이해하기 쉬운 양자역학과 이중슬릿실험, 슈뢰딩거의 고양이

현대 물리학을 이루고 있는 대표적인 이론으로 상대성이론과 양자역학이 있습니다. 그중에서도 양자역학은 이해하기 어려운 이론입니다. 과학자 닐스 보어는 양자역학을 보고도 제정신인 사람은 그것을 제대로 이해하지 못한 것이다라고 했고, 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만 역시 이 세상에서 양자역학으로 완벽히 이해하는 사람은 단 한 명도 없다고 말했습니다.

 

양자역학은 원자를 다루는 이론입니다. 원자의 행동을 설명하는 이론이 양자역학입니다. 원자는 화학적인 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위의 물질로, 너무 작기 때문에 현미경으로도 보는 것이 불가능합니다. 원자를 동전 크기로 확대시킨다면 동전을 지구 크기만큼 확대시키는 것과 같습니다.

 

세상 모든 물질은 원자의 결합으로 이루어져 있습니다. 즉 양자역학이란 모두 물질의 근원을 알아보는 학문입니다. 양자역학이 없었다면 반도체가 나올 수 없었고, 반도체가 없었다면 노트북이나 스마트폰과 같이 전자기기의 탄생은 불가능했을 것입니다.

 

원자에 대해 간단하게 알아보겠습니다. 원자는 원자핵과 전자의 결합으로 이루어져 있습니다. 원자핵이 가운데 있고 전자들이 원자핵을 중심으로 빙글빙글 돌고 있는데요. 여기서 원자핵과 전자 사이는 굉장히 멀리 떨어져 있습니다. 원자 바로 주변을 전자가 도는 것이 아니라 원자핵과 멀리 떨어진 곳에서 전자가 돌고 있는 것입니다. 그리고 이 둘 사이는 텅 비어 있습니다. 원자핵을 축구공이라고 가정하고 그 축구공을 서울 시청 앞 광장 한가운데 올려놓았다면 전자는 수원쯤에 떠다니는 먼지 한 톨 정도 됩니다.

 

Photo by Cristian Palmer on Unsplash

 

양자역학의 핵심은 이 원자가 파동 인지 입자 인지에 관한 질문입니다. 양자역학에 의하면 원자는 입자 이기도 하고 파동이기도 합니다. 1927년 솔베이 회의에서 나온 코펜하겐 해석을 계기로 등장했습니다. 이 솔베이 회의는 양자역학의 찬성파와 반대파가 격돌한 회의였습니다. 여기서 결국 찬성파가 반대파를 이기고 양자역학이 탄생하게 되었습니다.

 

입자란 우리가 기본적으로 보고 만질 수 있는 것들입니다. 소립자의 경우에는 너무 작아서 우리 눈으로 볼 수도 없고 만질 수도 없지만, 형태가 있는 물질이 바로 입자입니다. 야구공과 같이 누구에게 던져서 전달할 수 있다면 입자입니다. 반대로 파동은 우리가 보고 만질 수 없는 것들입니다. 한 번에 다수의 대상에게 전달이 가능하다는 특성을 하고 있는데, 소리가 파동에 대표적인 예시입니다.

 

이중 슬릿은 두 개의 구멍 이란 뜻입니다. 110V 전기 콘센트 모양과 같이 두꺼운 종이에 2개의 직사각형 모양의 구멍을 뚫고 이 이중 슬릿을 향해 입자와 파동을 보내 보겠습니다. 입자를 보낸다면 입자는 두 개의 구멍 중 하나만을 통과하게 될 것입니다. 구멍이 아니라 벽면에 부딪히면 튕겨져 나오기 때문이죠. 그럼 결국 입자들은 이중 슬릿과 같은 모양으로 두 줄을 그리며 도착해 있을 것입니다. 그 두 개의 구멍으로만 입자가 통과할 수 있기 때문입니다.

