양자역학과 창조 : 간략한 소개
(Quantum Mechanics and Creation: A Brief Overview)
by Dr. Danny R. Faulkner
3세기 반 전에 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 우리가 알고 있는 물리학(physics)을 발명했다. 새로 개발된 미적분학(calculus)으로 무장한 뉴턴은 세 가지 운동의 법칙(laws of motion)과 만유인력의 법칙(law of gravity)을 사용하여, 지구상의 물체의 운동과 천체의 운동을 하나의 이론으로 통합했다. 이후 2세기 동안 역학(mechanics)은 물리학의 주요 분야로 불리며, 자연 현상을 설명하는 데 있어 독보적인 성공을 거두었다.
따라서 19세기 후반의 물리학자들은 원자 수준과 같이 매우 작은 규모의 물리학을 탐구하기 시작하면서, 자연스럽게 뉴턴 물리학(Newtonian physics)이 여전히 적절한 도구가 되어줄 것이라고 생각했다. 그러나 뉴턴 물리학이 원자(atoms)와 같은 매우 작은 세계에 대한 실험 결과를 설명하지 못한다는 것이 명백해졌다. 이러한 물리학의 위기는 결국 1920년대에 양자역학(quantum mechanics)이 공식화되는 계기가 되었다.
양자역학의 간략한 배경
양자역학이라고 부르는 이유는 무엇인가? 뉴턴 역학의 가정 중 하나는 한 시스템의 에너지는 어떤 값이든 가질 수 있다는 것이다. 수학적으로 우리는 에너지가 연속적이라고 말할 수 있다. 하지만 19세기 후반에 물리학자들은 소규모 시스템의 에너지를 양자화하면 많은 문제가 해결된다는 사실을 알게 되었다. 즉, 적어도 아주 작은 규모에서 에너지는 그 값들 사이에 에너지가 존재할 수 없는 일정한 값으로만 제한된다. 마치 우유의 양이 컵의 정수 값으로만 존재할 수 있고, 그 사이의 값은 존재하지 않는 것과 같은 이치이다. 예를 들어, 우유 한 컵이나 두 컵은 있을 수 있지만, 1컵 반은 있을 수 없다. 물리학자들은 이것이 작동하는 것처럼 보인다는 사실 외에는 아주 작은 규모에서 에너지가 양자화되었다고 생각할 이유가 없었다. 이것은 매우 이상한 일이었다.
다른 실험들은 이 문제를 밝혀낼 수 있을 것처럼 보였다. 19세기 물리학자들은 빛(light)이 파동 현상이라는 많은 실험적 증거를 가지고 있었다. 파동(wave)은 매질에서 주기적으로 발생하는 교란 현상이다. 그러나 19세기 후반의 일부 실험에서는 빛이 입자적 성질을 갖고 있으며, 빛은 빠른 속도로 움직이는 작은 입자들로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 입자(particle)는 파동이 아니고, 파동은 입자가 아니기 때문에, 이것은 말이 되지 않았다. 다시 말하지만 이것은 이상했다. 더 이상한 것은 다른 실험에서 아주 작은 세계에서 물질이 파동의 성질을 보인다는 사실이 밝혀지기 시작했다는 점이다. 파동과 입자의 구분이 매우 모호해지고 있었다.
슈뢰딩거
1920년대 양자역학의 발전으로, 이 이질적인 실체들이 아주 작은 규모의 세계를 설명하는 것처럼 보이는 일관된 이론으로 통합되었다. 1925년에 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 새로 만들어진 양자역학의 몇 가지 가정을 사용하여, 뉴턴 역학의 방정식을 변형하여 유명한 파동 방정식(wave equation)을 만들었다. 슈뢰딩거 방정식을 원자의 전자와 같이 시스템에 묶여 있는 아주 작은 입자에 적용하면, 파동 함수가 나온다. 밀폐된 시스템에서 파동은 앞뒤로 튕기면서 서로 간섭을 일으킨다. 특정 위치에서는 파동이 보강 간섭하여 큰 변위를 일으키고, 다른 위치에서는 파동이 상쇄 간섭하여 변위를 일으키지 않는다. 그 결과 정상파(standing wave)가 발생한다.
악기는 이 현상을 활용한다. 금관악기를 생각해 보자. 악기에 바람을 불어넣으면, 악기 튜브에 많은 무작위 파동이 발생한다. 파동이 관 안에서 앞뒤로 움직일 때, 대부분의 파동은 상쇄 간섭하고, 보강 간섭하여 정상파를 생성하는 파동 몇 개만 남게 된다. 이 정상파가 바로 우리가 악기에서 듣는 소리이다. 튜브의 길이를 변경하면 다른 정상파가 발생하며, 이는 다른 음정으로 드러난다. 양자역학에서 시스템에 갇힌 입자가 양자화된 에너지를 갖는 이유는 특정 정상파만 허용되고, 다른 모든 파동들은 상쇄 간섭하기 때문이다.
