강아지도 배우는 물리학의 즐거움 by 채드 오젤

[ 읽은 이유 ]

 

문과를 나오고 경상대를 나온 나로서는 수학, 물리, 화학, 생물 등

등 어려운 과목이었다. 모르는 부분은 과감히 건너뛰는 과목들이었다.

 

양자물리학/양자역학에 대해 대중들을 위한 서적이라고 하여

집어 들었다.

 

[ 배운 점 ]

 

한 때는 좋았 했던 디펙 초프라가 왜 사기꾼(?)...아니 그냥 밥벌이로 책을 쓰는 사람인지 알게 되었다.

 

'시크릿'류의 책들이 왜 과학적인 듯 포장을 한 장사책인가를 알게 된다.

쉽게 쓸 수 없는 것들에 대하여 쉽게 쓴 다는 것이 얼마나 어려운 것인가를 알게 된다.

 

[ 주요 내용 ]

 

ㅇ 현대 물리학은 고전적인 법칙과는 크게 다른 두 부분으로 구성되어 있다

 

    1) 아주 빠르게 움직이거나 아주 강한 중력의 영향을 받는 물체에 대한

       상대성 이론

 

    2) 양자물리학이나 양자역학은 빛이나 분자나 작은 원자나 아원자 입자와 같은

       아주 작은 것을 취급하는 물리학

 

ㅇ 전자의 양자적 본질을 이해하지 못했다면 오늘날 컴퓨터를 움직이는 반도체 칩을 만들 수 없었을 것이다. 빛과 원자의 양자적 본질을 이해하지 못했다면 광성유 통신선을 통해서 신호를 보내는 레이저도 만들 수 없었을 것이다.

 

ㅇ 뉴턴은 움직이는 물체의 행동을 지배하는 세 가지 운동 법칙을 정립했다.

 

    - 1법칙: 외부의 힘이 가해지지 않는다면 정지해 있는 물체는 계속 정지 상태에 있다.

 

    - 2법칙: 제1법칙을 정량적을 표현한 것으로 힘은 질량에 가속도를 곱한 것과 같다는 뜻의 F=ma라는 방정식으로 표현된다.

 

    -3법칙: 모든 작용에 대해서 크기는 같고 방향은 반대인 반작용, 즉 반대의 힘이 작용한다는 것이다.

 

일상적인 속도로 움직이는 거시적 물체의 움직임을 설명해주는 이 세가지 법칙이 고전 물리학의 핵심이다.

 

ㅇ 입자형 물체는 분명한 위치 (어디에 있는지를 알 수 있다), 분명한 속도 (어떤 방향으로, 얼마나 빨리 움직이는지를 알 수 있다). 그리고 분명한 질량 (얼마나 큰지를 알 수 있다)을 가지고 있다. 질량과 속도를 곱하면 모멘텀 (momentum, 운동량)이라는 양이 된다.

 

ㅇ 모멘텀은 두 입자가 충돌할 때 무슨 일이 일어날 것인지를 결정해주는 물리량이다.  움직이는 물체가 정지해 있는 물체에 충돌하면, 움직이던 물체의 속도는 느려지면서 모멘텀이 줄어들고, 정지해 있던 물체는 속도가 증가하면서 모멘텀이 늘어난다.

 

ㅇ 파동은 무엇이 움직이면서 만들어지는 변위 (disturbance) 이다.....변위의 패턴이 변화하는 것을 파동의 움직임이라고 인식한다.

 

ㅇ 파동 자체는 공간에서 변위의 확산일 뿐이지 분명한 위치와 속도를 가진 물리적인 것은 아니다.

 

ㅇ 입자는 불연속적이지만, 파동은 연속적이다. 입자의 경우에는 한 개, 두 개, 또는 세 개가 있다고 말할 수 있지만, 파동은 존재하거나 존재하지 않는다.

 

ㅇ 소리의 파동은 공기 중에서 전파되는 압력파이다

 

ㅇ 불확정성 원리는 단순히 측정 자체가 시스템의 상태를 바꾼다는 뜻이 아니라, 우리가 측정할 수 있는 것에 한계가 있다는 뜻이야. 우리가 위치와 모멘텀을 측정할 때까지는 위치와 모멘텀이 정의되지 않는다는 이유 때문이지.

