한동안 일도 일상도 좀 바빠서 글 쓰는 것을 좀 미뤄두었다 4편 이후 5편까지 돌아오는데 시간이 좀 걸렸습니다. 매일 여러 편의 글을 작성하시는 분들 존경합니다.
고전역학과 양자역학은 전혀 다른 세계처럼 동작합니다.
우리가 지금까지 알고있던, 그리고 어떻게 보면 전혀 의심하지 않아 마치 불변의 진리라 생각한 고전역학을 한마디로 '결정론적 세계'라 표현할 수 있습니다. 양자역학을 설명하기 위해서는 그 이전 개념도 자세히 알아야 하는데, 5편이 돼서야 고전역학에 대해서 설명할 생각이 들었습니다. 늦었지만 늦지 않았다고 생각하고 설명하겠습니다.
우리가 말하는 고전역학은 뉴턴, 갈릴레이 등으로 대표되는 17세기 물리학의 산물로, 다음과 같은 특징을 가집니다:
- 결정론(Determinism): 현재 상태(위치, 속도 등)를 완벽히 알면 미래를 정확히 예측할 수 있음
- 연속성: 모든 물리적 변화는 연속적으로 일어남
- 객관성: 관측자의 존재와는 무관하게 사물은 고유한 상태로 존재
예를 들자면 우리가 중,고등학교를 다니면서 배우는 물리에서 자주 등장하는 '포탄이 발사되면 (너무나 17세기 스러운 설명), 초기 속도와 각도를 알면 정확히 어디에 떨어질지 계산할 수 있다.(결정론적이며 , 연속성이 있음) '가 가장 보편적이고 많이 접한 개념입니다. 발사된 포탄의 상태를 알면 전혀 가능성의 영역이 아닌 이미 포탄의 거동을 전체 알 수 있게 됩니다.
롤로 치면 발사된 논타겟팅 스킬을 상태(챔프 위치, 방향, 발사시점)를 알면 도달위치를 알기 때문에 미리 알고 피할 수 있는 것처럼요.( 느려~)
하지만 양자역학에서는 우리가 알던 것과는 많이 다른 특징을 가집니다. '쉽게 말해서 고전역학과 반대의 특징을 가지는 어떤 것'이라고 보시면 되고, '확률론적 세계'라 부를 수 있습니다. 반대라고 해서 아래로 떨어지는 포탄이 위로 올라가고, 뭐 발사된 포탄이 테네처럼 거꾸로 움직인다는 것이 아닌, 존재에 대한 발상이 다르다는 것입니다.(거꾸로 움직이는 것은 엔트로피가 감소하는 방향으로 -시간여행- 이것도 나중에 깊게 다루어 보겠습니다.)
양자역학은 20세기 초에 등장한 미시세계에서의 관측을 설명하기 위해 등장한 이론으로, 고전역학과는 매우 다릅니다.
- 확률론적 해석: 입자의 상태는 확률적으로만 기술 가능
- 불연속성(양자화): 에너지나 상태는 연속이 아니라 불연속적인 '양자' 단위로 변함
- 관측자 의존성: 측정 행위가 입자의 상태를 바꾼다
예를 들자면 전자는 원자핵 주위를 일정한 궤도로 도는 것이 아니라, 특정 위치에 있을 확률이 높은 영역에 퍼져 있다는 것입니다.
무슨 말이냐 하면 우리는 지금 전자의 상태를 알아도 전자의 위치를 알 수 없다. 는 것입니다. 위에서 포탄의 위치, 논타깃 스킬의 위치를 아는 것과는 사뭇 다릅니다. 앞 4편에서 설명드린 파동함수 ψ(x, t)로 확률적으로 위치를 표현할 뿐입니다. 추가로 양자역학에서는 또 난해한 개념인 '관측되면 상태가 정해짐'이라는 듣도 보도 못한 내용을 당연하다는 듯이 가져옵니다. 이는 우리가 이중슬릿 실험에서도 설명했었습니다.
이까지 오니까 양자역학의 세계는 말도 안 되는 것처럼 보이긴 합니다.