슈뢰딩거 방정식에 의해 생성된 파동 함수는 무엇을 의미하는가? 많은 입자들을 고려할 때, 파동 함수의 제곱이 그 입자가 발견될 확률 함수가 된다. 즉, 양자역학으로 기술되는 많은 입자들로 실험을 할 때, 입자는 파동 방정식으로 예측한 분포 함수와 일치하는 방식으로 분포하여, 확률 함수가 높은 위치에 더 많은 수의 입자가 존재한다.
예를 들어, 한 고전적 실험에서 매우 좁고 간격이 좁은 두 개의 수직 슬릿(slits, 틈)이 있는 판을 향해 전자들의 빔(beam of electrons)을 발사한다. 전자가 파동처럼 행동한다면, 반대편에서 파동이 나타나면서 다른 파동과 마찬가지로 전자가 두 슬릿을 동시에 통과했음을 나타내는 뚜렷한 간섭 패턴을 생성할 것이다. 우리가 관찰하는 것은 바로 이러한 현상이며, 양자역학이 매우 훌륭한 이론이라는 강한 확신을 갖게 해준다. 전자는 분명 입자인데, 파동처럼 행동한다니, 이상한 일이다.
코펜하겐
이제 그것은 더 이상해진다. 비슷한 실험을 설정하는 것이 가능할 수 있다. 하지만 이번에는 많은 입자들의 종합적 효과를 측정하는 대신, 각 전자를 샘플링하여 어떤 슬릿을 통과하는지 확인한다. 놀랍게도 개별적으로 측정하면, 전자는 한쪽 슬릿 또는 다른 쪽 슬릿을 통과하지만 둘 다 통과하지는 않는다. 헷갈리시는가? 물리학자들은 거의 한 세기 동안 이 문제를 고민해왔지만, 아직까지 이 딜레마에 대한 합의된 해결책이 없으니 걱정하지 마라.
결국 대부분의 물리학자들은 이중 슬릿 실험의 전자(electrons)처럼, 양자역학적 시스템에서 입자는 모든 상태로 동시에 존재한다는 개념(파동에 의해 지시된 대로 두 슬릿을 모두 통과하는 것과 동일)을 정립했다. 파동 방정식이 붕괴되어, 결과적으로 입자가 한 가지 값 또는 다른 값을 갖는다는 것은 누군가가 입자를 관찰할 때까지(예: 마지막 실험에서 언급한 것처럼) 이루어지지 않았다. 이중 슬릿(double-slit) 실험에서 이것은 전자가 한쪽 슬릿을 통과하거나 다른 쪽 슬릿을 통과하는 것과 같다. 이러한 이해를 코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)이라고 부르는데, 왜냐하면 슈뢰딩거가 방정식을 만든 직후, 닐스 보어(Niels Bohr)와 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)가 이 이론을 창안한 곳이 바로 코펜하겐이었기 때문이다.
죽었으나 또한 살아있다?
양자역학에 대한 코펜하겐 해석은 처음부터 논란의 여지가 많았고, 지금도 여전히 논란이 되고 있다. 양자역학 발전에 중요한 역할을 했던 몇몇 유명한 물리학자들은 코펜하겐 해석에 강력하게 반대했다. 예를 들어 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 취지의 말을 했다. 그러나 양자역학이 궁극적으로 사실이라면, 거시적 시스템도 그 시스템을 구성하는 양자 시스템의 합(sum)이다. 따라서 아인슈타인은 이렇게 물었다. “당신은 달을 보지 못한다면, 달이 정말로 없다고 생각합니까?”
슈뢰딩거는 코펜하겐 해석의 불합리함을 설명하기 위해, 그의 “슈뢰딩거의 고양이” 사고 실험(“Schrödinger’s cat” thought experiment)을 개발했다. 독가스를 상자 안으로 방출하는 방아쇠 역할을 하는 양자역학적 장치가 있는 밀폐된 상자에 갇힌 고양이를 상상해 보자. 일정 시간이 지나면 방아쇠가 가스를 방출하여, 고양이가 사망할 확률이 50%이다. 따라서 고양이는 죽은 상태와 살아있는 상태로 동시에 존재한다. 과학자가 고양이를 조사하기 위해 상자를 열어보아야만 파동 방정식이 붕괴되고, 고양이가 죽었는지 살아있는지 알 수 있게 된다. 하지만 과학자 역시 양자역학의 지배를 받는 시스템에 속해있지 않을까? 그렇다면 파동 방정식을 붕괴시키기 위해서는 첫 번째 과학자를 관찰하는 두 번째 과학자가 필요하지 않을까? 하지만 그러면 세 번째 과학자도 필요하지 않을까? 그리고 네 번째 과학자가 필요해지면, 과학자의 무한 회귀로 이어지지 않을까? 슈뢰딩거는 결국 양자역학이 이렇게 되는 것이라면, 자신이 양자역학에 관여한 것을 후회한다고 말했다.
