양자역학과 변증법 3

[마술사 함현진]

<양자역학 이야기 (3) - 양자 도약과 변증법>

고대 그리스의 철학자 헤라클레이토스는 ‘만물은 변화한다’라고 말했다. 이에 반해 동시대의 철학자 파르메니데스는 ‘변화하는 것은 아무것도 없다’라고 논박했다.

헤라클레이토스가 말한 변화의 근본적인 원리를 탐구한 여러 철학적 사유 중 하나가 변증법이다. 변증법은 모순 또는 대립을 근본원리로 하여 사물의 운동을 설명하려고 하는 논리이다.

변증법은 헤겔의 관념론적 변증법을 거쳐 마르크스에 와서는 유물론적 변증법으로 발전했다.

유물론적 변증법, 즉 변증법적 유물론은 인간의 의식이 객관적 세계를 반영할 뿐만 아니라 그것을 창조하기도 한다는 사유이다. 이때 물질과 의식의 관계에서는 1차적으로 물질이 의식을 규정하지만 2차적으로는 의식이 물질에 영향을 미친다.

변증법적 유물론의 3가지 법칙으로는 대립물의 통일과 투쟁의 법칙, 양의 질로의 전화 및 그 역의 법칙, 그리고 부정의 부정 법칙이 있다.

대립물의 통일과 투쟁의 법칙을 요약하면 다음과 같다. 사물이 발전하는 과정에서 상반되는 두 가지 측면이 나타나는데 각각의 측면은 자신과 대립하는 측면을 존재 근거로 삼으며, 이 두 측면은 하나의 통일체 내에 공존한다. 이렇게 상반되는 두 측면은 일정한 조건에서 각자의 대립물로 바뀐다.

양의 질로의 전화 및 그 역의 법칙(양질 전화의 법칙)을 간단히 서술하면 다음과 같다. 양적 발전이 질적 도약을 초래한다는 의미로 물질이나 운동의 양적 증가 혹은 감소에 의해서 질적 변화가 일어난다. 예컨대 얼음은 0°C에서 물이 되고 물은 100°C에서 수증기로 변한다. 이 법칙을 사회 발전에 적용한다면 사회구성체는 원시공산제에서 고대 노예제로, 다음에는 중세 봉건제로, 그리고 자본주의로 발전했다.

부정의 부정 법칙은 다음과 같다. 최초의 것이 그것을 부정하는 운동에 의해 더 고양된 결실을 맺는다. 예컨대 볍씨를 심으면 그것이 벼 이삭으로 성장하고 최종적으로는 더 많은 열매를 맺는다.

이 세 가지 법칙 중 양적 발전이 질적 도약을 초래한다는 양질 전화의 법칙은 양자 역학에도 시사하는 바가 크다.

양자 역학적 관점에서 전자는 특정 에너지를 가진 궤도에서만 존재하지 그 사이의 값에서는 존재할 수 없다. 그런데 전자는 음전하를 갖고 있어 핵 속에서 양전하를 갖고 있는 양성자와는 서로 반대 전하를 띠고 있다.

반대되는 전하는 인력 때문에 서로를 끌어당기는 법이므로 전자와 양성자는 서로 끌려가서 수축되어 원자가 파괴될 것이라고 생각할 수 있다. 그런데 원자는 왜 파괴되지 않는 것일까?

이 질문에 닐스 보어는 양자 에너지 원리에 위배되기 때문이라고 대답한다. 에너지 준위가 가장 낮은 수준에 있는 전자, 즉 핵에서 가장 가까운 전자는 에너지 사다리의 가장 아래쪽 가로대에 놓여 있다. 만약 그 전자가 핵을 향해 안쪽으로 서서히 이동하기 시작하면 그것은 허용되지 않는 에너지 값을 취하는 것과 마찬가지라는 의미다.

가장 안쪽 궤도에 있으면서 에너지를 잃는 유일한 방법은 에너지 사다리를 벗어나서 원자 밖으로 사라지는 것이다. 전자 입장에서는 전하의 인력 때문에 핵을 향해 움직이고 싶을 수도 있지만 양자 에너지 원리가 전하의 인력 법칙에 우선하기 때문에 이는 불가능하다. 그래서 원자는 파괴되지 않고 보존된다.

한편 전자가 빛을 흡수하여 더 높은 준위의 궤도로 옮길 때는 두 궤도의 중간지대를 지나지 않고 순식간에 이동한다. 이렇게 특정 궤도에 있던 전자가 사라진 뒤 다른 궤도에 다시 나타나는 현상을 양자 도약이라 한다.

이런 양자 도약은 변증법의 질적 도약에 비해 양적 도약이라 할 수 있다. 변증법에서는 양적 발전이 질적 도약을 초래하는데 반해 양자 도약은 양적 증가 또는 감소는 허용되지 않고 양적 도약만이 가능할 뿐이다.

거시적 현실 세계에서는 양적 발전으로 질적 도약이 이루어져 변화와 발전이 이루어진다. 반면에 미시적 원자의 세계에서는 양적 도약인 양자 도약으로 원자의 보존이 가능해진다. 따라서 세계는 질적 도약과 양적 도약이 함께 이루어지면서 변화와 보존이 공존한다고 할 수 있다.

결론적으로 헤라클레이토스의 변화설과 파르메니데스의 불변설이 모두 세계에 내재하는 근본 원리라고 할 수 있겠다.

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1. < 양자역학 이야기 (1)>
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