 

출처 : 구글이미지

 

퍼져나가는 파동을 이중 슬릿으로 보내본다면 2개의 구멍을 동시에 통과할 수 있습니다. 파도가 친다고 생각해봅시다. 파도의 물결은 하나의 알갱이들이 아니라 크게 퍼져 나가기 때문에 동시에 2개의 슬릿을 통과할 수 있습니다. 두 개의 슬릿을 동시에 지난 파동은 다시 만나게 되며 여러 물결을 만들어냅니다. 따라서 파동을 이중 슬릿으로 보냈을 때, 입자를 보냈을 때와 같이 두 줄이 나오는 게 아니라 여러 개의 줄무늬를 그리며 도착하게 됩니다. 이 모양을 간섭무늬라고 합니다. 입자와 파동은 두 개의 구멍을 통과하는 것만으로도 완전히 다른 결과를 보여줍니다.

 

과학자들은 빛이 입자인지 파동 인지 궁금해서 이중 슬릿 실험을 실시했습니다. 토마스 영이라는 과학자가 이중 슬릿에 빛을 쐈는데, 그 결과 간섭무늬가 나타났습니다. 이는 빛이 파동이란 것을 알려주었습니다. 이후 빛 대신에 전자를 이중 슬릿에 쏴봤습니다. 전자는 질량도 있고 하나씩 집어 들 수도 있습니다. 누가 봐도 명백한 입자이기에 과학자들은 이중 슬릿과 같은 두줄이 생길 것이라 예측했습니다. 하지만 간섭무늬를 나타났습니다. 이는 전자가 사실 파동이었거나 구멍을 통과한 뒤 여러 개의 입자로 바뀌었다는 말입니다.

 

하지만 전자는 누가 봐도 질량이 있는 명백한 입자였고 갑자기 여러 개로 바뀐다는 건 말이 안 됐습니다. 과학자들은 결과를 받아들이지 못했습니다. 어떻게 이렇게 말도 안 되는 결과가 나온 건지 알아보기 위해 이번에는 전자가 날아가는 과정을 관찰해 봤습니다. 전자가 이중 슬릿을 통과하기 직전의 순간을 사진으로 찍어 보았습니다. 그러자 전자는 거짓말처럼 완벽한 입자로 바뀌었습니다. 즉 간섭무늬가 나타나지 않고 이중 슬릿과 같은 두줄이 나왔다는 것이죠.

 

이 말은 전자가 관측되기 전까지는 파동이었다가 관측되기 시작하니까 입자로 바뀌었다는 것입니다. 어떻게 이런 일이 가능한 걸까요? 그걸 이해하기 위해서는 우리는 본다 라는 개념을 알아야 합니다. 본다는 것은 빛이 관측 대상에 부딪혀 정보를 가지고 우리 눈에 들어오는 것입니다. 즉 우리가 어떤 물체를 본다는 것은 빛이 그 물체를 때린 것이나 마찬가지입니다.

 

전자와 같이 작은 입자들에겐 빛이 자신을 때리는 행위가 엄청나게 큰 충격입니다. 전자 입장에서는 교통사고를 당한 것이나 마찬가지입니다. 따라서 본다는 것 자체가 실험 결과에 큰 영향을 미친 것입니다. 파동이었던 전자는 관측되는 순간 입자로 붕괴되어 버립니다. 이 말은 빛이라는 광자가 전자와 부딪혀 상호작용을 하는 순간 우리가 이해할 수 있는 형태로 전자가 변하게 되는 것이죠. 서로 상호작용을 하기 전까지는 우리가 볼 수 없지만, 상호작용이 일어나는 순간 볼 수 있는 형태로 변한 것입니다.