그림 1. 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험의 그림. <Image Credit: Dhatfield, public domain via Wikimedia Commons>
모든 것의 이론?
코펜하겐 해석도 문제지만, 그 대안(다중 우주 등)은 훨씬 더 심각하다. 따라서 일부 물리학자들은 새로운 접근법을 모색하고 있다. 최근 New Scientist(2019. 8. 21) 지의 기사에서는 이러한 새로운 접근법 중 하나에 초점을 맞췄다. 이 기사는 현대 물리학의 두 가지 상반되는 법칙, 즉 첫 번째 법칙은 양자역학의 파동 방정식이고, 두 번째 법칙은 코펜하겐 해석이라고 부르는 것에 대해 논의하는 것으로 시작하고 있다. 이 기사에서는 양자역학이 물체는 거리에 따라 상호작용한다는 국소성의 원칙을 위반하지만, 양자역학은 입자들이 매우 멀리 떨어져 있어도 즉각적으로 상호작용한다는 점을 지적했다. 이 현상은 양자 얽힘(quantum entanglement)으로 불려진다.
뉴턴이 지상에 있는 물체의 운동과 하늘에 있는 물체의 운동을 통합한 것처럼, 모든 물리학자들은 물리학을 통합해야 할 필요성을 인식하고 있다. 다음으로 위대한 통합은 19세기 중반에 제임스 클락 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 전기(electricity)와 자기(magnetism)를 통합한 것이었다. 이 통일은 더 큰 통일이 가능하다는 믿음으로 이어졌다. 오늘날 물리학자들은 네 가지 기본 힘이 존재한다는 것을 알고 있다. 힘의 크기 순서대로 중력(gravity), 약한 핵력(weak nuclear force), 전자기력(electromagnetic force), 강한 핵력(strong nuclear force)이다. 40년 전에 약한 핵력과 전자기력은 전자기약력(electroweak force, 전약력)이라 불리는 단일 이론으로 통합되었다. 나머지 세 가지의 통합은 현재 진행 중에 있는 문제이다. 전자기약력과 강한 핵력이 먼저 통합될 것으로 예상되며, 이러한 이론의 이름은 이미 정해져 있다. 그 이름은 대통합이론(Grand Unified Theory, 대통일이론)이다. 중력을 나머지와 통합하는 것은 훨씬 더 다루기 어려운 문제이다. 그것이 달성되면, 모든 자연의 힘이 단일 모델로 통합되기 때문에, 모든 것의 이론이라고 불릴 것이다.
하지만 모든 것의 이론(Theory of Everything)에는 많은 장애물들이 있다. 가장 큰 장애물은 중력이 다른 이론과 양립할 수 없는 것처럼 보인다는 것이다. 현재 중력에 대한 가장 좋은 이론은 일반상대성(general relativity) 이론으로, 양자역학과 함께 현대 물리학의 양대 기둥 중 하나이다. 일반상대성 이론은 중력을 시공간이 휘어진 것으로 설명한다. 이 시공간은 매끄럽고 연속적이라고 가정하지만, 양자역학에서는 물질과 에너지처럼 시공간이 불연속적인 조각들로 구성되어 있다고 가정한다.
새로운 대안?
이 문제를 해결하기 위한 출발점으로, New cientist 기사의 저자는 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 6가지 기본 가설을 제안했다
1. 우주의 역사는 사건들로 이루어져 있다.
2. 시간의 인과관계는 근본적이다
3. 인과관계(causation) 거꾸로 거슬러 올라가지 않는다 : 사건은 안 일어나지 않는다.
4. 공간은 사건들 사이의 인과관계 그물망으로 구성된다
5. 사건이 다른 사건을 유발할 때, 에너지와 운동량은 보존된다.
6. 새로운 공간을 통해 사건 간에 전달할 수 있는 정보의 양은 해당 공간의 면적에 따라 결정된다.
이러한 가설들 중 그다지 새로운 것은 없다. 사실 이러한 가설들 중 일부는 고대 그리스 철학자와 과학자들이 어떤 형태로든 가정했던 것이다. 예를 들어, 우주의 역사가 사건들로 구성되어 있다는 첫 번째 가설은 명백하며, 공리로 취급되어야 한다. 시간의 인과관계는 근본적이라는 두 번째 가설은 조금 더 까다롭지만, 역시 명백한 것이므로 공리로 취급해야 한다. 이러한 방식의 시간 인과관계는 적어도 아리스토텔레스 시대부터 원초적 존재, 즉 하나님의 존재를 주장하기 위해 사용되어 왔다. 세 번째 가설은 인과관계가 시간적으로 앞으로만 작용한다는 가설로, 이 역시 공리처럼 보인다. 이는 시간의 방향성을 부여하는 “시간의 화살”로서, 열역학 제2법칙에 기인하는 어떤 것이다. 따라서 세 번째 가설은 열역학 제2법칙의 적어도 일부 측면을 포함한다.
