* 이 글은 김상욱 교수님의 강연을 활자로 옮긴 내용입니다. 읽으시기에 불편한 부분이 다수 존재합니다. 그점 양해바랍니다.
그럼 시작!
1920년, 과학계에 하나의 질문이 떠오른다.
"과연, 입자는 어떻게 움직일까?"
이 질문에서 시작된 실험이 물리학자들을 '단체 멘붕'에 빠트린다.
자. 이게 무엇이냐.
검은색 스크린에 구멍이 있는 것이다.
물리학자들은 이걸 고상한 말로 '슬릿'.
아래 위로 쭉 찢어진 것이라 말하는데.
이건 쭉 찢어진 게 두 개니까
'이중 슬릿'.
즉, 이중 슬릿 실험이다.
자, 이제 이 구멍 두 개로 원자, 즉 전자 두 개를 보낸다.
허탈하게까지 느껴지는 간단한 실험.
왼쪽에 있는 전자가 가면서 벽에 부딪히면 부딪힐거고,
안부딪히면 지나가서 스크린에 이렇게 두 개의 줄로 보일 것이다.
이것 이상의 뭔 일이 벌어질까?
입자들이 통과하며 만들어낸 '두 개의 줄'이 나올 것이고 그게 끝일 것이다.
당연히 그래야 하는 것이다.
자. 이제 실험을 해보자.
전자를 두 개의 구멍으로 발사하는 것이다.
두 개의 줄이 나올 것이라 확신해도 좋을 것 같다!
그런데 실험을 해봤더니?
?????
자. 이게 이 모든 스토리의 알파이자 오메가. 처음이자 끝이다.
이걸 이해하면 끝나는 것이다.
이 사진을 보면, 도대체가 말이 안된다.
분명 두 개의 슬릿을 통과 시켰는데 마치, 소리가 지난 것 같은 '파동'이 지난 것 같은 무늬가 나왔다.
이거 어떻게 이해할까?
자. 이게 힘든 이유가 뭐냐.
전자가 마치, 파동과 같은 결과를 냈다는 거다.
이게 파동이다.
파동이 이런 복잡한 무늬가 생기는 이유가 뭐냐면, 파동이 어디에 있는지를 알 수가 없기 때문이다.
한번, '코끼리'란 단어를 말해보아라.
그 단어가 어디있는지, 알 수 있는가?
분명 당신은 그 단어를 말했고, 들었다.
당신이 있는 공간 어딘가에는 분명 '코끼리'라는 파동이 있다.
그런데 그게 어디 있는가?
찾을 수가 없다.
여기저기 다 퍼져 있다.
파동은 위치를 얘기할 수가 없다.
즉, 파동은 위치가 없다.
'간섭'을 받는다.
이렇게 두 개의 두 멍을 지나가게 하면, 동시에 지난다.
그렇기 때문에 이렇게 많은 줄이 나오게 된다.
그런데 입자는, 어디 있는지 '안다.'
하나의 전자를 구멍을 향해 발사하면 분명 하나의 구멍을 통과해야만 한다.
이게 제일 큰 차이점이다.
그런데, 왜 이딴 모양이 나오느냐?
입자가 지나가면서 뭔가 파동처럼 '간섭'을 당했다는 거다.
물론 이건, 당연하게도 말이 안된다.
자. 그래서 이 문제를 해결하기 위해 물리학자들이 한 첫 번째 생각이 뭐냐.
지금부터 당신들은 물리학자들이 얼마나 깐깐한지 알게 될텐데,
지구가 돈다고 생각하는 사람들이니까 보통 사람들은 아니다.
자. 이제 물리학자들이 이야기한다.
물리학자들 : 혹시, 이 전자들이 뇌가 있어서 서로 대화를 하는 거 아니냐? 난 일로 갈테니까 넌 절로 가.
그럴 수도 있잖아?
이게 첫 번째 가능성이다.
우리가 전자를 본 적이 없으니까.