 

Photo by SUNBEAM PHOTOGRAPHY on Unsplash

 

양자역학 하면 빠질 수 없는 게 슈뢰딩거의 고양이입니다. 슈뢰딩거라는 과학자는 양자역학을 극도로 싫어했습니다. 그는 양자역학에 태클을 걸기 위해 사고 실험을 진행하게 됩니다. 하지만 이 실험은 양자역학이 가지고 있는 특성을 쉽게 설명했고, 지금은 양자역학을 대표하는 실험이 되었습니다.

 

상자 안에 고양이와 독극물 그리고 망치가 들어 있습니다. 이 망치는 이중 슬릿 장치와 연결되어 있는데요, 이중 슬릿의 두 개의 구멍 중에 왼쪽 구멍을 통과하면 망치는 작동하지 않습니다. 하지만 오른쪽 구멍을 통과하면 망치가 작동하고 독극물 병이 깨져 고양이가 죽게 될 것입니다. 양자 역학에 의하면 전자는 관측되기 이전까지 두 개의 구멍을 동시에 통화할 것입니다. 입자가 아닌 파동 이기 때문이죠. 하지만 관측되는 순간 입자가 되어 둘 중 하나의 구멍밖에 통과하지 못할 것입니다.

 

그런데 여기서 중요한 건 전자는 관측되기 이전까지 왼쪽 구멍과 오른쪽 구멍을 동시에 통과한다는 것입니다. 즉 망치는 작동 하거나 작동하지 않게 되며, 독극물 병은 깨지거나 깨지지 않게 되고, 고양이는 살아 있는 상태와 죽어 있는 상태를 동시에 가지게 될 것입니다.

 

현실세계에서는 전혀 말이 안 됩니다. 고양이는 살아 있거나 죽어 있는 것 둘 중 하나입니다. 두 개가 동시에 일어날 수는 없습니다. 하지만 양자 역학에 의하면 슈뢰딩거의 고양이는 살아 있는 상태와 죽어있는 상태를 동시에 지니게 됩니다. 따라서 슈뢰딩거는 이 사고 실험을 바탕으로 양자역학의 말이 안 된다고 주장했습니다.

 

양자역학의 찬성파의 대표적인 인물이었던 보어는 고양이도 사실 파동이라고 반박했습니다. 보어의 말에 따르면 고양이도 두 개의 구멍을 향해 계속 던지다 보면 파동처럼 간섭무늬가 나타날 수도 있다는 것입니다. 여기서 조건이 하나 있습니다. 고양이가 벽을 통하기 위해서는 날아가는 도중 공기를 포함해 모든 충돌이 없어야 합니다. 빛도 절대 닿아서는 안되고 고양이의 몸을 구성하는 원자들끼리도 서로 관측이 일어나서는 안됩니다. 그렇지 않으면 고양이는 파동이 될 수 없는 것이죠. 즉 우주의 그 어떤 것도 고양이와 상호 작용을 하게 된다면 그 즉시 고양이는 파동성을 잃어버리게 됩니다.

 

우리가 파동 형태의 고양이를 볼 수 없는 이유도 이것 때문입니다. 세상에 존재하는 대부분의 원자들은 이미 쌍을 이루어 분자 상태로 존재하고 있습니다. 적어도 2개 이상의 원자들이 만나 하나의 물체를 구성하는 것입니다. 물은 수소 원자와 산소 원자의 결합으로 만들어집니다. 이처럼 분자가 만들어지기 위해서는 적어도 원자와 원자가 서로 관측하고 있어야 한다는 것입니다. 이와 같이 모든 분자의 안정성은 양자역학의 중첩 상태를 기반으로 하고 있습니다.

 

과학자 닐스 보어는 양자역학을 두고 다음과 같이 말했습니다. 문제는 오로지 인간에게 있다. 인간이 이해하지 못한다는 것만이 문제고, 동시에 두 개의 구멍을 지난다는 이 상황을 설명할만한 언어가 없다는 것이 문제고, 이런 개념과 경험이 없다는 것만이 문제일 뿐 우주에는 아무런 문제가 없다.