하이젠베르크 그의 부분과 전체

1927년, 26살의 젊은 독일 천재 물리학자 '베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)'는 200년 동안 세상을 지배해 온 뉴턴의 위대한 물리학을 단 한 줄의 공식으로 처참하게 박살 내버렸다. 뉴턴 시대의 과학자들은 우주는 거대한 시계태엽 같아서, 현재 던진 공의 '위치'와 '속도'만 정확히 알면 10년 뒤에 그 공이 어디로 갈지 100% 완벽하게 예측할 수 있다고 거만하게 믿었다(결정론). 하지만 미시 세계(양자)의 숲으로 들어간 하이젠베르크는 우주가 그렇게 만만한 곳이 아님을 깨달았다. "전자의 위치를 알려고 하면 속도를 잃어버리고, 속도를 알려고 하면 위치를 잃어버린다." 아인슈타인마저 격노하게 만든 우주의 기괴한 한계선, '불확정성의 원리(Uncertainty Principle)'와 그의 회고록 <부분과 전체>를 통해 양자역학의 철학적 폭풍을 들여다보자.

우리를 배신하는 관측의 저주

우리가 밤하늘의 달을 눈으로 보려면, 달에 부딪힌 '빛(광자)'이 튕겨서 우리 눈(망막)으로 들어와야 한다. 빛이 달을 튕긴다고 해서 무거운 달이 옆으로 밀려나지는 않는다. 하지만 원자 주위를 도는 아주 작고 가벼운 '전자'의 위치를 보려고 빛을 쏘면 엄청난 비극이 벌어진다. 전자의 위치를 정확히(선명하게) 보려면 파장이 짧고 에너지가 센 빛(감마선)을 때려야 하는데, 이 센 빛이 전자를 때리는 순간 당구공이 튕기듯 전자가 미친 듯이 엉뚱한 방향으로 날아가 버린다. 즉, 내가 전자의 '위치'를 정확히 보는 그 순간, 전자의 '속도(운동량)'는 내 관측 행위 때문에 뒤죽박죽 엉망이 되어버리는 것이다.

인간의 한계가 아니라, 우주의 본질이다

초기에는 과학자들도 "그건 우리가 빛을 쏴서 전자를 건드렸기 때문(관측 기술의 한계) 아냐? 나중에 현미경이 더 발전하면 둘 다 알 수 있겠지"라고 생각했다. 하지만 하이젠베르크는 수학을 통해 더 뼈아픈 진실을 폭로했다. 위치와 속도를 둘 다 정확하게 알 수 없는 것은 인간의 현미경이 후져서가 아니라, '우주라는 무대 자체가 원래 그렇게 흐릿하게 세팅되어 있다'는 물리적 진리라는 것이다. 입자는 딱딱한 구슬이 아니라 퍼져있는 파동(물결)의 성질을 동시에 가지기 때문에, 한 점(위치)에 고정되는 순간 파동(속도)의 특성이 붕괴하는 것은 수학적인 필연이었다.

아인슈타인의 분노 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"

하이젠베르크의 불확정성 원리가 나오자 물리학계는 발칵 뒤집혔다. 이 원리대로라면 우주의 미래는 100% 톱니바퀴처럼 굴러가는 것이 아니라, 확률 구름 속에서 대충 이쯤 있겠지 하고 '확률적'으로만 존재하게 되기 때문이다. 우주가 이토록 모호하고 랜덤한 도박판이라는 사실을 견딜 수 없었던 아인슈타인은 "신은 우주를 가지고 주사위 놀이를 하지 않는다!"라며 끝까지 하이젠베르크와 양자역학을 거부하며 죽을 때까지 싸웠다.

부분과 전체, 원자폭탄의 윤리적 딜레마

하이젠베르크는 자신의 일대기를 다룬 명저 <부분과 전체>에서 과학이라는 '부분'과 인간 사회라는 '전체'가 어떻게 충돌하는지를 뼈저리게 고백한다. 그는 제2차 세계대전 당시 조국인 나치 독일을 위해 원자폭탄 개발 프로젝트(우란베르크)의 수장을 맡았다. 천재 물리학자였지만 히틀러의 손에 핵무기를 쥐여주는 악마의 하수인이 될 뻔한 그는, 평생 전범이라는 꼬리표와 학문적 순수성 사이에서 철학적 고뇌에 시달려야 했다. !['불확정성 원리' 방정식(Δx * Δp >= h/4π)의 개념적 다이어그램으로, 돋보기가 입자의 정확한 '위치(Position)'(x)에 완벽하게 초점을 맞추려고 할 때 '운동량(Momentum)'(p)이 흐릿하고 혼란스러운 흐림으로 폭발하는 것을 보여줍니다](https://image.pollinations.