 

ㅇ 네 측정 방법의 한계 때문에 불확실해지는 것이 아니라, 정의되지 않기 때문에 불학실하다는 뜻이란다. 존재의 양자적 성질 때문에 물리량이 정의될 수 없다는 말이지.

 

ㅇ 불확실성이 너무 작기 때문이지. 네 뼈는 수백 그램은 되겠지. 내가 네 뼈의 속도를 초속 1밀리미터 수준으로 측정했다면, 위치의 불확실성은 10의 (-)31미터 정도가 될 뿐이야. 그 정도면 양자적 크기의 1조 분의 1이지. 그런 정도의 차이를 알아차릴 수 있는 방법은 없단다.

 

ㅇ 불확정성의 원리....위치를 더 정확하게 측정하면, 모멘텀에 대한 정보를 잃어버릴 수 밖에 없고, 그 반대도 역시 사실이다.

 

ㅇ 불확정성 원리는 측정의 세부적인 과정과는 아무런 관계가 없다. 양자 불확정성은 양자 물체가 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있기 때문에 나타나는 것으로 우리가 알아낼 수 없는 근본적인 한계에 해당하는 것이다.

 

ㅇ 불확정성은 양자물리학이 철학과 가장 먼저 충돌하는 문제....측정에서의 근본적인 한계의 개념은 고전 물리학의 목표나 기초와 정면으로 충돌한다.

 

 

ㅇ 어떤 경우에도 △x와 △p 모두를 0이 되도록 만들 수는 없다. 하나를 작게 만들면, 다른 하나는 반드시 켜야 하고, 그 곱은 언제나 하이젠베르크 한계보다 커야 한다.

 

ㅇ 동시에 입자와 파동의 특징 모두를 가지고 있기 때문에 우리가 치러야 할 대가가 바로 위치와 모멘텀이 불확실하다는 것이다. 불확정성의 원리의 의미는 단순히 위치와 모멘텀을 측정하는 것이 불가능하다는 것이 아니라, 그런 양들이 절대적인 의미에서 존재하지 않는다는 것이다.

 

ㅇ 일반적으로 측정하지 않은 대상이 겹침 상태에 존재한다는 것은 맞아. 하지만 겹침 상태는 아주 쉽게 붕괴된단다. 단 하나의 광자를 합수하거나 방출하는 정도의 변화만 생겨도 확실한 값을 가진 고전적 상태로 붕괴되어버리지.

 

ㅇ 양자역학....이론을 지배하고, 파동함수를 계산하도록 해주고, 그 행동을 예측하도록 해주는 수학적 방정식이 있지만, 그 파동함수가 무엇을 뜻하는지는 분명하지 않다. 우리가 계산하는 파동함수를 실험에서 측정하는 양과 연결시키기 위해서는 추가적인 설명이라고 할 수 있는 '해석'이 필요하다.

 

 

ㅇ 파동함수, 허용 상태, 확률, 측정의 네 가지 개념이 양자이론의 핵심 요소이다.

 

ㅇ 확률로부터 측정의 결과를 어떻게 얻을 수 있는지를 설명해주는 수학적 과정이 없다는 것이 문제가 된다.

 

ㅇ 확률분포만으로는 각각의 측정에 대한 정확한 결과를 예측할 수 없다. 측정을 하는 과정에 무엇인가 신비로운 일이 일어난다는 뜻이다. 이러한 '측정 문제'가 양자역학 해석에 다양한 견해가 등장하게 된 원인이고, 물리학이 철학적이 될 수 밖에 없었던 이유이다.

 

ㅇ 파동함수가 동시에 둘 또는 그 이상의 상태로 구성되어 있는 양자적 겹침 상태에서 오직 하나의 상태에 있는 것으로 밝혀진 단 한번의 측정에 대한 고전적 결과에 이르는 단계를 설명하는 방식에서만 차이가 있을 뿐이다.

 

ㅇ '붕괴' 자체의 개념도 문제가 된다. 붕괴를 설명하는 수학식은 없다.

 

ㅇ 코펜하겐 해석은 무슨 일이 일어나는지는 말해주지만, 왜 그런 일이 일어나는지는 설명해주지 못한다. 양자와 고전의 차이를 설명하는 방법은 여전히 논란의 대상이다....양자적 대상을 측정할 때 정확하게 무슨 일이 일어나는지에 대한 자세한 설명을 해줄 이론이 등장하게 될 수도 있다. 그때까지는 양자역학에 대한 다양한 해석 중 하나에 만족할 수 밖에 없다.