네 번째 가설인 공간은 사건들 사이의 인과관계의 그물망으로 구성된다는 가설은 다소 모호하지만, 공간의 본질에 대한 설명으로 보인다. 이것은 양자역학 및 일반상대성 이론과는 매우 다른 공간에 대한 심오한 설명에 대한 힌트일 수도 있고, 둘 중 하나에 유리한 방향으로 기울어질 수도 있다. 다섯 번째 가설은 열역학 제1법칙과 뉴턴의 운동 법칙을 표현한 것이다.
여섯 번째 가설이 가장 흥미롭다. 이 가설은 정보(information)가 무엇인지 정의하지 않고, 정보를 명시적으로 언급하고 있다. 이 글은 마치 에너지에 대해 논의하는 것처럼, 정보의 몇 가지 측면을 논의했다. 일부 창조론자들은 열역학 제2법칙을 정보에 적용했기 때문에, 에너지와 정보가 관련되어 있다는 생각은 많은 창조론자들에게 공감을 불러일으킨다. 어떤 물체가 공간의 부피를 경계하는 영역을 통과한다는 생각은 물리학에서 새로운 것이 아니며, 장 이론(field theory)에서도 이 개념을 활용하고 있다. 예를 들어, 이 접근 방식은 중력의 역제곱 법칙이 우주가 3차원 공간을 가진 결과라는 것을 밝혀내었다. 여기서 의도는 양자 얽힘을 처리하는 것으로 보이지만, 그 방향은 현재로서는 완전히 알 수 없다.
새로운 것은 없다?
이것이 기독교인, 특히 최근의 창조론자들에게는 어떤 의미일까? 아마도 그다지 중요하지 않을 것이다. 위에서 지적했듯이, 여기에는 눈에 보이는 것보다 새로운 것이 적다. 우리가 이런 논의를 하는 이유는 양자역학에 내재된 이상한 점 때문이다. 양자역학의 결과가 우리가 거시적 세계에서 경험하는 것과 일치하지 않기 때문이다. 이러한 불일치 때문에 물리학자들은 “양자역학의 파동 방정식은 무엇을 의미할까?”라는 질문을 던지게 된다. 하지만 이 질문이 물리 이론의 맥락에서 제기된 적이 있는지는 기억나지 않는다. 뉴턴이 그의 책 프린키피아(Principia)에서 역학(mechanics)에 대한 자신의 연구를 발표했을 때, 아무도 “이것이 무엇을 의미하나요?”라고 묻지 않았다. 맥스웰이 전기와 자기에 대한 탁월한 네 가지 방정식을 발표했을 때도, 아무도 그러한 질문을 하지 않았다. 대신 모두가 이 방정식들이 세상의 어떤 측면이 어떻게 작동하는지에 대한 훌륭한 설명이라는 것을 깨달았다.
그렇다면 양자역학의 의미를 계속 추측하는 이유는 무엇일까? 다시 말하지만, 우리가 양자역학을 특이한 특성으로 인식하고 있기 때문이다. 하지만 물리학을 전혀 이해하지 못하는 사람에게는 뉴턴의 세 가지 법칙이 낯설게 느껴질 수 있다. 양자역학에 대한 설명은 바로 우리 주변의 미시적인 세계에서 우리가 보는 것을 설명하는 것이다. 이러한 결과를 이해하지 못한다면, 이론이 불완전하거나 우주에 대한 잘못된 관점을 가지고 있다는 뜻일 수 있다. 어쨌든 양자역학은 미시 세계를 정확하게 설명한다. 물리 이론에서 더 이상 무엇을 기대할 수 있을까? 따라서 양자역학이 무엇을 의미하는지에 대한 질문은 어리석은 일이다. 그리고 코펜하겐 해석은 어리석은 질문에 대한 어리석은 대답인 것이다.
*참조 : 광합성의 양자 비밀이 밝혀졌다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291407&bmode=view
조류 뇌와 양자역학
https://creation.kr/animals/?idx=1291129&bmode=view
세균의 단백질은 양자역학을 사용한다.
https://creation.kr/LIfe/?idx=6375062&bmode=view
해조류는 양자역학을 알고 있었다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291362&bmode=view
식물의 광합성은 양자물리학을 이용하고 있었다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291386&bmode=view
현대 물리학이 우리에게 알려주는 이야기
https://creation.kr/Earth/?idx=1294099&bmode=view
과학적 혁명은 아직도 가능하다 : 빛의 속도, 중력 상수 등은 변할 수도 있다?
https://creation.kr/Cosmos/?idx=1294018&bmode=view
출처 : AiG, 2020. 1. 22.
