지식더하기 양자역학 너를 어떻게 받아들여야 하니

우리가 사는 세상은 너무나 당연하고 예측 가능하다. 굴러가는 당구공의 속도를 알면 1초 뒤에 어디에 있을지 100% 완벽하게 계산할 수 있고, 달은 우리가 쳐다보든 안 쳐다보든 항상 그 자리에 떠 있다(고전 역학). 그런데 1920년대, 과학자들이 원자나 전자 같은 미시(Micro) 세계로 돋보기를 들이대자 멘탈이 붕괴하는 대형 참사가 벌어졌다. 전자라는 놈은 평소에 구름이나 유령처럼 공간에 두루뭉술하게 퍼져 있다가, 인간이 '쳐다보는(관측)' 순간 짠! 하고 하나의 단단한 알갱이로 뭉쳐버렸다. 상식적으로 미친 소리 같지만, 이것이 바로 스마트폰 반도체와 양자 컴퓨터를 움직이는 현대 물리학의 근간, '양자역학(Quantum Mechanics)'의 세계다. 인간의 뇌로는 도저히 직관적으로 납득할 수 없는 닐스 보어의 코펜하겐 해석 속으로 들어가 보자.

입자인가 파동인가, 끔찍한 이중성

빛이나 전자(Electron)를 향해 총을 쏘듯 좁은 구멍 2개(이중 슬릿)를 통과시켜 벽에 부딪히게 하는 실험을 했다. 만약 전자가 야구공(입자)이라면 벽에는 2줄의 자국만 남아 야 정상이다. 그런데 결과는 벽에 여러 줄의 줄무늬(간섭 무늬)가 찍혀 나왔다. 이것은 물결(파동)이 겹칠 때만 나타나는 현상이다. "아, 전자는 물결(파동)이구나!" 과학자들은 전자가 어느 구멍을 통과하는지 지켜보려고 구멍 옆에 카메라(관측기)를 달았다. 그러자 끔찍한 일이 벌어졌다. 카메라가 자기를 쳐다보는 순간, 전자는 물결의 성질을 버리고 갑자기 야구공(입자)처럼 행동하며 벽에 딱 2줄의 자국만 남긴 것이다. 관측하기 전에는 구름(파동)처럼 두 구멍을 동시에 통과하다가, 쳐다보면 알갱이(입자)가 되는 이 미친 '파동-입자 이중성'이 양자역학의 서막이다.

쳐다볼 때만 존재한다, 코펜하겐 해석

이 기괴한 실험 결과를 두고 닐스 보어를 위시한 코펜하겐의 학자들은 역사상 가장 도발적인 선언(코펜하겐 해석)을 던진다. "전자는 우리가 관측하기 전에는 우주 어딘가에 점처럼 콕 박혀있는 것이 아니라, 여기 있을 확률 30%, 저기 있을 확률 70%처럼 '확률의 구름(파동 함수)' 형태로 우주에 두루뭉술하게 겹쳐서 존재한다. 하지만 인간이 카메라로 '관측'하는 찰나의 순간, 흩어져 있던 확률의 구름이 붕괴하며 하나의 뚜렷한 위치(입자)로 확정된다." 한마디로 우리가 안 쳐다볼 때는 달이 젤리처럼 번져있다가, 고개를 돌려 쳐다보는 순간 달의 형태를 굳힌다는 소리였다.

동시에 알 수 없다, 불확정성 원리

하이젠베르크는 한술 더 떠서 '불확정성 원리'를 내놓았다. 굴러가는 자동차는 카메라 플래시를 터뜨려 사진을 찍으면 현재 위치와 달리는 속도를 동시에 완벽하게 알 수 있다. 하지만 눈에 안 보이는 전자는 너무 가벼워서, 위치를 보려고 카메라의 빛(광자)을 튕겨내는 순간, 튕겨 맞은 전자가 빛의 충격 때문에 어디론가 휙 튕겨 날아가 버린다(속도가 변함). 반대로 속도를 측정하려고 살살 다루면 위치가 흐리멍덩해진다. 즉, 미시 세계에서는 우주의 근본적인 한계 때문에 입자의 '위치'와 '속도'를 절대로 동시에 정확히 알 수 없다는 무시무시한 물리학의 벽을 세워버린 것이다.

신은 주사위 놀이를 하지 않는다

이 코펜하겐 폭주족들의 주장에 가장 빡친 사람이 바로 알베르트 아인슈타인이었다. 그는 우주가 철저한 인과율의 시계태엽으로 돌아간다고 믿었다. 관측하기 전까지는 모든 것이 확률이라는 보어의 헛소리에 분노한 아인슈타인은 "신은 우주를 상대로 주사위 놀이(확률 게임)를 하지 않는다!"라고 소리쳤다. 하지만 수십 년간 이어진 치열한 논쟁과 실험 결과, 신은 주사위 놀이를 미치도록 좋아하는 도박꾼임이 밝혀졌고(양자역학의 승리), 아인슈타인은 씁쓸한 패배를 맞이했다. ![하이젠베르크의 불확정성 원리에 대한 명확한 다이어그램으로, 입자의 빛나는 빨간색 속도를 정확하게 측정하면 파란색 위치가 엄청나게 흐릿해져서 찾을 수 없게 됨을 보여줍니다](https://image.pollinations.