양자파동의학/파동의학의 탄생- 데이비드 봄의 양자이론

[평화세상]

(아래 글은, 의식, 에너지, 물질, 초양자장에 대한 가장 간단하고도 이해하기 쉬운 글이어서 옮겨왔다.)

양자파동의학/파동의학의 탄생- 데이비드 봄의 양자이론

                                                                                                             남당 조연호

데이비드 봄(David Bohm)은 미국 출신으로 영국 런던 대학의 이론 물리학 교수를 역임했던 물리학자로써 코펜하겐 학파의 불확정성 원리를 정면으로 반대하였다. 그 이유는 우주가 그토록 불확정한 것처럼 보이는 것은 인간의 인식의 한계 때문이거나 아니면 측정 기구의 한계 때문이지 우주 자체가 불확정한 것은 아니라고 믿었기 때문이었다.

그래서 봄(Bohm)은 인간이 미처 모르는 어떤 숨은 변수가 있을 것이라고 생각하였고 그 래서 숨은 변수 가설(hidden variable theory)"을 제안하였다. 다시 말하면 하이젠베르크의 불확정성 원리에서 전자가 어디에 있는지 어떻게 움직이는지 모르기 때문에 전자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 알 수 없다"라고 말하는 대신에 봄(Bohm)은 정확한 위치와 정확한 운동량을 동시에 가지는 전자가 반드시 있을 것이라고 가정하고 그 해를 구하기 위하여 숨은 변수 가설을 가정하였으며, 이를 위하여 아인슈타인이 질량과 에너지의 이중성(질량 + 에너지)을 상대성 이론에 의해 해결했듯이 봄(Bohm)은 입자와 파동의 이 중성(입자 ~+ 파동)을 숨은 변수 가설로 해결하려고 하였다.

봄(Bohm)은 숨은 변수 가설(hidden variable theory)”을 제안한 이후 이 숨은 변수가 무엇인가를 집중적으로 연구하였으며 봄(Bohm)은 일차적으로 파동함수를 존재의 확률로 생각하지 않고 실제의 장으로 생각하였고 이 장의 해를 구하는 연구를 계속하였다..

그래서 그는 아인슈타인(Einstein), 플랑크(M. Planck) 및 드브로이(de Broglie)가 밝힌 공식 들을 종합하여 양자이론의 새로운 수학공식을 만들어 냈다. 다시 말하면 봄(Bohm)은 아인 슈타인(Einstein)의 공식, (물질++에너지), 플랑크(M. Planck)의 공식, (에너지 ~ 양자 x 파동) 그리고 드브로이(de Broglie)의 공식, (물질 ++ 파동) 등을 종합함으로써 물질은 원자로, 원자는 소립자로 그리고 소립자는 파동으로 환원될 수 있다고 생각하게 되었다. 다시 말하면 소립자란 바로 파동의 다발(wave packet)이라고 생각한 것이며 단지 소립자의 종류에 따라서 그 진동수만 다른 것이 소립자라고 생각하였다. 그리고 봄(Bohm)은 마지막으로 파동이 어디서 기원하였는가를 연구하였다. 그 결과 맥스월(James Maxwel)의 전자기장 방정식에서 스칼라 포텐셜(scalar potential)이 있다는 사실을 발견하였다.

영국의 물리학자 맥스웰은 패러데이(Faraday)의 전자기장 이론을 토대로 하여 20개의 전 자기학의 기초 방정식을 수립하였다. 그런데 영국의 전기공학자이며 물리학자인 올리버 헤비사이드(Olver Heaviside)가 맥스웰의 방정식을 4개로 재구성해버렸다. 그 이유는 맥스웰의 방정식에 들어 있는 전기장 E의 방정식 속에 들어있는 스칼라 포텐셜(scalar potential)과 자기장 B의 방정식에 들어있는 벡터 포텐셜(vector potential)이 양자이론이 없었던 그 당시로서는 그 정체가 확실치 않았고 또한 그 필요성을 느끼지 않았기 때문이었다. 이와같이 멕스웰 방정식에서 힘의 장은 소멸시키지 않으면서 임의로 대칭적으로 포텐셜(potential)을 변환시키는 것을 게이지 변환이라고 부른다. 원래의 멕스웰의 공식대로 해석하면 전자기장은 포텐셜장에서 기원하는 것으로 되어 있는데 이 포텐셜을 삭제하였기 때문에 고전 전자기학에서는 마치 전자기에너지가 전자기장(물)에서 발생하는 것으로 착각하게 된 것이다. 다시 말하면 게이지 변환은 억지로 짜 맞춘 변환이었는데 사람들은 그것이 참 진리인 것처럼 착각한 것이었다.

