<입자일까 파동일까?> 양자역학이 내게 준 생각

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“우리가 반드시 기억해야 할 것은 우리가 보고 있는 자연은 진정한 자연의 모습 그대로가 아니다. 다만 우리가 연구하는 방법에 따라 각각 다르게 나타나는 자연일 뿐이다. 자연과학이란 자연을 단순히 묘사하고 설명하는 것만이 아니다. 자연과 인간을 이어주는 중개자다.” 양자역학의 창시자 베르너 하이젠베르크가 남긴 말이다. 커다란 시스템의 경우에는 불확실성이 거의 존재하지 않고 고전역학을 통해서 잘 설명이 된다. 그러나 작은 세계에서의 작은 에너지와 미세한 크기의 원자는 고전역학을 통해서 설명할 수 없다. 그래서 이런 미시적 세계를 설명하기 위해서 고전역학의 대안으로 제시된 새로운 역학이 바로 양자역학이다.

1933년, 독일의 이론물리학자 베르너 하이젠베르크는 양자역학을 창안하고 불확정성의 원리를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 하이젠베르크는 양자세계를 이해하기 위해서는 기존의 물리학을 버려야만 한다고 주장했다. 그가 만든 행렬역학에는 불연속적 도약이라는 보어의 사상이 깔려 있었고 이에 반해 슈뢰딩거는 파동역학을 통해 양자세계를 기존의 방법으로 이해할 수 있다고 주장했다. 파동은 모든 공간에서 펼쳐지는 일종의 패턴이고, 이러한 패턴은 연속적으로 변하며, 띄엄띄엄 불연속적인 에너지는 단순히 파동의 진동수가 특정한 값만 가지기 때문에 발생하는 특수한 현상에 불과하다고 주장했다(양자역학에 파동방정식을 도입한 에르빈 슈뢰딩거는 1933년 노벨 물리학상을 수상한다.).

이 두 주장의 대립은 계속되었고 제 5차 솔베이 회의에서 양자역학의 해석이 어떻게 이루어져야 할지에 대해 결정하게 된다. 이 회의의 의제는 "‘전자와 광자’라는 존재를 어떻게 해석할 것인가"였다. 여기서 하이젠베르크와 막스 보른은, 자연은 불연속적이며 불확정성의 원리를 따르고 슈뢰딩거의 파동방정식의 본질은 사실 확률을 나타내므로 양자세계는 확률적으로 존재한다고 주장했다(막스 보른은 파동함수에 대한 통계적 해석을 해낸 공로로 1954년 노벨 물리학상을 수상한다.).

참고 자료

부분과 전체 | 베르너 하이젠베르크 지음 | 유영미 옮김 | 김재영 감수 | 서커스(서커스출판상회) | 2020년 09월 15일 출간
과학을 쿠키처럼 | 이효종 지음 | 이효종 그림 | 청어람e | 2019년 03월 21일 출간