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[제83회] 김상욱 선생님과 함께한 주제와 변주

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작성자 최고관리자 작성일16-05-25 11:04 조회314회 댓글0건

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과학,
미지의 세계를
상상하다

전오경, 하보원(15세)

2015년 10월, 노벨상 수상자가 발표되었습니다. 작년에 이어 올해도 일본인 과학자가 노벨상을 받게 되었는데요, 상의 개수로만 판단할수는 없지만, 노벨상 수상자가 없는 우리나라와 가까운 나라인 일본을 비교하는 뉴스를 많이 보았습니다. 우리나라와 일본의 노벨상 개수가 차이 나는 이유에는 여러 가지가 있겠지만, 우리 주변의 과학이나 수학을 매우 싫어하는 친구들을 보면서 어쩌면 이런 결과가 당연하다고 느껴졌습니다. 과학은 공식을 외우기만 하는 과목이고, 그래서 공부하는 것보다는 포기하는 것이 마음이 더 편하기 때문입니다. 그리고 만약 학생들이 그 내용을 재미있어하더라도 일본과는 달리 집중해서 연구할 수 있는 사회적 상황이 되지 못하는 것 같습니다.
제83회 주제와 변주에 오신 김상욱 선생님께서는 “함께 가기 위해서는 과학과 인문학이 평등해야 한다”, “과학은 교양이다”라고 말씀하시는 분입니다. 『과학하고 앉아있네 3』은 듣기만 해도 머리가 아픈 물리학, 그중에서도 양자역학을 다룬 책입니다. 어렵지만 이 책을 함께 읽고 교양으로서의 과학을 즐기며 과학을 포기한 학생들, 혹은 김상욱 선생님 같은 과학자가 되고 싶어 하는 학생들에게도 도움이 되는 뜻깊은 시간이었습니다.