 

ㅇ 우리가 동시에 여러 상태에 있다는 사실을 인식하지 못하는 이유는 무엇일까?  에버렛에 따르면 그 이유는 파동함수에서 관찰자를 분리시킬 수 없기  때문이다. 관찰자는 "왼쪽 상자에 들어 있는 과자와 왼쪽 상자에 있다는 사실을 알고 있는 강아지"의 경우처럼 시스템의 다른 부분에 함께 포함된다. 그래서 우리는 전체 파동함수 중에서 우리 자신이 포함된 작은 부분만 인식한다.

 

ㅇ 측정을 하면 무슨 일이 일어난다. 그런 과정에서 파동함수의 물리적 붕괴가 포함되거나 또는 계속 확장되고 진화하는 파동함수의 한 가지만을 인식하거나 상관없이, 측정은 능동적인 과정이다. 상태를 측정하기 전까지는 물체는 모든 가능한 상태의 양자적 겹침 상태로 존재하지만, 측정을 한 후에는 즉시 오직 하나의 상태로만 관찰된다.

 

ㅇ 터널현상: 담장을 향해서 달려가는 강아지처럼, 장애물을 향해서 움직이는 입자가 마치 장애물이 없는 것처럼 장애물을 통과해버리는, 쉽게 예상하기 어려운 양자 현상이다. 양자 입자의 파동적 특성의 직접적인 결과이다.

 

ㅇ 물리학에서 '에너지'를 정의한다면, "어떤 물체의 에너지 함량은 자체의 움직임이나 다른 물체의 움직임을 변화시킬 수 있는 능력의 크기를 나타낸다."  물체는 움직이기 때문에 에너지를 가질 수 도 있고, 움직일 수 있는 위치에 정지해 있기 때문에 에너지를 가질 수도 있다.

 

ㅇ 온도는 물체를 구성하는 개별적인 원자의 움직임에 의한 에너지를 나타내고, "절대 온도 0도"는 그런 움직임이 멈춰진 가상적인 온도를 뜻한다.

 

ㅇ 얽힘은 기본적으로 두 물체의 상태 사이의 상관성을 말한다.

 

ㅇ 고전적인 팩스 장치처럼, 실제로 전달되는 것은 오직 정보뿐이다. ...양자 공간이동을 이용하면 특정한 상태나 상태의 겹침을 한 곳에서 다른 곳으로 전달할 수 있다. 그러나 수신용 팩스 장치에 종이나 잉크가 준비되어 있어야 하는 것과 마찬가지로, "공간이동 될 "상태가 원자의 상태라면 공간이동의 반대쪽에도 적당한 원자가 기다리고 있어야 한다.

 

ㅇ 양자 공간이동은 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨야 할 필요가 있는 대상이 상태에 대한 정보일 때에만 유용하고 중요하다. 오늘날 그런 일을 응용할 수 있는 분야는 바로 양자 계산이다.

 

ㅇ 양자역학은 마술이 아니다. 아무리 불가능하고 신기하게 보이더라도 양자역학은 물리학의 일반 원리에 맞는 과학이론이다......양자역학을 왜곡시키는 엉떠리 과학자들이 활동하는 두 가지 주요 영역 중 하나가 바로 '자유 에너지' 분야이다.

 

ㅇ 양자물리학에 따르면 영점 에너지는 가장 낮은 에너지 상태에 있는 경우에도 존재하는 에너지이다.....영점 에너지가 존재하는 이유는 물질이 근본적으로 파동성을 가지고 있고, 양자 입자는 언제나 어떤 파장을 가지고 있기 때문이라는 사실을 살펴보았다. 시스템의 에너지가 정말 '0'이 되기 위해서는 특정한 장소에서 완벽하게 정지된 상태에 있어야 하는데, 파동으로 설명하는 시스템에서는 그런 상태가 불가능하다.

 

ㅇ 하나의 양성자 주위에 하나의 전자가 돌고 있는 수소는 우주에서 가장 단순한 원자이다.....수소 원자는 우주에서 가장 잘 이해되고, 가장 정확하게 시험된 시스템이다. 현대 물리학에 따르면, 수소에서 '바닥 상태 아래에 있는' 상태는 존재하지 않는다.