도대체 ‘확률적 존재’란 무엇인가
양자역학에서의 입자는 더 이상 “여기 있다”라고 말할 수 없습니다. 대신, “여기 있을 확률이 있다”라고 표현해야 합니다. 이 개념은 두 가지 핵심 원리로 이해할 수 있습니다. 저는 양자역학을 설명하면서, 똑같은 개념을 계속 언급할 예정입니다. 많이 보면 익숙해지니까요. 여기서는 앞에서 설명한 파동함수와 새로운 개념인 불확정성의 원리를 설명할 겁니다.
파동함수와 확률 해석
입자의 상태는 ‘파동함수’ ψ(x, t)로 기술되며, 이 함수의 제곱 ∣ψ(x, t)^2|는 특정 위치에 입자가 존재할 확률 밀도를 의미합니다.
- 중첩 상태: 입자는 여러 상태를 동시에 가질 수 있으며, 파동함수는 그 모든 가능성을 포괄합니다.
- 예시: 전자는 A위치와 B위치에 동시에 존재할 수 있는 상태로 기술됨 (고전역학에서는 불가능한 개념)
불확정성 원리
하이젠베르크의 불확정성 원리는 다음과 같은 내용입니다. (결론은 알 수 없다는 내용이긴 합니다.)
“입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 알 수는 없다.”
그럼에도 중요한 의의를 가지는데, 이는 단순히 측정 기술의 한계가 아니라, 자연 자체가 그러한 방식으로 존재한다는 뜻입니다. 입자는 고정된 위치나 운동량을 갖는 것이 아니라, 둘 중 하나를 알면 다른 하나는 본질적으로 불명확해진다는 의미입니다.
이는 꽤 시사하는 바가 큰데, 옆에 있는 친구도, 지갑 안에 돈도, 오늘 먹은 국밥도, 더 나아가서 옆나라 일본, 그리고 지구까지 모두 가능성으로 불확정하게 존재하는 것으로 귀결될 수도 있기 때문입니다.
만약 그렇다면 왜 내 지갑의 돈은 계속 없는 상태로 존재하는지, 가능성이 있다면 내가 지갑을 열고 닫고를 몇백만 번 하면 가득 찬 지갑일 가능성도 있어야 하는 것이 아닌지 궁금해집니다. 저도 절실히 원하는데요. 이건아래에서 설명하겠습니다.
그렇다면 현실은 어떻게 존재하는가?
‘존재’의 조건은 무엇인가?
양자역학은 우리가 생각해 온 존재의 개념을 근본적으로 흔듭니다. 내가 보고 있는 것 느끼는 것들 전부가 가능성의 세계이며, 확실하게 존재하는 것이 아니라니... 양자역학에서는 입자는 측정되기 전까지는 확정된 위치에 있지 않으며, 다수의 가능성으로 존재할 뿐입니다. 하지만 우리 일상에서는 항상 구체적이고 명확한 대상만을 경험합니다.
이것은 다음과 같은 질문을 야기합니다:
“그렇다면 내가 보지 않는 대상들은 어디에 존재하는가?”
“우리는 왜 현실에서 그 많은 가능성의 존재들을 체험하지 못하는가?”
진짜 게임처럼 우리가 보지 못한 곳은 검은색 화면으로 가려진(스타나 여러 가지 게임의 맵에서 가려진 부분을 생각해 봅시다) 그런 상태일 수도 있다는 가능성을 줍니다.
우리가 관측하는 순간, 여러 가능성 중 하나가 선택되고 나머지는 사라진 듯 보입니다. 이 때문에 현실은 마치 단일한 경로만 존재하는 것처럼 느껴지지만, 그 이면에는 여전히 수많은 가능성의 상태가 겹쳐져 있을 수 있습니다.
- 우리가 경험하지 않는 가능성들은, 관측 외부에서 존재하는 것일 수도 있습니다.
- 일부 해석(예: 다세계 해석)은 이 가능성들이 평행우주에서 모두 실현된다고 보기도 합니다.
하지만 중요한 점은, 우리가 '보지 않는다고 해서 그것이 존재하지 않는 것이 아님'에도 불구하고, 우리의 의식은 항상 단 하나의 선택된 현실만을 인식할 수 있다는 사실입니다.
철학적인 결과로 귀결되는데, 결국 6편으로 찾아뵙게 되겠네요. 읽어주셔서 감사합니다.