이번에 리뷰하게 된 두 번째 책은 '실재란 무엇인가? 양자물리학의 의미를 밝히는 끝없는 여정'입니다. 로텐스 버클리 국립연구소의 과학 작가이자 미시간 대학교 천체물리학 박사 학위를 받은 과학칼럼니스트 애덤 베커가 양자물리학을 발전시키기 위해 연구하는 수많은 현대 물리학자들의 이야기를 다룬 책입니다. 현대 물리학 하면 떠오르는 물리학자 '닐스 보어', '베르너 하이젠베르크', '에르빈 슈뢰딩거', '알베르트 아인슈타인' 등 많은 물리학자들의 여정을 전공 서적이 아니라 역사책처럼 가벼운 느낌으로 정리해주고 있습니다. 이전에 '그림으로 배우는 양자 컴퓨터'와 연결되는 내용이 많이 있으니 혹시 읽어보지 않으셨다면 먼저 읽어보시는 것을 추천드립니다.
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그림으로 배우는 양자 컴퓨터(1)
안녕하세요~ 저는 컴퓨터를 공부하며 대학교에 재학 중인 평범한 대학생입니다. 이번이 블로그를 개설하면서 처음 쓰게 되는 독서 감상문이네요. 진로를 찾아가면서 읽은 책들을 간략히 정
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'실재란 무엇인가? 양자물리학의 의미를 밝히는 끝없는 여정'은 크게 3부작으로 정리되어있습니다. 1부 '진통제 철학', 2부 '양자 이단아들', 3부 '위업' 중 이번 시간에는 1부 '진통제 철학'에 대해 다루어보도록 하겠습니다. 진통제 철학은 양자역학의 기반을 정리한 코펜해석을 두고 '신실한 추종자라면 푹신한 베개로 삼을 법 하지만 제게는 진통제 철학이거나 종교이며, 아무런 영향력도 없습니다'라고 말한 것에서 유래되었습니다. 물론 아인슈타인은 양자물리학의 발전 과정에서 결정적인 역할을 하긴 했지만, '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'라고 말하며 양자역학을 부정한 것으로 알려져있습니다. 상대성 이론을 정립한 아인슈타인이 부정할 만큼 당시 양자역학은 불완전하고 난해한 이론이었습니다. 그리고 그 불완전하고 난해한 이론의 한가운데에는 '닐스 보어'가 있었습니다.
닐스 보어는 덴마크의 물리학자로 '코펜하겐 닐스 연구소(전 코펜하겐 이론 물리학 연구소)'의 소장이자 코펜하겐 해석을 주도한 인물입니다. 수많은 현대 물리학자들이랑 연구를 진행하였으며, '베르너 하이젠베르크'를 비롯하여 수많은 물리학자들을 배출하였습니다. 베르너 하이젠베르크는 '불완전성의 원리'를 정리하고 '부분과 전체'를 집필한 독일의 이론 물리학자입니다. 닐스 보어가 양자 물리학자들을 이끄는 수장이라고 하면, 베르너 하이젠베르크는 양자역학과 관련된 이론을 중심으로 연구한 선구자 정도로 생각하면 좋을 것 같습니다. 닐스 보어는 베르너 하이젠베르크와 볼프강 파울리 등 뛰어난 제자와 동료들과 함께 양자물리학을 해석하여 코펜하겐 해석을 완성하였습니다. 그렇다면 이렇게 뛰어난 물리학자들이 만든 코펜하겐 해석을 왜 아인슈타인과 에르빈 슈뢰딩거는 부정했을까요?
