양자역학 - 신은 주사위 놀이를 하는가?

양자(quantum)란 말을 1900년에 처음 사용한 사람은 독일의 물리학자인 막스 플랑크(1858-1947)이다. 그는 물체가 흡수하거나 방출하는 에너지의 양이 연속적인 것이 아니라 불연속적이라는 가설을 발표했다. 에너지가 불연속적인 알맹이로 흡수되고 방출된다는 뜻이다. 플랑크는 불연속적인 양의 최소 알맹이을 양자라고 명명 했다.

플랑크의 가설이 나오기 전까지, 그러니까 19세기의 고전물리학에서는 물리적인 현상의 연속성을 의심하지 않았다. 고전물리학자 들은 자연의 모든 인과적인 상호작용이 연속적이라고 생각했다. 이러한 상황에서 플랑크가 던진 양자 개념의 고전물리학의 자연관을 근본적으로 뒤엎는 것이었다.

플랑크의 가설은 1905년 알베르트 아인슈타인(1879~1955)이 발표한 광전효과 연구논문이 계기가 되어 과학계의 주목을 끌기 시작한다.

이 논문에서 플랑크의 양자 가설을 채택한 아인슈타인은 플랑크 보다 한 걸음 더 나아가 빛이 공간에서 이동할 때 불연속적인 입자, 즉 광자라 불리는 양자의 형태를 유지한다고 주장했다. 그 당시 대부분의 물리학자들은 빛을 연속적으로 펴져나가는 파동현상을 생각했다.

플랑크와 아인슈타인의 양자가설에 의해 물질의 아원자적 단위, 즉 원자 이하의 모든 실체들의 입자와 파동의 양면성을 지니고 있음이 밝혀졌다. 입자와 파동은 전적으로 성질이 다르다. 입자는 한곳에 응축된 물질의 작은 덩어리인 반면에 파동은 공간적으로 흩어져 퍼져갈 수 있는 형태없는 떨림이라 할 수 있다. 그러나 아원자적 단위는 입자에서 파동으로, 파동에서 입자로 변형을 계속한다.

양자이론을 견고하게 정립하기 위해서는 서로 배타적인 파동과 입자의 개념을 조화시킬 필요가 있었다. 1927년 독일의 베르너 하이젠베르크(1901~1976)와 덴마크의 닐스 보어(1885~1962)는 각각 자신의 방식에 따라 양자이론을 체계화하는 시도를 했다.

하이젠베르크는 불확정성의 원리를 발표했다. 고전물리학에서는 물체의 위치나 운동량을 동시에 결정할 수 있다. 그러나 하이젠베르크는 아원자의 세계에서 이러한 물리량을 동시에 정확하게 결정할 수 없다.는 것을 의미하는 공식을 내 놓았다. 이를테면 원자이든 전자이든 간에, 그것이 어디에 위치해 있으며 또한 어떻게 움직이고 있는지를 동시에 알수 없다. 따라서 어느 한 쪽의 양을 정확하게 결정하면 할수록 다른 쪽 양은 부정확하게 된다. 불확정성의 원리는 아원자(소립자,전자, 양성자,중성자 등)적 세계가 지니고 있는 입자와 파동의 이중성에서 비롯된 것이었으나 그 타당성을 놓고 수 많은 논쟁이 벌어졌다.

한편 보어는 상보성의 원리를 발표했다. 보어에 따르면, 입자와 파동은 논리적으로 서로 모순되는 개념이므로 어떤 물리적인 현상을 기술할 때 동시에 적용할 수 없지만 상호 보완적인 관계에 있다. 가령 전자는 관찰자가 행하는 관찰의 종류에 따라 때로는 입자, 때로는 파동으로 행동할 수 있다. 요컨데 아원자적 세계에서는 관찰이 행해질 때에만 실체를 갖게 되며 관찰이 행해지지 않을 때에는 하나의 허깨비에 불과한 것이다. 보어와 하이젠베르크의 견해를 일괄하여 코펜하겐 해석( Copenhagen Interpretation)이라 한다 코펜하겐은 덴마크의 수도이다. 양자론에 대한 코펜하겐 해석으로 많은 과학자들이 비로소 양자역학을 이해하기 시작했으나 비판도 적지 않았다. 대표적인 비판자로는 아인슈타인이 꼽힌다.

양자론에 의해 암시된 우연과 예측 불가능성, 즉 실체의 무작위성(randomness)을 받아들일수 없었던 아인슈타인은 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다."고 말하며 양자이론에 대한 반대를 표명했다. 그는 자연의 연속성을 거부하는 양자론의 코펜하겐 해석이 모순임을 보여주기 위해 여러 가지 사고 실험을 고안했다. 그러나 대부분의 물리학자들은 아인슈타인의 시도가 모두 실패한 것으로 평가한다.

코펜하겐 해석이 양자역학의 표준이론으로 자리 잡았지만, 여러 가지 다양한 해석이 제시 되었다. 코펜하겐 해석 다음으로 지지를 많이 받는 것은 1957년 미국 물리학자인 휴 에버렛이 제안한 다세계(many worlds) 해석이다. 이른바 평행우주론이다. 에버렛은 수많은 양자 세계들이 똑같이 실재하고 있으며 서로가 평행으로 존재한다고 주장했다.

양자역학은 고전물리학의 개념 체계, 이를테면 인과율과 결정론을 전면 부정하고 새로운 자연과을 제시한 20세기의 과학혁명이다. 어쨌거나 양자역학은 이해하기가 쉽지 않다. 미국 물리학자인 리처드 파인만(1918~1988)은 "어느 누구도 양자역학을 이해하지 못한다."고 말했으며 양자역학 창시자의 한 사람인 보어조차 "양자이론에 충격을 받지 않은 사람은 아직 이해 하지 못한 사람이다"고 일갈했을 정도이다.