양자역학(量子力學) 소고(小考) - 이경수(李慶洙)

[허현]

양자점量子點(quantum dot) 구조를 가지는 반도체半導體 소재素材를 써서 제작된 TV 화면처럼 양자역학量子力學은 이제 대부분의 가정에서 거실의 한쪽 면을 차지하고 있습니다. 우리는 20세기(1900년-2000년) 기간에 정립된 물리학物理學을 현대물리학現代物理學(modern physics)이라 일컬으며, 상대성이론相對性理論과 양자역학은 현대물리학의 두 큰 줄기입니다. 이 중에 후자는 분자分子, 원자原子, 원자핵原子核, 전자電子처럼 그 크기가 미시적微視的인 물질세계의 상태를 서술하는 데 있어서 그 효용성이 매우 두드러집니다.
인류 문명의 가장 오래된 욕구 중 하나는 세상의 가장 근원적根源的인 원리를 밝히고자 하는 것이라고 생각됩니다. 이런 측면에서 20세기동안에 물질 세상에 대한 식별識別-자연계自然界에 대한 의미 있는 발견들-은 그 이전 수천 년을 다 합친 것보다도 더 압축적으로 이루어졌습니다. 그 식별의 결실을 대부분의 사람들은 주로 핸드폰이나 텔레비전, 또는 차량의 위치추적 내비게이션 장치와 같은 공학적인 결과물로 접하고 있습니다. 왜 금속은 가열加熱한 온도에 따라 그 색깔이 달라지는가? 왜 귀금속인 금金이나 은銀은 전기電氣를 잘 통하지만, 수정水晶이나 다이아몬드는 전기가 통하지 않는가? 왜 금 도선導線은 구리 도선보다 전기를 더 잘 통할까? 연필심이나 흑연黑鉛이 칠해진 바닥은 왜 미끄럽나? 이들 질문에 대한 제대로 된 정성적인 대답이 나타나기 시작한 것은 20세기 초반이었으며, 특히 양자역학은 이런 질문에 대한 답을 명쾌하게 제공합니다.
19세기 중엽을 지나면서 물리학계에서는 그때까지만 해도 전혀 다른 성질의 별개 현상들로 받아들여져 온 빛, 전기電氣, 자기磁氣 현상이 영국인 이론물리학자 James Clerk Maxwell(1831-1879)에 의해 전자기이론電磁氣理論 (electromagnetism)으로 통일되며, 세기말世紀末에 이르러서는 많은 이들의 관심이 물질 내부에서 일어나는 상황에 쏠리게 됩니다. 당시에 관측되는 현상들 중에 흑체복사黑體輻射(blackbody radiation; 가열된 물체가 방출하는 복사 에너지), 광전효과光電效果(photoelectric effect; 깨끗한 금속 표면에 빛을 쪼일 때 그 금속에서 전자電子가 방출되는 현상), 원자原子의 안정성과 빛스펙트럼 등의 현상들은 고전물리학적古典物理學的인 방식으로는 바르게 설명되지 않는다는 사실이 많은 물리학자들을 당황시킵니다. 대부분의 당대 물리학자들은 원자 스케일에서 벌어지는 현상들도 거시적인 계界의 성질을 성공적으로 설명할 수 있었던 Newton, Maxwell 등이 정립한 고전물리학 방식으로 능히 서술될 수 있다고 믿었기 때문입니다. 그러나 그 방식으로는 원자 스케일에서 벌어지는 여러 가지의 현상을 설명할 수 없음이 점차 확인되고, 20세기가 열리면서 새로운 물리학 방식의 시대가 오게 됩니다. Niels Bohr, Max Planck, Albert Einstein, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac 등은 양자역학을 태동시킨 대표적인 거장巨匠들입니다. 양자역학이 제대로 된 모습을 갖춘 지 이제 한 세기가 지나고 있으며, 요즈음 고체물리학固體物理學 또는 재료과학材料科學이라 불리는 물질과학 분야는 양자역학적인 접근을 거치면서 완벽히 정량적定量的인 정밀과학으로 거듭난 모습이며 다양한 응용 과학기술 영역에서 그 진가를 드러내고 있습니다.
