[뉴턴 하이라이트] 누구나 이해할 수 있는 양자론

누구나 이해할 수 있는 양자론 - 일본 뉴턴프레스 엮음/뉴턴코리아

1. 현대물리 = 상대성이론 + 양자론

현대물리학에서 짝꿍으로 등장하는 것은 상대성이론과 양자론이다. 상대성이론이 시간과 공간을 다룬다면, 양자론은 물질과 에너지를 다룬다.

바위를 깨트리면 모래가 되고 모래를 깨트리면 고운 가루가 된다. 점점 더 잘게 쪼개어 나가면 뭐가 나올까? 물질을 이루는 근본적인 입자가 나올까? 이런 문제는 아주 오래전부터 논란거리였다. 물질은 실재하는가. 아니면 에너지 현상인가. 아리스토텔레스 시대에는 철학의 소재였지만, 산업화가 진행되면서 정량적인 분석방법에 대한 산업계의 요구가 늘어갔다. 용광로에서 녹아버린 쇳물의 온도는 어떻게 측정할 것인가? 열과 압력 에너지의 관계는 어떻게 설명할 것인가? 볼츠만의 시대에는 열역학을 설명하기 위해서 원자와 에너지가 논쟁거리로 등장했지만, 막스 플랑크 시대에는 빛을 설명하기 위해서 원자와 에너지가 논쟁거리로 등장했다. 열, 에너지, 원자는 어떤 관계가 있을까?

2. 양자론은 등장인물이 많다.

상대성 이론에서도 공간에 대한 이야기가 황당하게 들리기는 마찬가지기는 하지만, 아인슈타인이라는 유명세 때문에 그냥 억지로라도 이해하고 넘어가게 된다. 양자론은 딱히 뭐라고 통일된 의견도 없고 반론도 많은데다가 등장하는 사람들의 이름을 익히기에도 벅차다. 사람들이 많이 등장하는 것도 문제지만 서로의 이론을 반박하는 과정에서 발달했기 때문에 무엇이 진실인지 감이 잡히지 않는다.

그나마 다행인것은 뉴턴 하이라이트는 개념을 설명하기 위해서 화려한 그래픽을 사용하고 있기 때문에 억지로 상상력을 발휘하지 않아도 된다. 이정도 수준의 그래픽이 교과서에도 실려있었다면 과학공부가 훨씬 더 재미있었을 거라는 아쉬움도 든다. 교과서를 그렇게 만든 이유는 시험공부를 해야 하는 입장에서는 적절하지 않은 내용도 많기 때문이 아닐까. 뉴턴 하이라이트의 전반적인 편집 방향이 상상력을 자극하는 내용들을 지향하는 경우가 많아서 받아들이기 어려운 경우가 많다. 공간에서 물질이 생성되고 소멸된다든가 공간은 무에서 창조되었다든가 하는 내용들은 과학인지 철학인지 알쏭달쏭하다. 아리스토텔레스 시절부터 내려오던 이런 이야기들이 아직도 결론이 나고 있지 않다. 상상력을 발휘해 본다면 세상이 다르게 보일 것이다.

3. 양자론은 상상력을 자극한다.

양자론은 언제부터 시작되었을까. 대부분의 양자론책에서 빛을 대한 이야기로 양자론을 시작한다. 지금은 한국이나 중국등이 철강생산의 중심이지만 100여년 전에는 그 중심이 독일이었다. 철강생산에서 중요한 것은 녹인 철의 온도를 알아내는 것이었다. 1000도가 넘는 용광로 속에 온도계를 넣어서 잴수는 없다. 그럼 어떻게 해야 하는가? 용광로에서 나오는 빛을 통해서 간접적으로 잴 수 있다. 이리하여 빛과 온도에 대한 연구가 시작되었다. 그리고 나온 결론들은 많은 사람들을 당황하게 했다.

[빛은 에너지이면서 물질이다. 에너지는 최소한의 단위가 있다. 전자는 벽을 뚫고 나간다. 진공에서는 물질이 생성되고 소멸한다. ....]

말장난처럼 보이는 이런 일들이 실재로 일어나는 일이다. 머리가 굳어 버리지 않은 어린아이들이라면 오히려 더 잘 받아들일 수도 있다. 생각해 보면 어렸을 때 보았던 과학책도 이런 식의 내용이 많았던 것 같다. 그 책들을 썼던 사람들은 어린 아이들의 상상력을 자극하기 위해서 그런 내용을 넣었던 것이겠지만 나이들어서 다시 읽어보니 자못 충격적이다. [내가 현실을 제대로 인식하고 있는 것이 맞나? 나는 세상의 일부만 보고 있는 것은 아닐까?]

상대성 이론은 아이슈타인에 의해서 거의 정리가 되어 있기 때문에 그 자체에 대해서 어떤 의문을 가질 수가 없다. 그냥 정리해 놓은 것을 이해하면 된다. 그러나 양자론은 아직도 완성되지 않은 이론이라서 자유롭게 상상해도 된다. 내가 그렇게 상상하겠다는데 그게 틀렸다고 자신있게 말할 수 있는 과학자가 있을까? 양자론은 세상을 어떻게 이해하는가의 문제인데 말이다.