그런데 20세기에 들어와서 양자 물리학이 시작되면서 전자의 운동에너지의 출처를 규명하는 과정에서 포텐셜의 필요성이 발견된 것이며 삭제된 포텐셜의 필요성을 인정하고 이를 멕스웰이 본래 밝힌 대로 환원시킨 사람이 바로 봄(Bohm)이었다. 그래서 봄(Bohm)은 스칼라 포텐셜(scalar potential)을 이름을 바꾸어 초양자장(superquatnum field) 혹은 초양자 파동(superquantum wave)이라고 불렀다. 따라서 봄(Bohm)은 물질은 원자로, 원자는 소립자로, 소립자는 파동으로 그리고 파동은 다시 초양자장으로 환원될 수 있다고 하였다. 이것의 봄(Bohm)의 양자이론이다.

코펜하겐의 표준해석과 해석상 차이점

이상에서 보는 바와 같이 봄(Bohm)의 양자이론은 코펜하겐의 표준해석과 상당한 해석상의 차이가 있음을 알 수 있는데 그 차이점을 요약하면 다음과 같다.

표준해석에서는 양자는 관측되기 이전에는 불확정적이어서 존재 혹은 비존재인가를 알 수 없으나 관측하는 순간에 비로소 양자는 파동 혹은 입자로 태어나는 것이라고 하였다. 이에 비하여 봄(Bohm)은 파동은 관측되기 이전에도 확실히 존재하는 것이며 파동이 모여서 다발(packet)을 형성할 때 입자가 되는 것이라고 하였으며, 파동의 출처는 우주의 허공을 꽉 채우고 있는 초양자장이라고 하였다. 따라서 봄(Bohm)의 양자이론은 코펜하겐의 표준해석과를 비교하면 엄청난 차이가 있음을 알 수 있다.

이와 같이 봄(Bohm)의 양자이론은 잘 정리된 수학 공식과 이론으로 구성되어 있으나 코펜하겐 학파의 거물인 보어와 원자 물리학의 대부인 오펜하이머 등이 죽기 이전에는 물리학계에서 별로 주목을 받지 못하였고 오히려 이단자로 취급되었다. 그러나 봄(Bohm)의 양자이론이 아스페(Alain Aspect)에 의하여 실험적으로 증명한 이후로 봄(Bohm)의 양자이론은 새로운 주목을 받게 되었다. 특히 블랙홀 이론을 창시한 옥스퍼드 대학의 펜로즈(Roge r Penrose), 양자이론의 개념적 토대를 세운 세계적 권위자 중의 한 사람인 파리 대학교의 베르나르 데스파냐(Bernard dEspagnat) 그리고 1973년 노벨 물리학상을 수상자 한 켐브리지 대학교의 조W슨(Brian Josephson) 등은 봄(Bohm)의 양자이론을 열렬히 지지하였다.

봄의 양자이론 요약

봄(Bohm)의 양자이론의 요점은 다음과 같다.

첫째, 우주의 허공은 텅 비어 있는 것이 아니라 초양자장(superquantum field)으로 충만되어 있다고 하였다.

둘째, 초양자장으로 충만 된 우주는 하나(oneness)로 연결되어 있는데 이것을 비국소성 원리(non-locality principle)라고 불렀다. 3차원에서 보면 두 개의 원은 따로 따로 떨어져 있다. 그러나 3차원에다 시간 원을 보탠 4차원에서 보면 두 개의 원은 서로 연결되어 있다. 따라서 3차원에서 보면 2각이던 것이 4차원에서는 모두 연결되어 있다고 생각하는 논리가 비국소성 원리이다.

