파동-입자이중성
어떻게빛이입자이면서파동일수있을까.
예를들어맥주캔하나가있다고하자.맥주캔은3차원물체다.우리가캔의그림자만인식할수있다고상상할때수직으로빛을비추면,그림자는원처럼보인다.그런데캔의옆면에빛을비추면,그림자는직사각형처럼보인다.그렇다면캔은원일까,직사각형일까?둘다아니다.그냥맥주캔이다.앨리스는다음과같이설명한다.
“맥주캔은3차원이야.우리가2차원인그림자만으로이물체가무엇인지알아내려고할때혼란이생기지.원자나빛을이해하려할때도똑같은일이벌어져.우리가가진최고의측정장비조차도현실의더낮은차원에비친그림자만인식할뿐이야.어떤때는그그림자가파동처럼보이고,어떤때는테니스공처럼보여.우리의제한된관점에서는모순처럼보이지만,이파동-입자이중성은사실인간의상상력이어디까지인지를보여줄뿐이야.많은사람이여기서혼란스러워하는이유는우리가세상을있는그대로본다고믿고싶어하기때문이지.하지만어떤것이서로배타적인두속성을동시에가진다면,그믿음은깨질수밖에없어.결국우리는사물을있는그대로보고있지않다는사실을인정해야하지.파동-입자이중성은현실이우리의가장과감한상상보다도훨씬더흥미롭다는걸보여줘.”
슈뢰딩거의고양이
에르빈슈뢰딩거는슈뢰딩거방정식을만들어낸사람이지만,자신의이론을가장가혹하게비판한사람중하나다.그는양자물리학이얼마나터무니없는지과학계에보여주기위해한사고실험을고안한다.바로‘슈뢰딩거의고양이’다.
밥은의문을표시한다.사람들은보통자기가옳다는걸증명하려고애쓰는데,슈뢰딩거는자기가만든방정식이말이안된다는걸보여주려고했다는걸이해할수없다.이에앨리스는“슈뢰딩거가원했던건단하나,진실”이라고답한다.
밥이생각하는과학자란“대개잘난체하는볼품없는인간들이다.자기들이세상누구보다똑똑하다고믿고,누군가반박이라도하면곧바로비아냥대는자들”이다.
물론그런과학자도있다.앨리스는이런오만함이스스로눈을멀게하고,그순간진실로가는문을스스로닫아버리는결과를초래한다면서,과학자는겸손할뿐아니라자신의이성이파놓은교묘한함정을잘알아야한다고말한다.
사고실험은이렇다.먼저고양이한마리를상자안에넣는다.50퍼센트의확률로고양이를죽이는장치도함께말이다.그다음어떤정보도안으로들어가거나밖으로나갈수없도록상자를완벽하게봉인한다.장치의세부구조는중요하지않지만,슈뢰딩거는상자안에들어있는방사성원소의붕괴를감지하는가이거계수기를떠올렸다.그계수기에망치를연결해서,방사능을감지하는순간망치가유리병을깨고독을방출하는구조다.단순하게말하자면,방사성원소가붕괴하면고양이는죽고,붕괴하지않으면살아남는다.이고양이살해장치는양자과정,정확히말하면방사성원소의붕괴를기반으로하고있다.
양자물리학에서는서로모순되는두사건이동시에일어날수있다.광자가두개의문을동시에통과할수있듯이,방사성원소도붕괴하면서동시에붕괴하지않을수있다.그렇다면이상황에서고양이는어떻게될까?원소가붕괴한상태이면서동시에붕괴하지않은상태라면,고양이는죽어있으면서동시에살아있어야한다.상자안에있는모든것,즉방사성원소,장치,공기,그리고물론고양이까지전부하나의가능성파동이되는것이다.완벽하게고립된상자라면,슈뢰딩거방정식은분명히두개의현실이나란히존재한다고예측한다.하나는고양이가죽어있는현실,다른하나는고양이가살아있는현실.이두현실은동시에존재한다.고양이는같은순간에죽어있으면서살아있다.그리고이고양이는,지금까지모든예측이놀라울정도로정확하게검증된바로그방정식이예측한결과다.
거의한세기동안필사적으로반례를찾았지만,고양이가죽어있으면서동시에살아있을수없다는어떤증거도찾지못했다.오히려실험은정반대결과를계속보여준다.점점더큰물체로고양이상태를만들어내는데성공하고있다.그래서지금은슈뢰딩거방정식을훨씬더신뢰하게됐다.고양이,공기분자,상자안에있는모든것에그방정식이적용되지않을이유는없다.우리가그걸너무말도안된다고느낀다는점만빼면말이다.
중간중간삽입한경구들은과학하는자세이자삶의지혜를담고있다.
“우리가할수있는가장아름다운경험은신비로움이다.이는참된예술과참된과학의요람에깃든근본적인감정이다.이를알지못하고,더이상놀라지도않고경탄할줄도모르는사람은죽은것이나다름없으며,눈이멀어버린것이다.”-알베르트아인슈타인
“과학자는두가지의무만을진다.진실과정직함이다.이는스스로에게도,다른과학자들에게도마찬가지다.”-에르빈슈뢰딩거
“의식은물리적으로설명될수없다.왜냐하면의식은절대적으로근본적이기때문이다.의식은다른어떤것으로도설명될수없다.”-에르빈슈뢰딩거
