질문과 토론의 과학, KAOS 질의응답

 

(질문)(1)

· 우리가 보통 빛이라고 부르는 것은 전자기파는 근원적으로 어떻게 생기는 것인가요?

· 물질도 파동의 성격을 갖는다고 하셨는데 이중슬릿실험에서 전자를 하나 쏘는 경우에도 마치 파동처럼 간섭무늬가 생기나요?

 

 

(답변) 일상생활에 접하는 빛의 근원은 크게 두 종류가 있습니다. 하나는 저번 강의에서 말씀드린 흑체복사, 즉 뜨거운 데서 나오는 빛이 하나가 있고, 두 번째는 여러분들이 일상생활에서 잘 접하는 전자기기에서 나오는 빛이 있습니다. 현상적으로 많이 달라 보이긴 하는데 근본적인 원인, 미시적인 원인은 물질이 들뜬 상태에 있다가 바닥상태로 내려올 때 빛의 에너지가 방출되는 것입니다. 그 차이는, 흑체복사일 때 나오는 빛과 전자기기에서 나오는 빛의 차이는, 분자를 들뜬 상태로 올리는 메커니즘이 열에너지로 올라가느냐, 전기적 에너지로 분자를 들뜬 상태로 올리느냐의 차이점입니다. 그러면 왜 물질이 들뜬상태에 있다가 바닥상태로 내려올 때 빛이 나와야 하는가에 대해 설명하겠습니다. 전에 양자역학은 이해하기 어렵다고 했습니다. 고전역학을 이용해 풀어서 설명 드리면 이렇습니다. 고전 전자기학 이론에 따르면 전하가 가속운동을 할 때는 전자기파, 즉 빛을 방출한다고 돼 있습니다. 그것에 대해 약간 복잡한 수식이 있기는 한데, 이것을 직관적으로 보여드리면, 전하를 가진 물체가 등속운동을 할 때는 쿨롱의 법칙에 의해 전기장이 뻗어나갑니다. 전기장을 나타내는 것은 시간상으로 안 변합니다. 반면 전하가 가속운동을 할 때는 빛에 대한 정보는 등속으로 운동하고 입자의 소스는 가속운동을 하게 되면, 가속으로 운동하는 접선 방향으로 전자기장이 뻗어나가게 됩니다. 이것은 고전 전자기학적인 설명입니다. 양자역학적으로는 들뜬 상태의 물질이 바닥상태로 내려올 때 왜 빛이 방출되는가와 이것이 무슨 관련이 있는지 설명 드리겠습니다. 양자역학적으로는 들뜬 상태에 있는 전자의 파동함수와 바닥상태에 있는 전자의 파동함수 사이에 간섭현상이 일어납니다. 간섭현상이 일어났을 때는 외부에서 전자의 분포가 어떻게 보이냐 하면, 전자가 대부분의 시간에는 어느 한쪽에 있다가, 다음 시간에는 다른 쪽으로 분포하는 것으로 보입니다. 그래서 밖에서 볼 때는 전자의 뭉치가 위에서 아래로 빠르게 운동하는 것으로 보입니다. 이것의 근본적인 원인은 전자기학에서 가속운동을 하는 것이라고 생각할 수 있습니다.   

 

(질문)(2)

· 이중슬릿실험은 어떤 현상을 보이고, 이것은 과학사에서 왜 중요한가요?

 

 

(답변) 이중슬릿 실험은 굉장히 간단하면서 빛의 파동성을 제일 처음 증명한 역사적으로 중요한 실험입니다. 이중슬릿 실험 전에는 뉴턴이 빛도 작은 입자라는 얘기를 했습니다. 그런데 이 실험에서 빛을 쏘지 않고 전자 하나를 쏠 때도 간섭현상이 생기는가를 질문하셨습니다. 답은 이렇습니다. 전자 하나가 들어왔을 때 이중슬릿의 구멍 두 개로 물질파가 동시에 가긴 하지만 맨 마지막에 있는 스크린에서 봤을 때는 전자 위치가 하나로 찍힙니다. 마치 그전에 설명 드린 것과 배치가 되는 것 같은데, 전자의 물질파가 여기저기에 퍼져있는 불확정성 원리에 따른 것인데, 왜 전자의 위치를 찍으면 왜 점으로 나오는 가인데, 여기에 측정이라는 개념이 더 들어갑니다. 스크린을 대는 동시에 스크린이 뭘 하는 장치라고 해석을 해야 하냐면 전자의 위치를 측정하는 장치라고 생각해야 합니다. 스크린에 닿기 직전에는 여기저기 물질파가 퍼져 있다가 스크린에 닿자마자 전자의 입자가 결정이 돼야 되고 그게 점으로 나타나는 것입니다. 그렇다면 영의 이중슬릿 같은 무늬는 어떻게 나오는가 하면, 전자를 하나를 쏘고 점을 찍고, 두 개를 찍고 점을 찍고, 세 개를 찍고 점을 찍고, 십만 개를 쏘고 점을 찍었을 때 전자의 분포가 두루뭉술하게 나오는 것이 아니라 마치 물결 무늬가 나오듯이 간섭현상, 보강현상이 나타나, 모자이크처럼 무늬가 나오게 됩니다. 이것은 왜 그렇게 되는가에 대한 설명이 아니라, 전에 말씀 드린 것처럼 양자역학은 이해할 수 없다고 생각하시면 됩니다. 단, 전자 하나가 물질파를 가지고 있지만 스크린에 닿자마자는 마치 입자 하나인 것처럼 행동을 한다는 것입니다.

 

(질문)(3)

· 불확적성원리는 자연을 확률적으로 바라보고 해석하는 모델인 것 같은데 이러한 '불확적성'이 궁극적인 자연의 법칙인가요, 아니면 다른 원리처럼 시간이 지나면 바뀔 수 있는 하나의 모델일뿐인가요?

· 양자역학에 대한 이해도가 증가하면 양자역학에 대한 의미는 달라질까요? 우리가 양자역학을 제대로 이해하지 못 해서 양자역학을 확률적이라고 말하는 것은 아닐까요?

 

 

(답변) 짧게 말씀 드리면, 아무도 모릅니다. 사실 이 질문은 양자역학이 처음 만들어졌을 때 많은 과학자들이 했던 질문입니다. 대표적인 예가 아인슈타인이 말한 “신은 주사위를 던지지 않는다.(God does not play dice.)”입니다. 이 말의 포인트는 자연계에서 물리법칙에는 무작위성이 없어야 된다는 아인슈타인의 개인적인 믿음입니다. 아직까지도 양자역학 법칙, 슈뢰딩거 방정식, 디랙 방정식은 답은 정확하게 나오는데, 논란이 아직까지 되고 있는 것은 해석을 어떻게 하는 가입니다.

양자역학 교과서에 나와 있는 주류의 해석 말고도 이 주제의 해석도 있습니다. 그 대표적인 예가 숨겨진 변수 이론(Hidden variable theory), 히든 밸류어블 가설입니다. 마치 실험 결과가 무작위로 나오지만 우리가 모르는 실험적 변수가 있을 것이라는 거죠. 그래서 어떤 때는 이런 결과가, 또 어떤 때는 저런 결과가 나와 마치 우리가 보기에는 무작위로 보이지만, 더 연구를 해서 히든 밸류어블을 찾을 수 있으면 무작위성이나 확률은 없을 수도 있다는 주장이 있습니다. 단, 그런 주장은 증명하거나 반증할만한 실험이 아직까지는 없습니다. '결론은 모릅니다' 입니다.