와이 낫?
자. 그럼 이제 전자가 대화하는 것을 막아야 한다.
어떻게?
서로 대화를 못하게 하면 된다.
한번에 하나씩 전자를 보내고, 떠난 전자가 스크린에 부딪힐 때까지 두 번째는 안보내.
그럼 짤 수가 없다.
아 만족스럽다.
자. 그렇게 실험을 한다.
똑같이 나온다. ㅅㅂ.
역시 짜는 건 아니다.
자. 그럼 하나씩 하나씩 보낼때, 전자가 파동처럼 지난다는 건데.
파동처럼 지난다는게 무슨 말일까?
자. 이제 여기서 아주 무시무시한 말이 나온다.
많은 물리학자들이 하는 얘긴데.
'하나의 전자가 '두 개의 구멍'을 동시에 지났다.'
이렇게 설명한다.
이렇게 하지 않으면 설명이 안되니까.
뭐, 다른 말로 설명할 수도 있다.
하나의 전자가 둘로 나눠져서 각각 구멍을 지난 다음에 다시 합쳐진다.
하나가 어떻게 쪼개지냐고?
그렇게 안하면 그 패턴을 설명하는게 불가능하니까.
이 미칠노릇이다.
이게 1920년대 물리학자들이 처한 상황이었고,
그때 물리학자들은,
단체로 멘붕이었다.
이거 진짜 실화다.
정말 미칠 지경이 된 거다.
이게 이, 아마 인류 지성 역사에서 가장 황당한 사건이었을 것 같은데.
실제로 지금 2018년 물리학자들은 전자 하나가 두 개의 구멍을 동시에 지난다고 이야기한다.
이걸 중첩상태, 양자 중첩상태라고 부르는데,
이거 없으면 지금의 화학과 생물학 전체가 무너진다.
자.
그럼 다시 돌아와서.
당신이 정상적인 멘탈을 가진 과학자라고 한다면,
전자가 동시에 두 개의 구멍을 지난다고?
그래? 그럼 보면 되겠네!
이런 답이 나올 것이다.
과학자의 마음은 어린 아이처럼 순수하니까.
자, 그럼 이제 이런 의문을 품은 채.
진짜 두 개 지나나 확인을 해보자.
자. 이제 사진을 찍어본다.
어떻게 됬을까?
하나의 전자가 양쪽 두 개의 구멍에 딱 찍히면 되는건데.....
그러나 가슴 아프게도, 사진을 찍어보면 전자는 한 번에 하나의 구멍만을 지난다.
그러면 당신은.
당신: "얼렐레? 한번에 두 개의 구멍을 지난다며? 거짓말 했네? ㅎㅎ?"
그런데 거짓말이 아닌 것이.....
당신이 "측정"을 시작하면 분명히 전자는 쪼개지지 않는다.
처음에 하나만 보냈으니까 하나만 지난다.
우주 전체가 모순을 일으키지는 않는다는 거.
그 때에는 위 사진 처럼 간섭 무늬가 사라진다.
정말로 '입자'같이 행동한다.
전자 : 어. 누가 나 지켜보고 있네? 나 입자처럼 행동해야지. ㅎㅎ
개빡친다.
자. 그럼 이제 다시 안본다.
안본 채로 실험을 다시 시작한다.
그러면?
간섭 무늬가 다시 나온다.
멘붕을 떠블로 먹는다.
자. 전자는 자신이 관측을 당하는지, 당하지 않는지를 아는 것처럼 행동한다.
이것이 양자역학에서 물리학자들이 마주한 두 개의 멘붕이다.
첫번째를 물질의 이중성이라고 불러서,
"입자는 파동성을 가질 수 있다."
양자역학 책 펼치면 첫 번째 줄에 나오는 거고.
이제 두 번째는.
"측정이 대상에 영향을 준다는 거."
이게 현재 물리학을 떠받치는 가장 중요한 원리인데.........
1부는 여기서 종료.
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