[양자역학 찍먹 3편] 문과출신의 미친 대학원생!
[양자역학 찍먹 3편] 문과출신의 미친 대학원생!
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
안녕하세요!
지난 2편에서 우리는 "빛은 파동인 줄 알았는데 입자(양자)였다"는 충격적인 사실을 알았습니다.
아인슈타인이 200년 묵은 고정관념을 깨버린 거죠.
- 입자(돌멩이, 당구공) : 벽에 던지면 '딱!' 하고 한 점에 꽂힘. 입자끼리 부딪히면 튕겨 나감.
- 파동(물살, 소리) : 모든 방향으로 넓게넓게 퍼져나감. 둘이 만나면 스르륵 섞여버림.
그런데 '빛'이라는 놈은 때때로 돌멩이처럼 굴다가, 때때로 물살처럼 군다는 겁니다.
당시 과학자들은 이렇게 생각하며 정신 승리를 했습니다. "그래, 빛은 뭐 원래부터 신비롭고 이해하기 힘든 놈이니까... '이중인격(입자+파동)'일 수도 있지."
하지만 이 회피를 산산조각 낸,
프랑스의 한 "문과(역사학과)출신 물리 대학원생"이 등장합니다.
사실상 오늘 날 '양자역학은 너무 비현실적이야!'라고 느끼게 만든 그 모든 시작점은 무려 문과생이었던 것이지요.
#1. 드브로이 : (우아하게)우주란 당연히 아름다운 것이니까...
크레이지 문과생의 저세상 논문.
1924년, 프랑스의 명문가 귀족 도련님 '루이 드 브로이'가 박사 학위 논문을 제출합니다.
내용은 순도 높은 판타지 소설이었습니다.
"교수님들, 빛(파동)이 입자라면... 역으로 전자는 물론이고 야구공, 그리고 교수님 같은 '물질(입자)'도 파동 아닐까요?"
이른바 <물질파> 이론입니다.
이유는 단순했습니다.
자연은 '대칭'을 사랑하니까요.
파동인 줄 알았던 빛이 입자라면, 입자인 줄 알았던 물질도 파동이어야 '밸런스'가 맞는다는 겁니다.
그야말로 지독한 뇌피셜이지요.
#2. 아인슈타인 : 진행시켜~!
심사위원들은 당황했습니다. 아니, 황당했습니다.
"자네 대학원 생활이 많이 힘들었나? 전자가 파동이라니? 그럼 야구공을 던지면 물결치면서 날아간다는 거야?"
탈락 판정을 내리기 직전, 당시 끝판왕 아인슈타인에게 자문을 구해봅니다.
"알베르트 형님~ 이 친구 약간 모자란 애 일까요, 아니면 천재일까요?"
그런데 아인슈타인의 반응이 의외였습니다.
"이 녀석... 물리를 좀 아는데?"
아인슈타인은 우주가 딱 맞아떨어지는 그 '대칭성(깔맞춤)'에 감동했고, 드브로이의 뇌피셜에 강력한 힘을 실어줍니다.
그렇게 문과 출신 물리학도는 아인슈타인 찬스로 얼레벌레 박사학위를 받습니다.
#3. 그런데... 그 것이 실제로 일어났습니다.
허허허허... 미친 세상.
드브로이의 '썰'은 3년이라는 짧은 시간 뒤 실제 실험으로 증명되어버립니다.
영국의 G.P 톰슨이라는 물리학자가
여기저기 충돌도 하고 뿌시기도 하는, 누가봐도 '입자'인 전자를
기관총처럼 좁은 구멍에 대고 다다다다 쏘아본 것이죠.
예상(입자): 벽에 총알 자국처럼 한군데 몰린 점이 박혀야 함.
결과(파동): 놀랍게도 벽에 아름답고 규칙적인 '물결무늬(간섭무늬)' 자국이 생김.
빼도 박도 못하는 증거였습니다.
전자라는 알갱이가 날아가면서 자기 혼자 물결을 치고 있었던 겁니다.
이로써 인류는 혼돈스러운 현상을 어떻게든 받아들여야 했습니다.
"어쩌면, 이 세상 모든 것은 입자이면서 동시에 파동인 것일까?"
그니까 이게 대체 무슨 말일까요?
입자면 입자고 파동이면 파동이지, 입자이면서 파동이라는 게...
# 다음 화 예고 : 응~ 뇌피셜 ㅅㄱ~
많은 과학자들은 받아들이지 않았습니다.
내 손에 든 수박이 입자(물질)이지만 동시에 파동이라고?
내가 지금 니 머리에 수박을 던지면 충돌할까(입자) 통과할까(파동)?
내기 해볼래?
드브로이는 대답합니다. "커서 그래 커서."
드브로이의 공식에 따르면 무거운 물체일 수록 물결이 좁아집니다.
전자처럼 엄청엄청 작고 가벼울수록 파동성이 강해서 촐랑거리며 물결을 치는데
야구공, 사람 사이즈의 물질만 되어도 물결의 범위가 거의 0에 수렴하여 입자처럼 움직인다는 겁니다.
자, 이제 '물질파동'이라는 새로운 화두가 던져졌습니다.
이 파동을 설명하기 위해, 드디어 그 '고양이'가 등장할 차례입니다.
'양자역학'보다 더 유명한 '슈뢰딩거의 고양이', 그리고
고양이도 빼앗기고 공식도 빼앗긴 비운의 과학자 '슈뢰딩거'의 이야기가
다음편에서 계속됩니다.
#덧1. 노벨상 콩가루 집안?
'전자가 파동이다'라는 사실을 증명한 'G.P 톰슨'은 노벨상을 받게 됩니다.
그런데 놀랍게도 그는
'전자가 입자이다'라는 사실을 증명하여 노벨상을 받은 'J.J톰슨'의 아들입니다.
- 아빠톰슨 : 전자는 입자임. 수고~ (노벨상)
- 아들톰슨 : 전자는 파동임. 수고~ (노벨상)
- 과학자들????!!!!
톰슨집안은 콩가루집안이었을까요?
아빠 톰슨은 아들 톰슨의 소위 '팀킬'을 매우 자랑스러워 했답니다.
콩가루가 된건 '물질은 물질이지 파동일 수 없다'고 믿었던 우리의 상식뿐이었습니다.
#덧2. 삼성전자, LG전자
전자의 이중성은 SF판타지보다 더 상상하기 힘든 영역이지만
이미 증명을 넘어 수많은 영역에 공학으로 현실화되어 있습니다.
반도체, 스마트폰, LED 등은 모두
양자역학에서 말하는 '괴상한 전자의 행동'을 정복하고 응용한 결과물이지요.
전자가 이렇게까지 괴상하지 않다면,
삼성전자, LG전자... 또 엔비디아의 주식은 지금과 같을 수 없답니다.
(그러니 주가가 떨어지면 양자역학을 탓하... 아, 아닙니다....)
문과 출신의 노벨상 물리학자. 프랑스 그랜드크로스 기사 칭호를 받다. [루이 드 브로이] 연혁 보러 가기
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