셋째, 우주에 존재하는 모든 것은 초양자장으로부터 분화되며, 이렇게 하여 생긴 존재는 크게 3 가지 부류, 즉 정신계, 에너지계, 물질계로 나눌 수 있다고 하였다. 이때 에너지가 분화하는 과정을 보면 초양자장이 중첩되어 파동이 되고, 파동이 중첩되어 에너지가 된다고 하였고, 의식의 분화는 초양자장이 중첩되어 파동이 되고, 파동이 중첩되어 에너지가 되며, 에너지가 중첩되어 소립자가 되며 이 소립자가 의식이 된다고 하였으며, 물질의 분화는 초양자장이 중첩되어 파동이 되며, 파동이 중첩되어 에너지가 되며, 에너지가 중첩되어, 소립자가 되며, 소립자가 중첩되어 원자가 되고, 원자가 중첩되어 분자라는 물질이 된다고 하였다. 따라서 에너지, 마음, 물질 등은 동일한 질료로부터 만들어진다고 하였다. 이와같이 우주에 존재하는 모든 것은 초양자장으로부터 분화하기 때문에 마치 러시아 인형 처럼 부분 속에 전체의 정보가 들어 있다고 하였으며 이것을 홀로그램(hologram) 모델이라고 불렀다.

또한 봄(Bohm)은 우주를 홀로그램이라고 말함으로써 수학적 언어로 우주의 모든 것을 설명할 수 있다고 하였으며 따라서 우주에 존재하는 물질, 에너지 그리고 마음 같은 것도 수학으로 표현할 수 있다고 하였다. 이와같이 봄(Bohm)은 현재의 과학 수준 때문에 실험으로 증명할 수 없는 것은 수학적 이해로 설명하고자 하였는데 이것을 봄(Bohm)의 양자 형이상학(quantum metaphysics)이라고 부른다.

불확정성 원리의 재해석

세월이 흐르면서 코펜하겐학파의 불확정성 원리를 추종하는 또 다른 그룹의 물리학자들이 나타나서 불확정성 원리를 새로운 각도에서 재해석하기 시작하였는데 이들은 주로 관측에 의해서 무슨 일이 일어나는가를 심도 있게 연구하였다. 노벨 수상자이며 양자이론의 선도적 권위자인 항거리 출신의 물리학자 위그너(E. Wigner)를 위시하여 사파티(Sarfat), 워커(E. Walker), 야우호(Jauch), 론돈(London) 그리고 울 프(F. Wolf) 등은 과학자가 관측하는 순간, 과학자의 의식이 존재하기 이전의 양자 세계에 개입하는 것이라고 하였다. 즉, 입자인지 파동인지 알 수 없는 양자라는 가능태에 대하여 과학자가 관측하는 순간, 과학자의 의식이 입자 혹은 파동을 탄생시키는 것이라고 추측하였으며 따라서 양자의 탄생에는 의식이 중요하게 작용한다고 하였다. 물리학자 뮤지스(C. Muses), 탄도학의 권위자인 해리스 워커(H. Walker) 및 미국 프린스톤 대학의 물리학자 안(R. G. Jahn) 등은 관찰자의 의식에 의하여 입자 혹은 파동이 탄생하는 것이라면 양자의 관찰 전 상태가 의식이기 때문에 그러한 일이 가능하다고 생각하였다. 따라서 양자의 관찰 전 상태란 바로 의식이라고 하였다. 미국의 물리학자 에베렛(H. Everette)은 파동함수란 존재할 가능성을 묘사하는 것이 아니라 실제로 그렇게 존재하고 있는 것이라고 주장하였다. 따라서 파동함수가 의미하는 바에 의하면 우주는 하나만 존재하는 것이 아니라 한 우주와 더불어 나란히 공존하고 있는 또 다른 우주가 있다고 하였다. 그래서 관측이란 다름 아닌 여러 개의 우주 중에서 하나의 우주를 선택하는 과정이며, 관측되지 않는 우주도 여전히 현존하고 있다고 주장하였다. 다시 말하면 입자로 된 우주와 파동으로 된 우주가 따로따로 병행하고 있는 상태로 존재하고 있다가 과학자의 관찰에 의해서 두 가지 우주 중에서 하나가 선택되는 것이라고 하였다. 미국의 물리학자 폰 노이만(John von Neumann)은 양자의 관측시, 과학자의 의식이 작용하여 양자가 탄생하는 것이 아니라 관측 시 사용하는 기구의 빛이 양자의 가능태에 작용하여 입자를 탄생시키거나 혹은 파동을 탄생시킨다고 하였다.