The Science Times

물리학자라면 항상 10월쯤 되면 올해의 물리학상은 누가 타게 될까 궁금해지기 마련이다. 그리고 한편으로는 우리나라는 과연 언제쯤 노벨 물리학상을 타게 될까 하며 약간의 위기의식을 느끼기도 한다. 2022년 노벨 물리학상은 양자 얽힘에 관한 실험적 성과 및 양자 정보 분야를 개척한 공로로 프랑스의 알랭 아스페, 미국의 존 클라우저, 오스트리아의 안톤 차일렁거 세 사람에게 수여되었다. 이들 세사람의 연구는 양자컴퓨터, 양자암호학, 양자 순간 이동 등의 양자 기술의 발판을 놓았다는 높은 평가를 받고 있다. 한편, 양자역학이 고전역학과 뚜렷이 구별되는 큰 특징이 “중첩”과 “얽힘” 이라는 현상 때문인데, 바로 이 두 특징이 양자 기술의 핵심이 된다.

물리학을 공부한 덕분에 요새는 콧대가 높다. 양자 기술이 점차 현실이 되어가면서 양자역학에 관해 묻는 사람이 늘었다. 시의적절하게 스웨덴 노벨 위원회에서, 아인슈타인의 고전적인 세계관이 아니고 양자역학이 옳다는 것을 결정적으로 입증했던 세 과학자에게 노벨 물리학상을 안겨 주었다.

2022년 노벨물리학상은 양자역학의 얽힘(entanglement) 현상을 실험으로 입증한 알랭 아스페(Alain Aspect), 존 프랜시스 클라우저(John Francis Clauser), 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)에게 수여되었다. 양자 얽힘이란 양자역학 세계에서 두 입자가 분리되어 있더라도 마차 하나의 상태처럼 존재해서, 하나가 특정 상태가 되면 다른 하나도 동일한 상태가 된다는 의미다. 이 현상은 20세기 초반 양자역학이 정립되던 시기부터 논란이 되었던 주제다. 지금은 이 분야를 양자역학의 토대(foundations of quantum mechanics)라고 부른다.

최근 들어 지구 온난화 문제를 극복하기 위해 태양전지가 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 태양전지라고 하면 태양으로 인해 발생한 열이 아니라, 태양에서 온 빛을 이용하여 전기를 생산하는 장치를 말한다. 양자역학과 크게 관련이 없을 것 같지만, 놀랍게도 양자역학(quantum mechanics)이 처음 정립되기 시작한 20세기 초에 나왔던 이론들이 태양전지의 작동 원리를 이해하는 데 필수적이다.

Atomistic spin dynamics 시뮬레이션 프로그램을 직접 개발한 양자 시뮬레이션 전문가 허창훈 박사는 연구석사 과정으로 Ecole Polytechnique 대학원에 재학 중 2022년 노벨 물리학상 수상자 중 한 명인 알랭 아스페 교수(Prof. Alain Aspect)의 수업을 들은 적이 있다. 이에 사이언스타임즈에서 인터뷰를 진행했다.

2019년에 개봉한 영화 ‘어벤저스: 앤드게임’에서 슈퍼 히어로들이 불리한 전세를 뒤집을 수 있었던 결정적인 계기는 한 마리의 쥐 때문이었다. 좀 더 자세하게 말하면 쥐가 양자 터널이 설치된 자동차에 설치한 버튼을 ‘우연히’ 눌렀기 때문이다. 이 우연한 사건은 예측할 수 없는 양자역학의 세계를 보여주는 단적인 예로 볼 수도 있다.

조 바이든 미국 대통령 당선자는 상당 부분에서 전임 행정부의 중요한 정책은 계승할 것으로 미국 과학계는 전망하고 있다. 기후변화와 팬데믹 대응 방안은 매우 심각한 분열과 논란을 불러일으켰지만, 그 외 부분에서도 놀랍게도 민주당과 공화당 사이에 큰 차이가 없다.

위대한 과학자에게 ‘빛’은 신이 인류에게 준 비밀을 푸는 열쇠다. 양자역학과 특수 상대성이론을 연결하는 양자전기역학의 기틀을 마련한 폴 디랙(Paul Dirac, 1902~1984)과 리처드 파인만(Richard Feynman, 1918~1988) 또한 빛을 쫓아온 천재 물리학자다.

2016년 9월 중국이 양자 레이더를 개발했다는 소식이 전해졌다. 중국전자과기집단공사는 제14연구소가 세계 최초로 단광자 검출 기술에 기반을 둔 양자 레이더 시스템을 개발했다고 발표했다. 이 소식은 세계적으로 큰 반향을 불러일으켰다. 스텔스 전투기를 탐지할 정도로 성능이 뛰어난 양자 레이더를 중국이 개발할 경우 미국 등 무기 개발 경쟁을 벌이고 있는 다른 국가들에게 큰 위협이 될 수 있기 때문.

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.