기획·칼럼

“누가 슈뢰딩거의 고양이를 말하는가”

[기상천외한 과학자들의 대결] (2) 양자역학의 두 고수

20세기 들어 인류 역사상 세상을 놀라게 한 ‘천재들’은 많다. 그중에서도 상대성 이론을 밝히고 양자역학에 기여했다면 그는 어떤 범주에 드는 천재일까.

독일의 물리학자 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 세계적으로 대중들에게 널리 알려진 천재다. 얼마나 유명한지 우리나라에는 그의 이름을 딴 우유도 있을 정도다.

닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)는 아인슈타인과 함께 양자역학의 발전에 기여한 천재 과학자다. 양자역학을 둘러싸고 이들이 함께 두뇌 싸움을 벌이는 모습에서 우리는 20세기 과학자들의 천재성을 조금이나마 느낄 수 있다.

20세기 최고의 천재, 아인슈타인

흔히 아인슈타인은 갈릴레오 갈릴레이와 뉴턴을 잇는 천재 물리학자라 일컫는다. 이들의 공통점은 끈질기게 ‘빛’을 추적해왔다는 점이다.

자연의 보편적인 법칙을 수학적 형식을 통해 증명하는 학문인 물리학의 태생 자체가 빛이 없으면 설명이 어렵다. 갈릴레오는 빛의 속도를 측정하고자 했다. 그는 빛의 속도가 유한하다면 매우 빠를 것이라고 가설을 세웠다.

뉴턴은 빛의 정체성을 밝히기 위해 노력했다. 그는 프리즘과 빛을 가지고 다양한 실험을 시도했다. 뉴턴이 밝혀낸 빛의 성질은 향후 현대 천문학에 가장 중요한 기반이 됐다.

아인슈타인만큼 대중의 사랑을 받은 과학자도 드물다. ⓒ 김은영/ ScienceTimes

아인슈타인도 빛에 매혹된다. 아인슈타인의 빛나는 업적인 상대성 이론이 바로 빛에 대한 호기심에서 출발한 산물이다. 상대성 이론을 통해 우리는 서로 다른 시간을 살아간다는 것을 알게 됐다.

빛은 오묘하다. 빛을 따라가다 보면 ‘양자(quantum)’의 세계로 연결된다. 아인슈타인의 또 다른 업적인 양자역학(quantum mechanics)을 빛을 통해 만나게 되는 것이다. 현대 과학은 빛과 양자, 다중우주론을 의미하는 초끈이론으로 이어진다.

양자역학을 논하는 ‘흔한’ 물리 천재들의 낙서랄까. ⓒ 게티이미지뱅크

하지만 아인슈타인은 광전효과이론을 통해 양자역학의 태동에는 가장 큰 영향을 미쳤음에도 양자가 관측을 통해 확률로 결정된다는 ‘코펜하겐 해석’에는 강력하게 반발한다.

아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로 양자역학의 확률 결정론에 이의를 제기한다.

아인슈타인의 반대편에 선 천재가 바로 닐스 보어(Niels Bohr)다. 닐스 보어는 아인슈타인과 양자역학 ‘배틀’(battle)을 벌인 또 다른 천재 물리학자다.

닐스 보어와 코펜하겐 연구소에서 과학자들은 양자와 같은 작은 단위의 세계에서는 입자와 파동의 중첩 상태로 존재하다가 관찰(측정)이 이뤄지면 파동 기능이 붕괴된다고 주장했다.

아인슈타인과 양자역학 해석 놓고 대토론 펼친 닐스 보어

닐스 보어는 원자 구조의 이해와 양자역학의 성립에 기여한 노벨물리학 수상자다. 그의 원자 모형론은 빛의 복사에 관한 이론이었던 양자론을 원자론에 도입하며 고전역학에서 양자역학으로 넘어가는 과정에 큰 영향을 미친다.

닐스 보어와 아인슈타인. ⓒ 위키미디어

닐스 보어는 생리학 교수인 아버지 밑에서 태어나 유복한 환경에서 자신의 천부적인 과학 재능을 마음껏 발휘할 수 있었다. 그는 26세에 박사 학위를 따고 영국 케임브리지 대학 캐번디쉬 연구소에서 당대 최고의 물리학자였던 톰슨 교수를 만나게 되면서 원자론의 기틀을 다지게 된다.

닐스 보어는 원자모형론으로 1922년 노벨물리학상을 수상한 후 덴마크 코펜하겐대학 부설 닐스 보어 연구소를 설립하며 하이젠베르크, 로젠펠트, 파울리 등 양자역학의 성립과 발전에 기여한 수많은 학자들을 육성한다. 훗날 아인슈타인과 설전을 벌이게 되는 양자역학의 코펜하겐 해석도 바로 이 보어 연구소에서 나온 것이다.

아인슈타인과 닐스 보어의 ‘솔베이 대충돌’은 인류 역사상 기념비를 세울 역사적인 사건이었다. 화학자 어네스트 솔베이가 자신의 이름을 따 만든 학회 ‘솔베이 회의(1927년)’에서 만난 두 사람은 양자역학에 대한 서로 다른 시각을 설득하기 위해 대토론을 벌인다.

양자역학의 확률 이론을 깨기 위해 만든 영국의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 생각해낸 사고 실험 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 오히려 양자의 중첩성을 설명하는 좋은 사례로 꼽힌다.

누가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 꺼냈는가. 슈뢰딩거의 고양이를 이해하는 사람은 양자역학을 이해하지 못한 것이라는 말이 있다. ⓒ 게티이미지뱅크

하지만 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험도 양자역학을 전부 설명할 수 있는 것은 아니다. 기존의 고전역학은 위치와 속도를 알면 모든 상황은 예측할 수 있다고 했다. 하지만 양자와 같이 작은 입자의 세계에서는 위치와 속도 둘 중 한 가지를 도저히 파악할 수가 없다. 그만큼 양자의 세계에서는 우리가 상상하기 어려운 일들이 일어나기 때문이다.

지금은 우주의 별이 된 천재 물리학자 스티븐 호킹이 “누가 슈뢰딩거의 고양이를 말하는 걸 들으면 난 내 총을 꺼낸다”고 한 것도 이러한 이유에서다.

(1991)

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