양자물리학의 핵심을 정리한 코펜하겐 해석은 보어의 '러더퍼드-보어 모형'으로부터 시작되었습니다. 보어 모형에서는 전자들이 허용된 궤도군을 따라서만 움직여야 하지만, 그 궤도를 뛰어넘을 때 전자의 에너지가 변하면서 불완전한 도약을 보여주었습니다. 이 도약을 '양자'라고 표현하고, 양자를 이용한 원자 세계의 새로운 과학을 '양자물리학'이라 부르게 되었습니다. 보어는 원자 모형을 발견하며 원자를 가열했을 때 각기 다른 빛 스펙트럼을 방출하는 것을 확인했습니다. 수소의 보어 모형의 경우에는 선 스펙트럼의 형태를 입증할 수 있었지만, 다른 원자의 선 스펙트럼의 형태를 설명하지 못했습니다. 이후의 내용을 증명하는 과정에서 등장하는 인물이 하이젠베르크와 아인슈타인입니다.
아인슈타인은 원자 안에 전자가 존재하는 것을 알면서 전자의 궤도를 고려하지 못하는 보어의 연구 방식을 어떻게 생각하는지 하이젠베르크한테 질문하였습니다. 하이젠베르크는 전자의 위치와 궤도를 알 수 없어서 연구에 진척이 없다는 답변을 했고, 아인슈타인은 말도 안 되는 대답이라며 양자물리학을 비판하였습니다. 하이젠베르크는 왜 전자의 위치를 정밀하게 측정할 수 없는지를 고민하였습니다. 전자의 위치를 측정하기 위해 감마선 광을 비추면 전자를 찾을 수 있지만, 감마선의 영향으로 인하여 전자의 방향이 바뀌는데 영향을 주게 된다는 것을 알게 되었습니다. 하이젠베르크는 물체의 위치와 운동량의 정보를 둘 다 알 수는 없다는 것을 수식을 통해 증명했고, 이를 '불확정성 원리'라고 부르게 되었습니다.
불확정성 원리 발표 이후 제5회 솔베이 학회에서 아인슈타인과 보어의 양자물리학에 대한 논쟁이 시작되었습니다. 하이젠베르크는 행렬을 기반으로 양자물리학을 정리하여 양자 세계가 시각화될 수 없음을 밝혔습니다. 하이젠베르크를 비롯하여 양자물리학을 추종하는 물리학자들은 양자 세계에서 무엇이 일어나는지를 실제로 알 필요는 없고, 정확히 예측할 수만 있다면 충분하다고 하는데 합의하였다. 하지만 아인슈타인을 비롯하여 양자물리학을 인정하지 않는 사람들은 불확정성 원리를 부정하며 물리학의 목표는 모든 실제 상황을 완전히 기술해야한다고 말했습니다. 아인슈타인은 다양한 사고 실험을 제시했지만, 스스로가 상대성 원리에 부합하지 않는 실험을 제시해버렸고, 이후 양자물리학은 하나의 정론으로 받아들여지며, 1929년 하이젠베르크를 중심으로 양자물리학의 수학적 공리를 정리하여 코펜하겐 해석이라고 부르게 되었습니다.
이 앞까지가 책의 3장까지를 다룬 내용이였고, 4장은 코펜하겐 해석 이후로 독일과 덴마크에서 일어난 사건에 대해서 다루고 있습니다. 1930년대 이후로는 히틀러의 인종주의 정책이 시작되었습니다. 유대인 물리학자들은 독일에 있을 수 없게 되었고, 미국이나 영국으로 망명을 가게 되면서 독일의 물리학은 암흑기를 겪게 됩니다. 이 암흑기를 어떻게 극복하게 되는지를 다음 시간에 2부를 시작하면서 다루어보도록 하겠습니다. 부족한 글을 읽어주셔서 감사합니다.
참고
애덤 베커,실재란 무엇인가?(승산)
https://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=290371148
실재란 무엇인가
양자물리학에서 말하는 기이한 효과를 왜 일상에서는 보지 못할까? 저자는 간단한 질문에서 시작하는 한편, ‘실재’를 둘러싼 쟁점을 소개한다. 그 과정에서 ‘코펜하겐 해석’에 맞서 소신을
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