[양자역학 찍먹 4-1편] 불륜이 과학에 남긴 순기능!
[양자역학 찍먹 4-1편] 불륜이 과학에 남긴 순기능!
안녕하세요! 양자역학 찍먹 4편 '슈뢰딩거' 편입니다.
네, 맞습니다.
그 유명한 '슈뢰딩거의 고양이'의 주인공입니다.
양자역학이 왜 비상식적인 '신비의 학문'이라 불리는지...
오늘부터 본격적으로 시작됩니다.
마지막까지 읽어보시면,
일반적으로 상상하기 힘든 불륜과 맞바람의 '오픈 매리지'부부가
양자역학에 얼마나 큰 발전을 가져왔는지 알 수 있습니다!
그럼, 4화!! 시작해보겠습니다!!
#1. 과학 서버, 신규 퀘스트 업데이트!!
지난 3편에서 드브로이가 "세상 모든 물질은 파동이다!"라고 선언했고,
심지어 실험을 통해 사실로 밝혀지기까지 했지요.
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
[▶ 4-1편 : 불륜이 과학에 남긴 순기능! - 슈뢰딩거 편]
[▶ 4-2편 : 슈뢰딩거 고양이 드디어 등판 - 슈뢰딩거 편]
그럼에도 몇몇 과학자들은 여전히 "전자가 파동이라니 말도 안 돼"라며 현실을 부정했고,
또 어떤 재빠른 과학자들은 다음 업적을 위한 스텝을 빠르게 밟았습니다.
"그래, 전자가 파동이라 이거지?"
"그렇다면 그 파동이 앞으로 어떻게 움직일지 예측하는 방정식을 내가 처음으로 찾아내보겠어!!"
과학자들에게는 이제 새로운 퀘스트가 주어졌습니다!!!
레이스 시작!!!
#2. 전설의 파동 방정식 등장!!
수많은 물리학자 중에서도 남다른 천재가 있었으니,
그가 바로 오스트리아의 천재 물리학자 '에르빈 슈뢰딩거'입니다.
1924년 드브로이가 '전자는 파동이다!'라는 주장을 한 지 약 1년 만에
'전자는 구체적으로 이렇게 움직이는 파동이다!' 하는 공식을 찾아낸겁니다.
이 식은 너무나 완벽했습니다.
대입만 하면 전자들이 1초 뒤에 어디로 갈지, 에너지는 얼마일지 정확하게 계산이 딱딱 나왔거든요.
이 공식이 바로 양자역학의 바이블, <슈뢰딩거 파동 방정식>입니다.
이 공식으로 인해 양자이론은 '양자담론(썰)'에서 '양자역학(예측, 통제)'의 영역으로 넘어갈 수 있었습니다!
그야말로 너무나 위대한 업적이지요!!
"봤냐?!! 봤냐고~!! 내가 물결처럼 출렁이는 전자를 이렇게 정확히 설명해냈다!!"
슈뢰딩거는 기쁨에 겨워 세상에 이 방정식을 발표했습니다!!
#3. 그래도 전자는 입자다!!
"음... 분명히 아주 정확한 방정식이긴 한데 말이지..."
전자가 만들어내는 물결무늬를 너무나 정확히 예측해내는 슈뢰딩거의 파동 방정식이었지만,
닐스 보어를 비롯한 수많은 과학자는 여전히 전자가 '실제 파동'이라는 주장에 의문을 품고 있었습니다.
왜냐하면 물질파 실험을 제외한 다른 모든 실험에서는, 전자가 분명히 '입자(알갱이)'로 보였거든요!
실제로 3화에 나오는 실험에서 전자를 기관총처럼 쏘지 않고,
하나씩, 하나씩 천천히 쏘아보는 실험을 해봤습니다.
만약 슈뢰딩거 말대로 전자가 '물결'이라면?
전자 1개만 쏘더라도 벽에 닿는 순간 '철퍽' 하고 퍼져서
다소 흐릿하겠지만 물결무늬 전체가 나와야 합니다.
하지만 결과는 충격적이었습니다.
- 전자는 파동처럼 퍼지지 않고, 정확히 한 지점에 알갱이처럼 '콕!' 박혔습니다.
- 그런데 쏘면 쏠수록 박히는 위치가 매번 조금씩 달랐습니다. (랜덤)
- 그렇게 무수히 많이 쏴서 점들을 모아보니... 놀랍게도 슈뢰딩거가 예측한 그 '물결무늬'가 나타나는 것이었습니다.
이 결과를 보고 대선배 과학자 '막스 보른'이 무릎을 탁 치며
마지막 남은 한 가지 해석을 선언합니다.
막스보른 : 이보게 슈뢰딩거, 자네의 식은 맞는데... 식의 해석이 틀렸어.
잘 보게.
1. 전자가 벽에 '콕' 박히는 걸 보니 입자가 맞네.