21세기를 살아가고 있는 현대인의 삶은 물질과학의 통찰洞察과 무관할 수 없는 상태라 할 수 있습니다. 이러한 상황에서 유념할 점은 자연과학自然科學 특히 물리학의 대상對象은 우리의 이성理性과 오감五感을 통해 사유思惟되고 관찰되며 또한 보편적普遍的으로 재현再現이 가능한 물질物質 세계입니다. 물리학 법칙이나 이론은 매우 구체적으로 물질적인 실체實體에 근거해서 반복적인 실험 조작操作(operation)을 통해 극히 정량적으로 검증된 내용입니다. 그러므로 물리학의 이론이나 법칙을 인간의 마음이나 정신과 같은 비非물질적인 실체에 교묘하게 직접 확대 적용하는 일은 그 근거가 빈약하여 매우 위험스런 일이라 하겠습니다. 물론 자연과학과 인문, 사회과학 사이의 소통疏通은 매우 바람직한 일이며, 이때 서로 다른 영역에 속하는 보편적인 현상들의 접목을 시도함에 있어서는 유비적類比的 차원을 넘어서서 부적절하게 의미를 부여하게 되면 큰 오류誤謬로 이끌릴 수 있습니다. 초능력超能力, 초월적超越的 신앙信仰 체험, 영적靈的 체험, 정신력, 정신 에너지, 허구虛構(fiction), 인문학人文學 등의 서술에서 자연과학적 실체를 엄밀한 검증없이 직접 근거로 제시하거나 배경으로 인용하는 일은 읽는 이들을 미혹迷惑에 빠뜨리고 감당할 수 없는 부작용副作用을 일으킬 수도 있겠습니다.
한 가지 중요한 사실은 이런 20세기 물리학 체계들이 그 이전 세대의 과학과는 근본적으로 다른 면이 있다는 점입니다. 흔히 상대성이론이나 양자역학 같은 현대물리학 이야기를 접하게 되면 그 안에 들어 있는 일상의 경험과는 매우 거리가 있는 부분들이 피상적으로 크게 부각 되는 경향이 있습니다. 물론 호기심을 자극하는 데는 상당히 효과적일 수는 있으나, 현대물리학에 대한 이야기들의 그런 피상적인 부각은 부작용도 많이 있는 듯합니다. 하나의 예를 들자면, 양자역학의 근본이 되는 원리 중 하나인 불확정성원리不確定性原理(uncertainty principle)를 정신이나 윤리 등의 비물질적인 현상에 직접 적용하는 경우입니다. 불확정성의 원리는 원자나 아원자亞原子(subatomic) 수준의 현상에서 두드러지는데도 불구하고 어떤 이들은 모든 정보가 불확실하다고 주장하기 위해서 이 원리를 잘못 적용하는 경우가 종종 있습니다.
흔히 “현대 과학은 참 어렵다.”라고 이야기합니다. 어려운 면을 부인할 수는 없습니다만 “현대 과학은 참 낯설다.”라는 표현이 더 적절하다 하겠습니다. 그 이유 중 하나는 현대 과학이 들여다보아야 하는 현상들이나 그 현상에 대한 설명이 우리의 일상적인 직관으로 소화해 낼 수 있는 범주를 벗어난 지가 한참 되었기 때문입니다. 특히 자연과학의 가장 근본에 자리 잡고 있는 물리학이 그러하며, 그 중에서도 양자물리학은 더욱 그렀습니다. 현대 과학은 인간 개개인이 가진 지각知覺의 범주를 넘어선 지 오래되었지만, 과학의 본질은 이야기입니다. 쉽사리 말이 되는 이야기도 있고, 아직은 애매모호한 낯선 이야기도 있습니다.

글쓴이: 이경수 부산대학교 명예교수(물리학)

[허현]

미시적 물질세계를 설명하는 현대물리학 이론인 양자역학(量子力學 Quantum mechanics)은 현대인의 삶에 영향을 끼치는 여러 기술들의 이론적 바탕이 되었다. 과학기술뿐만 아니라 인문학적 방면등에도 영향을 미치면서 퀀텀닷(quantum dot) TV가 나오고, 기업의 비약적 발전을 Quantum leap(양자도약)이라 말하기도 한다.