김상욱 여러분이 양자역학을 이해하기 위해서는 물리학자들의 철학이 무엇인지를 공유해야 합니다. 물리학자들은 세상을 물리학만으로 다 이해할 수 있다고 주장하지요. 이 세상에 일어나는 모든 현상을 운동으로 설명할 수 있다는 것입니다.
오늘 제가 설명할 내용은 양자역학이고요. 이것에 대비되는 개념이 고전역학입니다. 양자역학을 설명하기 전에 고전역학을 짧게 소개하겠습니다. 사람들은 수백 년 동안 우주를 관찰해왔습니다. 적어도 19세기까지 알아낸 운동법칙은 “일정한 속도로 움직이는 것이 자연스럽다” 단 한 줄이에요. 어려운 말로 관성의 법칙이라고 해요. 정지한 물체는 정지하려고 하고 등속인 물체는 계속 등속이려고 한다. 즉, 일정한 속도로 움직이는 것이 자연스러워요. 그러나 그 이유는 알 수는 없어요. 그 답과 어긋나는 것이 나올 때까지 법칙이에요. 그런 관찰을 통해서 발견할 수 있는 거예요. 그러면 이 속도를 바꿀 수 있는 것은 무엇일까요? 바로 힘입니다. 물체는 힘을 받게 되면 속도가 바뀝니다.힘의 종류에는 4가지가 있는데 중력, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력이 있어요. 핵력을 제외하면 생활을 좌우하는힘은 중력과 전자기력밖에 없어요. 여러분이 생활에서 무언가 속도가 바뀌고 상태가 바뀌면 그 힘은 전부 다 전자기력이에요. 전구를 켜고 끄는 것도, 휴대전화가 갑자기 진동을 시작하는 것도 전자기력이에요. 인간이 원격으로 제어할 힘은 이것밖에 없어요. 밥 먹고 힘이 나는 것도 전자기력이에요. 사실 모든 게 전자기력이라는 것을 이해하려면 물리학에서 높은 경지에 오르는 것이고요. 여기까지만 이해하셔도 고전역학의 큰 틀을 다 이해하신 겁니다.오늘 설명할 양자역학은 현대 역학이라고 합니다. 리처드 파인만이라는 과학자는 세상의 종말이 와서 마지막 딱한마디를 세상에 남길 수 있다면 1초의 망설임도 없이 ‘모든 것은 원자로 되어있다’고 말할 것이라 했어요. 양자역학은 원자의 운동을 기술하는 학문입니다. 그럼 모든 것을 구성하는 이 원자의 운동을 기술하는 학문, 물리학자들은 아주 중요하게 생각하겠지요? 양자역학의 시작을 기점으로 인간의 문명이 바뀌었죠.
그런데 모든 것이 원자로 되어 있어도 너무 작기 때문에우리 눈에 잘 보이지 않아요. 원자를 엄청나게 확대해서 보면 원자핵과 몇 개의 전자로 이루어져 있어요. 원자핵은 아주 작지만, 만약 농구공이 원자핵이라고 하면 전자는 원자핵의 40km 밖에서 돌고 있어요. 나머지 공간은 아무것도 없이 빈 공간이지요. 그래서 원자는 대부분 텅텅 비어있어요. 우리 몸은 꽉 차있는데 어디가 비어있느냐는 모순에 바로 부딪혀요. 바로 전자기력 때문이죠. 원자는 비어 있지만다른 원자가 오면 밀어내요. 결국, 원자는 비어 있더라도다른 원자를 통과할 수 없으므로 벽을 뚫고 지나가거나 빛이 우리를 통과할 수 없게 됩니다. 전자는 입자의 성질을 띠는 것이죠.
만일 여러분이 벽에 두 개의 구멍을 뚫어놓은 다음에 그 구멍으로 물체를 던진다고 가정해 봅시다. 그러면 당연히 구멍보다 작은 물체는 통과할 것이고 구멍보다 큰 물체는 통과하지 못하겠지요. 작은 물체이더라도 잘못 던지면 벽에 부딪혀서 통과하지 못할 거고요. 이 구멍을 지나 반대편 벽을 보면 우리가 던져 구멍을 통과한 물질의 흔적이 두 개의 줄로 보일 것입니다. 이것을 어려운 말로 이중 슬릿 실험이라고 합니다.
이번엔 물체가 아니라 ‘파동’을 구멍으로 보낸다고 생각해봅시다. 파동은 물 위에 돌을 던지면 생기는 물결 같은 것이죠. 파동의 성질 중의 하나는 두 개의 파동이 만나면 복잡한 무늬가 생긴다는 겁니다. 이런 복잡한 무늬를 간섭무늬라고 합니다. 그래서 이 파동을 아까 구멍으로 보내보일직선으로 흔적을 남기는 공과 다르게 퍼져요. 밝은 데는 밝게 보이고 어두운 데는 어둡게 보이면서 여러 개의 줄이나오는 거죠.
전자의 성질을 알기 위해 과학자들이 이중 슬릿을 놓은 다음에 여기다가 전자를 보내봤어요. 우리가 알고 있는 전자는 딱딱한 입자예요. 따라서 결과는 당연히 두 개의 줄이나오겠죠? 그런데 실험을 했더니 줄무늬가 나왔어요. 전자는 입자고, 입자가 두 개의 구멍을 지났는데 줄이 여러 개가 나오다니! 모순이 일어났어요. 자 그럼 이걸 이제 어떻게 이해해야 할까요?