주소 : https://answersingenesis.org/physics/quantum-mechanics-and-creation/
번역 : 미디어위원회
양자역학과 창조 : 간략한 소개
(Quantum Mechanics and Creation: A Brief Overview)
by Dr. Danny R. Faulkner
3세기 반 전에 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 우리가 알고 있는 물리학(physics)을 발명했다. 새로 개발된 미적분학(calculus)으로 무장한 뉴턴은 세 가지 운동의 법칙(laws of motion)과 만유인력의 법칙(law of gravity)을 사용하여, 지구상의 물체의 운동과 천체의 운동을 하나의 이론으로 통합했다. 이후 2세기 동안 역학(mechanics)은 물리학의 주요 분야로 불리며, 자연 현상을 설명하는 데 있어 독보적인 성공을 거두었다.
따라서 19세기 후반의 물리학자들은 원자 수준과 같이 매우 작은 규모의 물리학을 탐구하기 시작하면서, 자연스럽게 뉴턴 물리학(Newtonian physics)이 여전히 적절한 도구가 되어줄 것이라고 생각했다. 그러나 뉴턴 물리학이 원자(atoms)와 같은 매우 작은 세계에 대한 실험 결과를 설명하지 못한다는 것이 명백해졌다. 이러한 물리학의 위기는 결국 1920년대에 양자역학(quantum mechanics)이 공식화되는 계기가 되었다.
양자역학의 간략한 배경
양자역학이라고 부르는 이유는 무엇인가? 뉴턴 역학의 가정 중 하나는 한 시스템의 에너지는 어떤 값이든 가질 수 있다는 것이다. 수학적으로 우리는 에너지가 연속적이라고 말할 수 있다. 하지만 19세기 후반에 물리학자들은 소규모 시스템의 에너지를 양자화하면 많은 문제가 해결된다는 사실을 알게 되었다. 즉, 적어도 아주 작은 규모에서 에너지는 그 값들 사이에 에너지가 존재할 수 없는 일정한 값으로만 제한된다. 마치 우유의 양이 컵의 정수 값으로만 존재할 수 있고, 그 사이의 값은 존재하지 않는 것과 같은 이치이다. 예를 들어, 우유 한 컵이나 두 컵은 있을 수 있지만, 1컵 반은 있을 수 없다. 물리학자들은 이것이 작동하는 것처럼 보인다는 사실 외에는 아주 작은 규모에서 에너지가 양자화되었다고 생각할 이유가 없었다. 이것은 매우 이상한 일이었다.
다른 실험들은 이 문제를 밝혀낼 수 있을 것처럼 보였다. 19세기 물리학자들은 빛(light)이 파동 현상이라는 많은 실험적 증거를 가지고 있었다. 파동(wave)은 매질에서 주기적으로 발생하는 교란 현상이다. 그러나 19세기 후반의 일부 실험에서는 빛이 입자적 성질을 갖고 있으며, 빛은 빠른 속도로 움직이는 작은 입자들로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 입자(particle)는 파동이 아니고, 파동은 입자가 아니기 때문에, 이것은 말이 되지 않았다. 다시 말하지만 이것은 이상했다. 더 이상한 것은 다른 실험에서 아주 작은 세계에서 물질이 파동의 성질을 보인다는 사실이 밝혀지기 시작했다는 점이다. 파동과 입자의 구분이 매우 모호해지고 있었다.
슈뢰딩거
1920년대 양자역학의 발전으로, 이 이질적인 실체들이 아주 작은 규모의 세계를 설명하는 것처럼 보이는 일관된 이론으로 통합되었다. 1925년에 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 새로 만들어진 양자역학의 몇 가지 가정을 사용하여, 뉴턴 역학의 방정식을 변형하여 유명한 파동 방정식(wave equation)을 만들었다. 슈뢰딩거 방정식을 원자의 전자와 같이 시스템에 묶여 있는 아주 작은 입자에 적용하면, 파동 함수가 나온다. 밀폐된 시스템에서 파동은 앞뒤로 튕기면서 서로 간섭을 일으킨다. 특정 위치에서는 파동이 보강 간섭하여 큰 변위를 일으키고, 다른 위치에서는 파동이 상쇄 간섭하여 변위를 일으키지 않는다. 그 결과 정상파(standing wave)가 발생한다.
악기는 이 현상을 활용한다. 금관악기를 생각해 보자. 악기에 바람을 불어넣으면, 악기 튜브에 많은 무작위 파동이 발생한다. 파동이 관 안에서 앞뒤로 움직일 때, 대부분의 파동은 상쇄 간섭하고, 보강 간섭하여 정상파를 생성하는 파동 몇 개만 남게 된다. 이 정상파가 바로 우리가 악기에서 듣는 소리이다. 튜브의 길이를 변경하면 다른 정상파가 발생하며, 이는 다른 음정으로 드러난다. 양자역학에서 시스템에 갇힌 입자가 양자화된 에너지를 갖는 이유는 특정 정상파만 허용되고, 다른 모든 파동들은 상쇄 간섭하기 때문이다.
