모든 것에 양자가 있다 - 우리의 일상을 이루는 양자역학의 모든 것

세상을 만들어 내는 질서이자 우주를 조율하는 과학,
양자론의 모든 것을 이야기하다

세상을 구성하는 최소 단위인 ‘양자(quantum, 量子)’란 과연 무엇인지, 그리고 그것이 어떻게 우리가 사는 세상을 만들어 내는지를 명쾌하게 설명해 주는 교양과학 도서 《모든 것에 양자가 있다: 우리의 일상을 이루는 양자역학의 모든 것》(원제: 量子で み解く生命·宇宙·時間)이 문학수첩에서 출간되었다. 도쿄대학교에서 소립자론을 전공한 저자 요시다 노부오 박사는 이 책에서 ‘전자는 입자이자 파동’이라거나 ‘양자론은 애초에 인간이 이해할 수 없는 것’이라는 모호한 입장을 거부하고 ‘원자는 사실은 파동’이라는 결론에서 출발해 양자를 둘러싼 온갖 의문에 답한다.

물질이 복잡하면서도 정교한 형태를 유지하는 이유는?
양자론의 등장 배경과 양자 효과의 결과

‘양자’란 무엇일까? 사전적인 뜻은 “더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위”로, 양자론이란 ‘양자의 관점에서 전개되는 물리학 이론’을 통틀어 이르는 말이다. 이 양자론을 통해서야 비로소 설명 가능해지는 물리적인 효과, 즉 ‘양자 효과’는 물질과 관련된 온갖 물리현상에서 발견된다. 전자가 원자핵에 끌어당겨지지 않고 일정한 간격을 둔 채 그 주위를 도는 것, 그래서 원자가 붕괴하지 않고 규칙적으로 배열되어 결정구조를 실현하는 것, 그 결정구조가 거시적인 물질을 형성하고 형태를 갖추는 것은 모두 이런 양자 효과 덕분이다. 뿐만 아니라 생물의 세포막이 구조적 안정성을 갖추고 생명을 유지하는 것, 열을 받은 금속이 금방 구부러지고 유리가 투명한 이유, 시간이 끊임없이 흐르는 이유, 태양계 행성들의 탄생 같은 우주적인 규모의 현상들도 다 양자 효과와 결부시켜 설명할 수 있다.
책의 1부 ‘양자론의 수수께끼’에서는 고전물리학으로는 설명할 수 없는 물리현상의 사례를 들면서 양자론의 등장 배경을 설명한다.
뉴턴역학을 바탕으로 하는 고전물리학에 따르면, 인접한 두 입자는 서로 끌어당기거나 멀어진다. 뉴턴 운동방정식에는 두 입자의 간격을 일정하게 유지하는 메커니즘이 없으며, 따라서 원자핵과 이를 둘러싼 전자가 합체하지 않고 안정적인 상태가 되는 일은 있을 수 없다. 전자기장과의 상호작용으로 에너지를 잃은 전자는, 대기와의 마찰로 에너지를 잃은 인공위성이 궤도를 벗어나 지구로 추락하듯 원자핵을 향해 떨어진다. 원자핵과 전자가 달라붙으면 전기적으로 중성인 덩어리를 형성하면서 물질은 붕괴한다. 아예 형태라는 것을 갖출 수가 없는 것이다. 이처럼 기존 역학으로는 설명할 수 없는 현상에 대해 ‘혹시 전자 같은 물질의 구성 요소는 입자와는 다른 게 아닐까?’라는 발상의 비약으로 등장한 것이 바로 양자론이다.
2부 ‘양자론의 두 계보’에서는 양자역학계의 주류로 평가받아 온 하이젠베르크나 보어의 이론과 달리 종종 이단으로 치부되었던 아인슈타인, 슈뢰딩거, 요르단의 파동장 개념을 이용해 양자 현상을 설명함으로써, 우리의 일상에서 흔히 접하는 물리현상의 근원에 무엇이 있는지를 이야기한다.
저자는 양자역학이 이해하기 어려운 골치 아픈 학문이 된 이유 중 하나는 보어와 하이젠베르크의 난해한 학설이 양자론의 표준으로 받아들여졌기 때문이라고 지적한다. 보어와 하이젠베르크는 ‘어차피 자연의 본질은 인간이 알 수 없는 것’이라는 생각에 수식과 관측 결과에 이론을 끼워 맞추는 방법론을 채용했는데 이는 ‘일단 전자를 입자처럼 다루고, 그런 다음 불확정성원리를 적용한다’는 것이었다. 반면 슈뢰딩거와 요르단 등은 현상과 합치하는 수식을 얻는 데 만족하지 않고 진동이나 파동 같은 구체적인 이미지를 지도 원리로 삼아서 현상의 근간에 무엇이 있는지를 고찰하고자 했다. 저자는 특히 뉴턴역학에 따르면 있을 수 없는 원자의 안정적인 상태를 파동으로 해결한 슈뢰딩거와, 전자 안에 널리 존재하는 ‘장(場)’이 파동을 만들어 낸다고 가정한 요르단의 업적을 부각한다.