 

ㅇ 빈 공간이 가상 입자 형태의 에너지를 가지고 있긴 하지만, 그런 입자는 확률적으로 등장했다가 아주 짧은 시간에 다시 사라져 버린다. 우리가 필요할 때 전자를 등장하게 만들 수도 없고, 그런 전자를 유용한 일을 하도록 안정하게 존재하도록 만들 수도 없다. 진공 에너지가 전자나 다른 입자에게 작지만 진짜 영향을 미치긴 하지만, 우리가 이용할 수 있는 에너지원이 될 수는 없다.

 

ㅇ 양자역학을 잘못 이용하는 또 다른 분야는 바로 '대체의학'이다.....이런 주장에서 가장 흔하게 활용되는 것이 바로 양자 측정이다. 사기꾼들은 양자이론에서 측정을 하기 전까지는 상태가 결정되지 않는다는 사실에 주목한다.

 

ㅇ  디팩 초프라의 '양자 치료' 중...."....양자 치료에서는 의식의 한 형태인 마음을 바로 잡아서 다른 의식의 형태인 몸의 변화를 유도한다.".....그는 과학적인 것처럼 보이는 용어를 많이 사용했지만 그런 설명은 단순히 말의 잔치일 뿐이다. 그런 주장은 '스타트렉'에서 볼 수 있는 기술적 말장난 수준을 넘어서지 않는다.

 

ㅇ 초프라는 "단순히 당신의 의식을 변화시킴으로써 당신의 몸을 포함한 세상을 변화시킬 수 있다는 사실을 깨달으면 놀라운 자유를 얻게 된다"고 주장한다. 다시 말해서, 실제로는 아무것도 존재하지 않기 때문에 건강하고, 부유하고, 젊을 수도 있다는 것이다. 모든 것이 단순히 '인식', 다시 말해서 측정의 문제라는 것이다.

 

ㅇ 첫번째 초프라를 비롯한 지지자들이 양자 효과가 나타나기에는 너무 큰 시스템에 양자 개념을 적용한다는 것이다.

 

ㅇ 양자 겹침 상태가 확인된 가장 큰 물체는 수십 억 개의 전자가 모인 경우이고, 양자 제논 효과는 하나의 입자에서만 확인되었다...그러나 더욱 심각한 문제는 양자 측정이 근본적으로 확률적이라는 사실이다. 양자 시스템의 상태는 측정을 하기 전까지는 결정되지 않고, 개별적인 측정의 구체적인 결과는 예측이 불가능하다. 주어진 양자 측정의 결과가 무엇이 될 것인지를 미리 알 수 있는 방법은 없다.

 

ㅇ 명상도 도움이 되지 못하고, 긍정적인 생각도 그렇게 해주지는 못하고, 약물도 효과가 없다. 우주의 양자적 구조에 영향을 주어서 양자 측정의 결과를 특정한 것으로 만드는 방법은 알려져 있지 않고, 그런 가능성이 있을 것이라는 과학적 연구 결과도 없다.

 

ㅇ 실제로 얽힘은 얽힌 입자의 상태들 사이에 비국소적 상관성을 허용한다. 그러나 그런 상관성은 우선 국소적 상호작용에 의해서 만들어져야 한다.....이런 얽힌 입자 사이의 양자적 관계는 극도로 불안정해서 우주의 나머지 부분과의 상호작용에 의해서 쉽게 깨어져서 결어긋남이 나타난다. 물리학자들은 얽힌 상태가 1초의 10분의 1이라도 지속되도록 하기 위해서 많은 노력을 기울여야 한다. 빅뱅이 시작되고 140억 년 동안 얽힌 관계가 지속될 수 있는 가능성은 없다. 빅뱅으로부터 남아 있는 얽힘은 존재하지 않기 때문에, 분리된 물체 사이에 내재된 관계도 당연히 있을 수 없다.

 

ㅇ 사람의 장기가 양자 효과를 나타내기에는 크기가 너무 크다는 사실을 무시하더라도, 직접적인 접촉이 없으면 어느 환자의 간과 '치료사'의 손 사이에 관계를 만들 수 있는 방법은 없다.

 

ㅇ 양자역학의 예측이 일상적인 통찰과 어긋나긴 하지만, 이론 그 자체가 상식을 완전히 넘어서는 것은 아니다.