슈뢰딩거 방정식에 의해 생성된 파동 함수는 무엇을 의미하는가? 많은 입자들을 고려할 때, 파동 함수의 제곱이 그 입자가 발견될 확률 함수가 된다. 즉, 양자역학으로 기술되는 많은 입자들로 실험을 할 때, 입자는 파동 방정식으로 예측한 분포 함수와 일치하는 방식으로 분포하여, 확률 함수가 높은 위치에 더 많은 수의 입자가 존재한다.
예를 들어, 한 고전적 실험에서 매우 좁고 간격이 좁은 두 개의 수직 슬릿(slits, 틈)이 있는 판을 향해 전자들의 빔(beam of electrons)을 발사한다. 전자가 파동처럼 행동한다면, 반대편에서 파동이 나타나면서 다른 파동과 마찬가지로 전자가 두 슬릿을 동시에 통과했음을 나타내는 뚜렷한 간섭 패턴을 생성할 것이다. 우리가 관찰하는 것은 바로 이러한 현상이며, 양자역학이 매우 훌륭한 이론이라는 강한 확신을 갖게 해준다. 전자는 분명 입자인데, 파동처럼 행동한다니, 이상한 일이다.
코펜하겐
이제 그것은 더 이상해진다. 비슷한 실험을 설정하는 것이 가능할 수 있다. 하지만 이번에는 많은 입자들의 종합적 효과를 측정하는 대신, 각 전자를 샘플링하여 어떤 슬릿을 통과하는지 확인한다. 놀랍게도 개별적으로 측정하면, 전자는 한쪽 슬릿 또는 다른 쪽 슬릿을 통과하지만 둘 다 통과하지는 않는다. 헷갈리시는가? 물리학자들은 거의 한 세기 동안 이 문제를 고민해왔지만, 아직까지 이 딜레마에 대한 합의된 해결책이 없으니 걱정하지 마라.
결국 대부분의 물리학자들은 이중 슬릿 실험의 전자(electrons)처럼, 양자역학적 시스템에서 입자는 모든 상태로 동시에 존재한다는 개념(파동에 의해 지시된 대로 두 슬릿을 모두 통과하는 것과 동일)을 정립했다. 파동 방정식이 붕괴되어, 결과적으로 입자가 한 가지 값 또는 다른 값을 갖는다는 것은 누군가가 입자를 관찰할 때까지(예: 마지막 실험에서 언급한 것처럼) 이루어지지 않았다. 이중 슬릿(double-slit) 실험에서 이것은 전자가 한쪽 슬릿을 통과하거나 다른 쪽 슬릿을 통과하는 것과 같다. 이러한 이해를 코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)이라고 부르는데, 왜냐하면 슈뢰딩거가 방정식을 만든 직후, 닐스 보어(Niels Bohr)와 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)가 이 이론을 창안한 곳이 바로 코펜하겐이었기 때문이다.
죽었으나 또한 살아있다?
양자역학에 대한 코펜하겐 해석은 처음부터 논란의 여지가 많았고, 지금도 여전히 논란이 되고 있다. 양자역학 발전에 중요한 역할을 했던 몇몇 유명한 물리학자들은 코펜하겐 해석에 강력하게 반대했다. 예를 들어 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 취지의 말을 했다. 그러나 양자역학이 궁극적으로 사실이라면, 거시적 시스템도 그 시스템을 구성하는 양자 시스템의 합(sum)이다. 따라서 아인슈타인은 이렇게 물었다. “당신은 달을 보지 못한다면, 달이 정말로 없다고 생각합니까?”
슈뢰딩거는 코펜하겐 해석의 불합리함을 설명하기 위해, 그의 “슈뢰딩거의 고양이” 사고 실험(“Schrödinger’s cat” thought experiment)을 개발했다. 독가스를 상자 안으로 방출하는 방아쇠 역할을 하는 양자역학적 장치가 있는 밀폐된 상자에 갇힌 고양이를 상상해 보자. 일정 시간이 지나면 방아쇠가 가스를 방출하여, 고양이가 사망할 확률이 50%이다. 따라서 고양이는 죽은 상태와 살아있는 상태로 동시에 존재한다. 과학자가 고양이를 조사하기 위해 상자를 열어보아야만 파동 방정식이 붕괴되고, 고양이가 죽었는지 살아있는지 알 수 있게 된다. 하지만 과학자 역시 양자역학의 지배를 받는 시스템에 속해있지 않을까? 그렇다면 파동 방정식을 붕괴시키기 위해서는 첫 번째 과학자를 관찰하는 두 번째 과학자가 필요하지 않을까? 하지만 그러면 세 번째 과학자도 필요하지 않을까? 그리고 네 번째 과학자가 필요해지면, 과학자의 무한 회귀로 이어지지 않을까? 슈뢰딩거는 결국 양자역학이 이렇게 되는 것이라면, 자신이 양자역학에 관여한 것을 후회한다고 말했다.