첫 번째 생각은 황당한 생각이지만 혹시 전자가 생명을 가지고 있어서 서로 “야 저기로 가!”라고 할 수도 있습니다. 어렵게 말하면 전자 사이의 상호작용 때문이 아닐까 생각을 한 거죠. 이를 확인해보기 위해 전자를 한 번에 하나씩 보냅니다. 근데 하나씩 보내도, 한꺼번에 와장창 보내도 똑같은 결과가 나왔어요. 여기서 물리학자들이 전자는 입자지만 파동과 같이 행동한다고 얘기합니다. 사실 파동과 입자는 전혀 다릅니다. 왜냐하면, 입자의 중요한 특징은 주어진 시간에 주어진 장소에 딱 있다는 거예요. 반드시 한순간에 한 장소에 있어야 해요 그러나 파동은 그렇지 않아요. 제가 어떤 말을 하면 이 말은 실체를 가지고 있어요. 눈에 보이지는 않지만, 공기 중에 이 말에 해당하는 공기 밀도의 변화가 있고 그게 여러분의 귀를 지나가죠. 그렇지만 이 단어는 어느 곳에나 동시에 있잖아요. 그래서 아까 이중 슬릿에서도 두 개의 구멍을 동시에 지나가면서 간섭을 시작하죠.그래서 줄이 여러 개가 나오는 거거든요. 따라서 전자가 파동의 성질을 지니려면 한순간 전자는 동시에 여러 곳에 있어야 합니다. 그리고 전자는 두 개의 구멍을 실제로 동시에 지나가야 해요. 말이 안 되는 일이죠. 이를 물리학자들이 새로운 용어로 ‘중첩’이라고 합니다. 그래서 양자역학의 가장 중요한 특징은 양자역학에 나오는 입자들의 상태는 중첩상태라는 것입니다. 진짜 그런지를 봐야겠죠? 그래서 사진을 찍어보니 전자는 하나만 지나갑니다. 동시에 지나가는 사진은 찍히지 않아요. 그런데 이렇게 보면서 실험을 하니까 여러 개의 줄이 아니라 두 개의 줄이나와요. 실험하면서 보면 두 개의 줄이, 보지 않으면 여러개가 나옵니다. 즉, 전자는 자기 자신이 측정을 당하는 것을 마치 알고 있는 것처럼 행동합니다. 이것의 의미는 관찰자가 대상을 변화시킨다는 것입니다. 이것을 코펜하겐 해석이라고 부르는데 굉장히 논란이 많고 철학적으로 많은 문제를 일으킵니다. 이게 중요한 이유는 철학에서 플라톤이 얘기한 이데아와 같은 개념과 연결되기 때문입니다. 내가 보고 있는 것이 실체인지 아닌지와 같은 오래된 질문 말이죠. 본다는 것은 빛이 물체와 부딪혀 나온일부가 제 눈에 들어와서 망막에 맺힌 것이 보인다는 것이에요. 이 과정에서 물체에 아무 영향을 주지 않는다는 전제를 했을 때만 내가 보는 것이 실제 모습과 같다는 얘기를 할수 있어요. 그런데 지금처럼 빛이 부딪히기 때문에 관측이 대상을 변화시킨다는 주장이 있으면 내가 본 물체의 모습은 전자를 교란시킨 다음에 본 모습이기 때문에 내가 본 결과가 실제와 같다는 보장이 없어져요. 결국, 우리가 대상의 본질이 뭔지 알 방법이 없어요.인간은 내가 본 것밖에는 알 수가 없으므로 본 것만을 믿고 본질이 뭔지는 철학의 문제로 남겨야 하죠. 그런데 이때 제기되는 문제가 있어요. 아인슈타인이라는 위대한 과학자는 양자역학을 받아들이지 않아요. 예를 들어 저기 달이 있는데, 내가 보기 전에도 달이 있느냐는 물음을 던지죠.우리는 관찰한 결과만을 가지고 얘기해야 해요. 그러니까 보기 전에 달은 없는 것과 같지요. 보는 순간 생긴 것입니다. 눈을 떴을 때는 결과를 보는 것뿐이에요. 결국, 양자역학에서 결론은 보기 전에는 어떤 상태인지 모른다고 하는것이 답이에요. 그래서 우리가 보지 않으면 달이 없느냐는질문에 대한 답은 없다고 해야 하죠.
그런데 나는 안 봤지만 내 친구가 봤을 수 있는데 달이없다고 해도 될까요? 그렇다면 지구에서 첫 번째로 생긴 생물이 달을 봤을 때 달이 생긴 걸까요? 이런 문제를 분자가해결합니다. 우리 주변의 기체들은 주로 분자로 되어있어요. 두 개의 원자가 결합한 상태인데 이때 전자가 가운데 두개가 있는 구조가 있어요. 이때 사실 전자가 양쪽에 동시에있는 상태예요. 여러분 몸을 이루는 분자도 전자가 동시에있는 상태로 결합이 됩니다. 그래서 금속도 전기가 통하는 이유가 금속 안의 전자는 모든 원자에 중첩상태를 이루어서 동시에 존재하기 때문이죠. 모든 곳에 동시에 있다는 것은 자유롭다는 거죠. 자유롭게 움직이는 전자가 있으므로 전자가 통해요.주기율표에 원소가 한 100가지가 있어요. 자연 상태에서는 이만큼 존재하지 않아요. 우라늄 이상은 인간이 인공으로 만든 거고요. 사실 인간의 몸을 이루는 원자는 4개밖에 없어요. 몸은 70%가 물이잖아요. 그러니까 H₂O가 대부분이고요. 그다음 뼈에는 대부분이 탄소, 그다음은 질소죠. 또 추가로 헤모글로빈에 들어가는 약간의 금속 원소만있으면 여러분을 다 만들 수 있습니다. 여러분 몸만 그런 게 아니라 박테리아부터 메르스 바이러스, 에이즈 바이러스 아니면 토끼, 짚신벌레 할 것 없이 이 4가지 원자가 다른 형태로 조합된 것뿐이에요. 우주는 마치 레고블록처럼 되어있어요. 이런 식으로 양자역학을 통해서 우리 인간들이 원자를 이해할 수 있게 됐고, 이걸로 우리 주위의 모든 것을 설명할 수 있다는 결론으로 오늘 제 강의를 마칩니다.

