[반야심경과 물리학] 4. 이중성 발견과 고전역학 - 입자 파동 이중성 발견후 보는시각 달라져

[석천]

김성구교수의《반야심경과 물리학》

[반야심경과 물리학] 4. 이중성 발견과 고전역학

- 고전역학 절대불변의 인과세계 실체 인정 -
- 입자 파동 이중성 발견후 보는시각 달라져 -

고전역학적 우주관은 바로 인과의 세계를 뜻한다. 불교적 용어를 빌어 말하자면 인과의 사슬에 묶여 돌고도는 생사윤회의 세계를 뜻한다. 모든 것이 인연에 의해 꼼짝달싹할 수 없이 결정되어 있기에 적극적인 수행도 의미를 잃는다.

적극적인 수행마저 그렇게 되도록 인연따라 결정되어 있으니 수행을 하지 않은들 인연이 그런걸 본인에게 무슨책임이 있겠는가. 결정된 과보를 받도록 되어 있는데 누가 어떻게 그 인연과보를 끊을 수 있겠는가. 고전역학의 결정론적 인과율이 절대적이라면 불교가 설 땅은 없다. 실제로 불교가 인도의 서쪽지방, 이란 아랍 그리스등에 알려졌지만 받아들여지지는 않았다.

고전역학은 객관적 실체를 인정하므로써 보는 것 듣는 것이 있는 그대로 질서정연하게 존재한다고 본다. 누가 거기에 그것이 있다고 인식하므로써 그것이 거기에 있는 것처럼 나타나는 것이 아니라 인간의 인식과는 상관없이 그것은 거기에 그렇게 존재한다는 것이다.

사실 일상적 경험으로 볼 때는 옳게 들린다. 그런데도 불구하고 반야심경은 오온개공이라고 설했다. 이제 현대물리학의 탄생과정을 살펴보고 어떻게 물리학자들이 일상적 경험의 세계를 뛰어 넘는지 반야심경의 내용과 비교하여 보기로 하자. 사건은 입자－파동의 이중성을 관찰하므로써 시작된다.

사람은 사물을 두가지 대립되는 개념으로 나누어 보려는 경향이 있다. 실체와 허상, 유와 무, 선과 악 등인데 물질세계에서 나타나는 입자와 파동도 이 대립되는 개념에 속한다. 미리 말해 둘 것은 현대물리학에서는 입자－파동의 이중성에서 말하는 파동을 사람이 입자를 발견할 확률을 나타내는 것으로 해석하여 기이한 세계로 사람을 끌고 가지만 이중성이 논리적 모순을 가져오지 않는다는 사실이다.

그러나 고전물리학에 길들여져 있던 물리학자들은 이 파동을 물질이 파동의 모양으로 존재하는 것으로 해석하여 입자에 대립되는 개념인 물질파로 보았기에 논리적 모순을 가져왔다. 이중성이란 말도 그래서 생겨난 것이다. 물질파로 해석하여도 자연현상을 설명하는데 별 지장은 없으므로 먼저 물질파와 입자에 관해 설명하겠다.

고전물리학에서 입자의 개념은 단순하다. 질량을 가지고 있으며 우리 주위에 있는 물질을 이루고 있는 것이 입자다. 입자는 실체를 뜻한다. 이에 반해 파동은 실체가 운동하므로써 나타나는 하나의 현상을 뜻하므로 허상이다. 물결파를 예로 들면 실체인 물이 진동하여 나타나는 현상이 물결파다. 존재하는 것은 물이다. 물결파는 물이 없으면 나타나지도 않지만 물은 물결파가 있건 없건 상관없이 존재한다.

실체와 허상에 불과한 하나의 현상이 서로 명확히 구분되는 개념이라면 실체인 입자가 파동처럼 행동할 수 없고 파동이 입자처럼 행동할 수 없을 것이다. 또한 입자는 일정한 공간내에 머물러 있을 수 있지만 파동은 머무른다는 법이 없다. 물결파가 생기면 전체 수면으로 퍼져 나가듯이 파동은 반드시 퍼져나간다. 한곳에 머물러 있을 수 있기도 하고 없기도 한것이 논리적으로 모순이라면 자연현상에서 입자 －파동의 이중성을 기대할 수는 없을 것이다.

호수의 이쪽과 저쪽에서 돌을 던져 두군데서 물결파를 만들더라도 결국 합쳐서 하나가 되어 간섭현상(Interfernce)라는 현상을 만든다. 입자는 하나, 둘 이렇게 떼어서 생각할 수 있는 것이며 하나와 하나가 모이면 둘이 되는데 반해 파동은 둘이 합쳐 반드시 하나가 되지만 그것의 세기는 두배가 되는 것이 아니라 네배가 되기도 하고 아예 소멸해서 없어지기도 한다. 입자는 당구공끼리 부딪쳐서 서로 튕겨내는 것처럼 운동량(運動量)을 주고 받지만 파동은 운동량을 갖지 않으므로 물체를 튕겨낼 수 없다.

입자와 파동은 이렇게 다른 것인데 파동의 성질만 보여오던 빛이 입자인 전자를 때려 튕겨내는 현상을 물리학자들이 관찰하게 되고 실험적으로 빛의 이중성을 확인하게 된다. 뿐만 아니라 입자라고 생각했던 전자가 파동의 성질을 보이는 것을 관찰하게 되고 나아가 모든 입자가 입자－파동의 이중성을 갖는다는 것을 확인하게 된다.

이 새로운 현상은 사물의 본질을 새로운 시각으로 볼 것을 요구하며 실제로 새로운 세계로 물리학자들을 이끈다.

김성구 <이화여대 교수.물리학>

[출처 : 부다피아]

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