그림 1. 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험의 그림. <Image Credit: Dhatfield, public domain via Wikimedia Commons>
모든 것의 이론?
코펜하겐 해석도 문제지만, 그 대안(다중 우주 등)은 훨씬 더 심각하다. 따라서 일부 물리학자들은 새로운 접근법을 모색하고 있다. 최근 New Scientist(2019. 8. 21) 지의 기사에서는 이러한 새로운 접근법 중 하나에 초점을 맞췄다. 이 기사는 현대 물리학의 두 가지 상반되는 법칙, 즉 첫 번째 법칙은 양자역학의 파동 방정식이고, 두 번째 법칙은 코펜하겐 해석이라고 부르는 것에 대해 논의하는 것으로 시작하고 있다. 이 기사에서는 양자역학이 물체는 거리에 따라 상호작용한다는 국소성의 원칙을 위반하지만, 양자역학은 입자들이 매우 멀리 떨어져 있어도 즉각적으로 상호작용한다는 점을 지적했다. 이 현상은 양자 얽힘(quantum entanglement)으로 불려진다.
뉴턴이 지상에 있는 물체의 운동과 하늘에 있는 물체의 운동을 통합한 것처럼, 모든 물리학자들은 물리학을 통합해야 할 필요성을 인식하고 있다. 다음으로 위대한 통합은 19세기 중반에 제임스 클락 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 전기(electricity)와 자기(magnetism)를 통합한 것이었다. 이 통일은 더 큰 통일이 가능하다는 믿음으로 이어졌다. 오늘날 물리학자들은 네 가지 기본 힘이 존재한다는 것을 알고 있다. 힘의 크기 순서대로 중력(gravity), 약한 핵력(weak nuclear force), 전자기력(electromagnetic force), 강한 핵력(strong nuclear force)이다. 40년 전에 약한 핵력과 전자기력은 전자기약력(electroweak force, 전약력)이라 불리는 단일 이론으로 통합되었다. 나머지 세 가지의 통합은 현재 진행 중에 있는 문제이다. 전자기약력과 강한 핵력이 먼저 통합될 것으로 예상되며, 이러한 이론의 이름은 이미 정해져 있다. 그 이름은 대통합이론(Grand Unified Theory, 대통일이론)이다. 중력을 나머지와 통합하는 것은 훨씬 더 다루기 어려운 문제이다. 그것이 달성되면, 모든 자연의 힘이 단일 모델로 통합되기 때문에, 모든 것의 이론이라고 불릴 것이다.
하지만 모든 것의 이론(Theory of Everything)에는 많은 장애물들이 있다. 가장 큰 장애물은 중력이 다른 이론과 양립할 수 없는 것처럼 보인다는 것이다. 현재 중력에 대한 가장 좋은 이론은 일반상대성(general relativity) 이론으로, 양자역학과 함께 현대 물리학의 양대 기둥 중 하나이다. 일반상대성 이론은 중력을 시공간이 휘어진 것으로 설명한다. 이 시공간은 매끄럽고 연속적이라고 가정하지만, 양자역학에서는 물질과 에너지처럼 시공간이 불연속적인 조각들로 구성되어 있다고 가정한다.
새로운 대안?
이 문제를 해결하기 위한 출발점으로, New cientist 기사의 저자는 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 6가지 기본 가설을 제안했다
1. 우주의 역사는 사건들로 이루어져 있다.
2. 시간의 인과관계는 근본적이다
3. 인과관계(causation) 거꾸로 거슬러 올라가지 않는다 : 사건은 안 일어나지 않는다.
4. 공간은 사건들 사이의 인과관계 그물망으로 구성된다
5. 사건이 다른 사건을 유발할 때, 에너지와 운동량은 보존된다.
6. 새로운 공간을 통해 사건 간에 전달할 수 있는 정보의 양은 해당 공간의 면적에 따라 결정된다.
이러한 가설들 중 그다지 새로운 것은 없다. 사실 이러한 가설들 중 일부는 고대 그리스 철학자와 과학자들이 어떤 형태로든 가정했던 것이다. 예를 들어, 우주의 역사가 사건들로 구성되어 있다는 첫 번째 가설은 명백하며, 공리로 취급되어야 한다. 시간의 인과관계는 근본적이라는 두 번째 가설은 조금 더 까다롭지만, 역시 명백한 것이므로 공리로 취급해야 한다. 이러한 방식의 시간 인과관계는 적어도 아리스토텔레스 시대부터 원초적 존재, 즉 하나님의 존재를 주장하기 위해 사용되어 왔다. 세 번째 가설은 인과관계가 시간적으로 앞으로만 작용한다는 가설로, 이 역시 공리처럼 보인다. 이는 시간의 방향성을 부여하는 “시간의 화살”로서, 열역학 제2법칙에 기인하는 어떤 것이다. 따라서 세 번째 가설은 열역학 제2법칙의 적어도 일부 측면을 포함한다.