인디고 원자 중에서는 수소 원자가 가장 작은 단위인가요?

김상욱 가장 작은 형태를 보여요. 수소 원자는 양성자 한개랑 전자 한 개가 있는 거거든요. 다른 원자들은 그 숫자가 점점 많아져요. 그게 하나씩만 들어있는 가장 작은 형태의 원자예요. 우주에 가장 많고요. 우주가 빅뱅이론으로 탄생한 다음에 온도가 내려가면서 만들어진 대부분 원자가 수소예요. 우주에 수소밖에 없다가 수소들이 결합하기 시작해서 헬륨이 만들어졌는데, 지금도 우주의 75%가 수소예요. 태양계에 수많은 별, 많은 행성이 있지만, 태양이 제일크잖아요. 태양도 대부분 수소예요. 수소 원자는 제일 많고 제일 간단해요. 그래서 제일 중요하죠.

인디고 타임머신을 만들었을 때 미래로는 갈 수있더라도 과거로는 갈 수 없다고 하는 데 사실인가요? 사실이라면 그 이유가 무엇인지요?

김상욱 여러 가지 이유가 있는데 아인슈타인 이론에 따르면 과거로 가는 게 안 되는 이유는 과학자들이 믿는 것 가운데 하나가 우주의 법칙이 인과 의를 따른다는 거예요. 인과 의라는 것은 원인이 결과보다 먼저 나온다는 얘기예요. 만약에 빛보다 빠른 움직임이 있다고 한다면, 그 법칙이 깨지겠죠. 결과가 먼저 나타나고 그다음 원인이 올지도 몰라요. 모든 사건은 빛의 속도로 움직이니까요. 그래서 과학자들은 이 우주가 이런 모순을 일으키지 않게 되어있다고 가정을 하는 거죠. 만약 그런 일이 가능하다면 과거로 가서자기 부모를 죽이면 내 존재가 이상해지잖아요. 이런 일이 이상해지지 않도록 우주가 막고 있다는 것이에요. 물리적인 수식에서는 과거로 가는 순간 수식들이 다 이상해지고요, 철학적으로는 인과 의를 깨기 때문에 못 가도록 해 놓은 것입니다. 인과 의를 지키기 위해서 만들어 놓은 이론이에요. 그건 사실 경험으로 알 수 있는 거지 실제는 아무도 모르죠.
이러한 가정하에 만들어진 이론이 지금까지 모순 없이 작동하니까 맞는 거지 언제든 틀리면 버리게 될 겁니다.

인디고 우리 몸을 이루고 있는 가장 작은 단위가 원자잖아요. 그 원자로 이루어진 팔이 뚫리거나 서로 합쳐지지 않는 게 전자 때문이라고 하셨는데 그럼 이 전자들은 어떻게 붙어있을 수 있는지, 형태를 유지할 수 있는 건지 궁금합니다.

