.
중첩은 에너지 즉, 파동은 중첩되어 나타나는 것이 당연한 것이지만, 에너지는 곧 입자이므로 미시세계에서는 입자가 중첩되어 나타날 수 있다는 것이고, 그것을 관찰자가 관찰하는 순간 입자의 위치가 결정된다는 것이다. 미시세계에서는 관찰자가 상당히 중요한 역할을 한다. 관찰자는 물론 그것을 의식하고 있는 생명이다.
관찰자. 관찰자가 보는 순간 입자의 위치나 운명이 결정된다고 했는데, 단순한 관찰을 넘어 미시 입자에 영향을 줄 수 있을까하는 생각할 수 있다. 생명의 의지는 에너지이다. 에너지인 것은 확실하지만 물리적으로 규명이 되지 않은 에너지이다. 우리는 이런 에너지를 암흑에너지라고 규정하였다. 생명의 의지는 우리 우주의 73%를 차지하고 있는 암흑에너지의 한 부분이다.
이제 여기에서 한가지 추론이 가능해진다. 생명의 의지는 에너지이므로 당연히 미시입자에게 영향을 미친다. 미시입자가 단순한 결정성이나 확률성을 넘어 생명의 의지가 원하는 데로 움직일 수 있다는 뜻이다. 미시입자의 움직임은 당연히 거시 우주에 영향을 미친다. 미시 입자들이 모여 우리가 눈으로 보는 거시 우주를 만든 것이기 때문이다.
우리가 간절히 원하면 미시 입자들은 더 많이 움직일 것이고, 그것은 거시 우주에 더 큰 영향을 미칠 것이다. 우리는 이것을 염원(念願)이라고 표현하고, 종교적 용어로는 기도(祈禱)라고 한다.
그러므로 그대가 어떤 신앙을 가지고 있다면 간절히 기도하는 편이, 신앙에 기대지 않더라도 간절히 염원하는 편이 그대가 하고자 하는 일의 성공 확률을 훨씬 더 높일 수 있다는 뜻이다.
양자역학!
이 사건은 철학적으로는 우주를 지배하는 두 번째 규칙을 발견한 대사건이다. 인류는 우주 프로그래머의 두 번째 규칙을 발견하였다.
원본 ; 2014년 2월 27일
1차 수정 ; 2014년 4월 25일
2차 수정 ; 2014년 10월 23일