네 번째 가설인 공간은 사건들 사이의 인과관계의 그물망으로 구성된다는 가설은 다소 모호하지만, 공간의 본질에 대한 설명으로 보인다. 이것은 양자역학 및 일반상대성 이론과는 매우 다른 공간에 대한 심오한 설명에 대한 힌트일 수도 있고, 둘 중 하나에 유리한 방향으로 기울어질 수도 있다. 다섯 번째 가설은 열역학 제1법칙과 뉴턴의 운동 법칙을 표현한 것이다.
여섯 번째 가설이 가장 흥미롭다. 이 가설은 정보(information)가 무엇인지 정의하지 않고, 정보를 명시적으로 언급하고 있다. 이 글은 마치 에너지에 대해 논의하는 것처럼, 정보의 몇 가지 측면을 논의했다. 일부 창조론자들은 열역학 제2법칙을 정보에 적용했기 때문에, 에너지와 정보가 관련되어 있다는 생각은 많은 창조론자들에게 공감을 불러일으킨다. 어떤 물체가 공간의 부피를 경계하는 영역을 통과한다는 생각은 물리학에서 새로운 것이 아니며, 장 이론(field theory)에서도 이 개념을 활용하고 있다. 예를 들어, 이 접근 방식은 중력의 역제곱 법칙이 우주가 3차원 공간을 가진 결과라는 것을 밝혀내었다. 여기서 의도는 양자 얽힘을 처리하는 것으로 보이지만, 그 방향은 현재로서는 완전히 알 수 없다.
새로운 것은 없다?
이것이 기독교인, 특히 최근의 창조론자들에게는 어떤 의미일까? 아마도 그다지 중요하지 않을 것이다. 위에서 지적했듯이, 여기에는 눈에 보이는 것보다 새로운 것이 적다. 우리가 이런 논의를 하는 이유는 양자역학에 내재된 이상한 점 때문이다. 양자역학의 결과가 우리가 거시적 세계에서 경험하는 것과 일치하지 않기 때문이다. 이러한 불일치 때문에 물리학자들은 “양자역학의 파동 방정식은 무엇을 의미할까?”라는 질문을 던지게 된다. 하지만 이 질문이 물리 이론의 맥락에서 제기된 적이 있는지는 기억나지 않는다. 뉴턴이 그의 책 프린키피아(Principia)에서 역학(mechanics)에 대한 자신의 연구를 발표했을 때, 아무도 “이것이 무엇을 의미하나요?”라고 묻지 않았다. 맥스웰이 전기와 자기에 대한 탁월한 네 가지 방정식을 발표했을 때도, 아무도 그러한 질문을 하지 않았다. 대신 모두가 이 방정식들이 세상의 어떤 측면이 어떻게 작동하는지에 대한 훌륭한 설명이라는 것을 깨달았다.
그렇다면 양자역학의 의미를 계속 추측하는 이유는 무엇일까? 다시 말하지만, 우리가 양자역학을 특이한 특성으로 인식하고 있기 때문이다. 하지만 물리학을 전혀 이해하지 못하는 사람에게는 뉴턴의 세 가지 법칙이 낯설게 느껴질 수 있다. 양자역학에 대한 설명은 바로 우리 주변의 미시적인 세계에서 우리가 보는 것을 설명하는 것이다. 이러한 결과를 이해하지 못한다면, 이론이 불완전하거나 우주에 대한 잘못된 관점을 가지고 있다는 뜻일 수 있다. 어쨌든 양자역학은 미시 세계를 정확하게 설명한다. 물리 이론에서 더 이상 무엇을 기대할 수 있을까? 따라서 양자역학이 무엇을 의미하는지에 대한 질문은 어리석은 일이다. 그리고 코펜하겐 해석은 어리석은 질문에 대한 어리석은 대답인 것이다.
*참조 : 광합성의 양자 비밀이 밝혀졌다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291407&bmode=view
조류 뇌와 양자역학
https://creation.kr/animals/?idx=1291129&bmode=view
세균의 단백질은 양자역학을 사용한다.
https://creation.kr/LIfe/?idx=6375062&bmode=view
해조류는 양자역학을 알고 있었다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291362&bmode=view
식물의 광합성은 양자물리학을 이용하고 있었다.
http://creation.kr/Plants/?idx=1291386&bmode=view
현대 물리학이 우리에게 알려주는 이야기
https://creation.kr/Earth/?idx=1294099&bmode=view
과학적 혁명은 아직도 가능하다 : 빛의 속도, 중력 상수 등은 변할 수도 있다?
https://creation.kr/Cosmos/?idx=1294018&bmode=view
출처 : AiG, 2020. 1. 22.
주소 : https://answersingenesis.org/physics/quantum-mechanics-and-creation/
번역 : 미디어위원회