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빛이 이런 이중성을 지니고 있는 것을 우리는 보았다. 빛은 파동인 동시에 입자라는 이중성(Duality)을 지니고 있으니 도대체 어떻게 된 것일까? 이러한 혼돈의 실마리가 풀리기는커녕 더더욱 이해하기 어려운 사실이 생겼다. 미국의 두 물리학자 저머와 데이비슨은 다음과 같은 생각을 하게 되었다. 파동이라고 믿어오던 빛이 입자처럼 행동한다면 입자인 전자도 파동처럼 행동하고 있는 일면이 있지 않을까?


[ 저머와 데이비슨 ]
그들은 그들의 생각이 맞는지 틀리는지를 곧 실험해 보기로 했다. 그들은 엷은 금속막에 전자선을 쬐어서 그 뒤에 형광판을 놓고 사진을 찍었다.

빛은 작은 바늘구멍을 지나오면 회절무늬를 일으키나 전자는 바늘구멍보다 작은 원자들의 배열에 의하여 회절하리라는 것이 그들의 기대였다. 아니나 다를까. 아름다운 회절무늬를 얻게 되었으며 빛의 회절무늬와 비교할 때 전자 또한 파동이라는데는 의심할 여지가 없게 되었다. 어떻게 된 영문일까?

옛날의 과학은 상식에서 오는 판단으로서 설명이 가능한 경우가 많았다. 그러나 점점 폭넓고 깊이 있는 실험사실이 축적됨으로써 상식으로서는 이해할 수 없는 현상이 생기고 이를 설명하려면 상식으로는 추리
도 할 수 없는 이론이 생긴다. 빛, 전자, 혹은 다른 모든 작은 입자의 세계에 적용되는 이 이중성의 근본적인 해결은 1926년에 이르러 여러 천재들의 힘에 의하여 이루어졌으며, 이 이론을 양자론(quantum theory)이라고 한다.

양자론이란 무엇일까?

설명을 필자가 독자적으로 하는 대신 저 유명한 화인만 교수가 한 강연 중에서 양자역학적인 자연관을 소개하는 것으로서 시작하겠다.

경험하지 못한 세상의 일을 이해하려면 지극히 조심스러운 관찰과 추리를 통하여 추측해 나가야 한다. 과학 추리소설처럼 실제로는 일어나고 있지 않은 일들을 상상하는 것이 아니라 실제로 존재하고 있는 일들을 이해하려는 것이다.

빛과 전자의 경우만 해도 그렇다. 만약 전자가 입자처럼 행동한다고 해도 틀리는 말이 되겠고, 파도처럼 행동한대도 역시 틀리는 말이 되겠다. 구태여 표현한다면 양자역학적으로 행동한다고 할 수밖에 없겠다. 다만 한 가지 분명한 것은 빛이나 전자가 같은 행동을 하며 둘 다 괴상한 행동을 한다는 것이다. 어떻게 행동하는가를 감상하려면 뛰어난 상상력이 필요하다. 왜냐하면 이들은 여러분이 알고 있는 어떤 것과 달리 상상 이외의 행동을 하기 때문이다. 이해하기가 어려울 줄 믿는다.

그러나 어려움은 주로 심리적인 갈등이며 어떻게 그럴 수가 있을까 라는 반박에 뿌리를 두고 있다. 누구나 자기가 잘 아는 경험을 토대로 다른 일을 판정하고 있으며, 이러한 고집으로 인하여 사물을 자기가 생각하는 방향으로 이끌어간다. 마음의 문을 활짝 열고 편견을 버려주기 바란다. 내가 이야기 할 양자역학을 완전히 이해하려고 애쓰지 말고 편안한 자세로 그냥 들어주기 바란다.

따라서 여러분의 동감을 얻는 것보다는 단순히 ‘자연’이 어떻게 행동하는가를 여러분들에게 이야기하겠다. 여러분이 자연의 행동을 그대로 받아들이면 자연이 얼마나 멋있고 근사한지를 보게 될 것이다. 거듭 이야기하겠는데 어떻게 그럴 수가 있을까라고 자기 자신에게 묻지 말아야 한다. 왜냐하면 아무도 왜 그러한지 모를 뿐만 아니라 물어본다 해도 점점 더 모르게 되는 것 이외에는 아무런 소득이 없기 때문이다.

우선 우리들이 입자라고 생각했던 전자나 양성자 등이 파동의 성질을 가지고 우리가 파동이라고 알고 있던 전파는 작은 알갱이인 입자로 되어있다는 것을 받아들여야 한다. 미시의 세계에서는 파동과 입자가 있는 것이 아니라 파자(波子; wacle, 즉 파동과 입자를 겹쳐서 줄여 만든 조어임)가 있다는 것을 받아들여야 한다.

모든 존재는 입자와 파동인 이중성을 지니고 있고, 우리는 ‘파자’가 어느 곳에서 존재하는가를 확인하면 파동의 특성을 못보고 파동의 특성인 방향과 그 운동량을 확실히 측정하면 입자의 특성인 한 장소에만 존재하는 그 지점을 모르게 된다. 거시적인 입자는 여기에 있으며 동시에 저기에 있을 수 없다. 왕십리에 있는 김서방이 동시에 종로에도 있을 수는 없다.

그런데 양자역학에 의하면 미시적인 세계에서는 관측하지 않으면 여기와 저기에 동시에 있을 수 있지만 확인할 수는 없다는 것이다. 우리들은 지금까지 여기에 있으며 동시에 저기에 있을 확률은 0이고 저기에 있으면 동시에 여기에 있을 확률은 0이라고 생각했지만 실제로 자연은 그렇지 않다.

자연은 여기와 저기에 동시에 존재하는 확률이 각각 50%인 그런 존재를 허용하고 있다. 실제로 미시적인 세상에서는 여기와 저기에 동시에 있는 존재가 오히려 상식이다. 물리학자들은 어떻게 여기와 저기에 존재하는가를 나타내는 ‘1파동함수’라는 것을 어려운 방정식을 풀어서 얻어내고 이를 토대로 여러가지 일들을 알아낸다. 어떤 것들일까?
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