김상욱 원자 가운데 원자핵이 있잖아요. 그 주변에 전자가 돌고 있는데 이 사이에는 아무것도 없다고 했죠? 그사이에 사실 전자기력이 있죠. 또 한 가지는 엄밀하게 얘기하면가운데 원자핵이 있고 주위에 전자가 도는 그림은 틀린 그림이에요. 정확히 전자가 어디 있는지 알 수 없어요. 어디 있는지 알고 싶으면 전자를 봐야 하는데 전자를 보는 순간 전자에 영향을 주기 때문에 위치를 알기도 전에 이온화가 되어버리죠. 그래서 실제 화학에서는 전자를 구름으로 기술해요. 수소 원자도 모형이 있고 산소 원자 같은 것도 4개의 팔이 있다고 하죠. 탄소 원자는 정사면체 모양으로 결합을 이룬 물질을 다이아몬드라고 부르기도 합니다.또 원자끼리는 공유결합이라고 여러 종류의 결합이 가능해요. 강한 결합을 하는 것끼리 쭉 연결되어있으면 시각적으로도 어떤 형태가 있는 것으로 보이고요, 약한 결합으로 되어 있는 것들은 형태가 되게 약하죠. 예를 들어서 물 같은 건 손을 떼면 물이 묻잖아요. 이게 결합이 된 건데 손의원자들과 물 분자들 사이의 약한 결합이 일어나서 그래요.가장 강력한 결합으로 되어있어도 떨어져 나갈 수가 있고요. 결합이 얼마나 강한지 알려면 얼마나 힘을 줘서 떨어지는지를 구해야겠죠? 예를 들어 총알 같은 에너지에 맞으면 총알의 운동에너지가 웬만한 결합 에너지보다 더 크거든요. 그래서 다 뚫고 다 부수어버리죠.

인디고 선생님께서 팟캐스트도 하시고, 책도 내시고 강연도 많이 하시고, 방송에서도 볼 수 있습니다. 물리학 교수님으로서 연구만 하기도 힘드실 텐데 그렇게 대중과의 소통을 포기하지 않고, 계속하시는 이유가 무엇인가요?

김상욱 단순한데요, 제가 과학자가 된 이유가 고등학생때 『사차원의 세계』라는 책을 봤는데 지금 보면 진짜 허름한 책이지만 그때 양자역학에 꽂힌 거예요. 너무 신기해서 서점에 가서 『양자역학의 세계』라는 책을 사서 50~60번 정도 읽었을 거예요. 그래서 그때 마음을 정했죠. 나는 평생 양자역학을 공부하는 사람이 되자. 그 경험이 과학자의 길을 걷는 데 큰 도움을 줬기 때문에 아마 지금도 많은 사람이 같은 이유로 과학자가 되지 않을까 하는 생각을 해요. 물론 꼭 과학자가 될 필요는 없어요. 자기가 좋아하는 거하면 되죠. 단지 본인이 과학자가 되고 싶은데 자기가 과학을 좋아하는지 모르고 지나쳐서 나중에 다른 길을 가게 되면 나중에 참 안타까울 거라는 생각이 들었어요. 모든 사람이 과학자가 되지 않더라도 과학이 좋은 사람은 과학자가 되자는 의도입니다.
두 번째는 어떤 사람들은 우리 사회가 지금도 아주 좋다고 생각할 수도 있겠지만 많은 문제가 있다고도 생각할 수있잖아요? 이때 문제가 뭔지 다 다른 진단을 내리니까 사람들이 합리적인 사고를 못 하는 경우가 종종 있는 것 같아요. 합리적인 사고의 대표적인 것이 과학적인 생각인데요, 과학적인 사고방식은 철저하게 증거에 따라서, 바로 믿지않고 의심하고, 물질적 증거들을 조합해서 가장 합리적인 결과를 내는 과정이에요. 우리 사회가 이런 방식으로 문제에 접근하면 문제의 해결이 좀 더 좋아지지 않을까, 우리 사회의 구성원들이 한 번 더 무엇이 옳은가 저 사람의 말은 정말 근거가 있는가, 하고 끊임없이 질문한다면 더 나아지지 않을까 생각합니다.

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