살아있으면서 죽은 고양이가 있을 수 있을까?
진정한 양자론의 이해를 위하여

마지막으로 3부 ‘양자론을 상식의 범위 안으로 되돌린다’에서는 고양이가 살아있는 동시에 죽었다거나 관측 자체가 상태에 영향을 준다는 등 현실적인 차원에서는 이해하기 어려운 이론들과 현상들을 파동의 움직임으로 해명한다.
결론부터 말하면 전자는 파동이며, 외부로부터의 작용으로 정상파가 흐트러지지 않을 때에 한해 입자처럼 움직인다. 전자의 장에 갇힌 파동은 특정하게 배열되었을 때 안정적인 공명 상태를 형성한다. 이러한 공명 패턴은 모두 같은 에너지를 가지며 마치 하나의 입자처럼 움직인다. 이것이 전자가 이따금 입자처럼 보이는 이유다. 즉 파동성과 입자성은 배타적인 것이 아니며, 공명 패턴을 이루는 정상파가 질서를 형성하고 생명현상 같은 복잡한 사건을 가능케 한다는 것이 저자가 말하는 양자론의 핵심이다.
저자는 매우 확고하게 말한다. “살아있는 고양이와 죽은 고양이의 파동이 실제로 중첩되는 일은 있을 수 없다”고. 독가스가 들어있는 플라스크를 깨뜨려서 고양이를 죽일 수 있는 중성자의 베타붕괴는 50퍼센트의 확률로 일어나거나 일어나지 않는다.

베타붕괴가 일어나는 사례에서는 초보다 몇 자리는 짧은 순간마다 다른 역사로 분기하게 된다. 화학반응의 경우도 반응 전후의 상태는 서로 간섭하지 않으므로, 세계 어딘가에서 분자 1개가 화학반응을 일으킬 때마다 별개의 역사가 탄생한다. 이런 무수한 역사가 전부 평행 우주로 실존한다고는 도저히 믿기 어렵다. 베타붕괴나 화학반응 같은 간섭하지 않는 상태로의 변화(탈간섭)에 따라 구별되는 역사는 식으로 표현될 뿐인 가상적인 것으로, 실제로는 그중 하나가 실현된다고 생각하는 것이 타당하다.(220쪽)

그러나 파동의 겹침이 아예 일어나지 않는 것은 아니며, 수면에 퍼지는 잔물결이 겹치거나 현악기 줄을 튕겼을 때 그 파동이 겹치듯 원자 층위에서는 지극히 평범하게 일어나는 현상이라고 저자는 말한다. 그러면서 이러한 양자론적인 파동의 겹침, 즉 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 상태가 어떻게 양자 컴퓨터에 활용되는지를 살펴본다.
양자론은 ‘살아있으면서 죽은 고양이’나 ‘파동 입자 이중성’으로 이야기되는 그 유명한 이중 슬릿 실험이 대표하는 것처럼 결코 상식을 벗어난, 이해할 수 없는 이론이 아니다. 저자가 생각하는바 양자론은 물질의 “근간에 존재하는 미세한 파동이 서로 간섭함으로써 이 세상이 유연하게 변화하고 있음을 분명히 하는 이론”이다.