2. 근데 점들이 모여서 물결무늬를 만드는 걸 보니 파동의 규칙을 따르네.
그렇다면 결론은 하나일세.
전자는 입자가 맞네.
단지 그 입자가 벽에 박히는 '위치'가 파동처럼 퍼져있는 걸세.
자네의 그 완벽한 방정식은 '전자라는 파동이 어떻게 움직이는지'가 아니라
'전자라는 입자가 어디에서 발견될 지 확률'을 계산하는 식이었던 거야!
똑같은 실험에서도 전자가 보여주는 결과는 확률적이다. (확정적이지 않다)
이름하여 확률론!!
파동 형태의 전자는 발견할 수 없다는 사실과,
그럼에도 파동무늬를 만들어내는 현상을 동시에 설명해낼 유일한 해석.
막스 보른, 닐스 보어, 하이젠베르크 등 '코펜하겐 학파'로 불리는 신진세력이
'확률론'이라는 새로운 패러다임을 과학계에 내건 순간이었습니다.
#4. 거 해석이 너무 과한 거 아니오?
이번에는 막스 보른 해석을 받아들이지 못한
아인슈타인, 슈뢰딩거 측 과학자들이 들고일어납니다.
반대파의 주장은 그냥 지극히 '상식적!'이었거든요.
"원인이 같으면 결과도 같아야지." (인과율)
물리적으로 완벽히 동일한 조건의 운동실험인데도 결과가 매번 랜덤하다는 해석은 도저히, 도저히 받아들일 수 없는 이야기였지요.
"이보게 보른. 니들이 모르는 실험 도구의 미세 오차 때문에 랜덤 결과가 나타나는 거 아닌가? (아인슈타인 / 왕고참)"
"우주가 무슨 주사위 놀이랍니까, 랜덤이게? 내 방정식에 그딴 해석 갖다 붙이지 말아주쇼! (슈뢰딩거)"
"그냥 결과 끼워 맞추느라 급급해서 아무 말이나 해버립니까? 거 참..."
"전자가 입자라는 걸 지키려고 인과론 자체를 부정해버리실겁니까?"
웅성웅성...
양측 과학자들은 격렬해졌습니다.
"그리고, 왜 똑같은 입자인데 전자만 물결무늬 나옴?"
"니네 말대로 전자가 입자인데도 랜덤하게 움직여서 물결무늬까지 나오는 거면, 모래알이나 총알이나 야구공 같은 입자로도 똑같이 실험해서 물결무늬 나오면 인정해 줄게~"
#5. 전자의 오징어 게임. 얼으으음!!!!!!!!!!!!
코펜하겐 학자들은
분명히 '알갱이'일 전자가 도대체 '어떻게' 랜덤하게 휘어서
아름다운 물결무늬까지 만들어내는지
그 원인과 과정이 너무너무너무너무 궁금했습니다.
그래서, 전자를 아주아주 유심히 관찰하기 시작했습니다.
아니 그런데!!
휘는 과정을 관찰하려 했더니, 그때만 딱 휘지 않는 겁니다!!!
마치 전자가 자신의 비밀을 숨기기라도 하는 듯 말이지요!!
단 하나의 전자도 랜덤하게 휘지 않았고,
오로지 직진만 하여 물결무늬 자체가 아예 만들어지지 않았던 겁니다!!
그 어떤 종류의 카메라와 관측 도구에도 전자는 절대 '랜덤성'의 비밀을 보여주지 않았습니다.
그리고 그 모든 관측 기기를 치우면, 그때는 여지없이 물결무늬를 만들어냈었습니다.
귀신이 곡할 노릇입니다.
전자는, 사람이 자기를 쳐다보는지 아는 걸까요?
아니, 양자역학. 어디까지 이상해지는 건가요?
다음 화로 이어집니다.
#예고편: 슈뢰딩거 노벨상 받다!!
슈뢰딩거는 슈뢰딩거 파동 방정식으로 노벨상을 받게 됩니다!!
코펜하겐 학파는 패배한 걸까요?
아닙니다.
슈뢰딩거의 노벨상은 그가 평생 극혐했던 '코펜하겐 학파'의 말이 맞음을 증명했기에 받는 사상 최초 굴욕의 빼앗긴 노벨상이었습니다.
무슨 일이 있었던 걸까요?
다음 화에 이어지는 슈뢰딩거의 회심의 반격!!
'슈뢰딩거의 고양이'가 나옵니다!
#덧1. 전설의 불륜 방정식!!
슈뢰딩거는 과학 찌질이, 소위 '너드'는 절대 아니었습니다.
엄청난 인싸이자, 자유로운 영혼의 소유자였죠.
1925년 크리스마스.
슈뢰딩거는 부인을 집에 두고 '정체불명의 옛 애인'과 함께 스위스 산장으로 커플 여행을 떠납니다.
거기서 넘치는 사랑에서 영감을 받아(본인피셜) 엄청난 공식 하나를 구상해옵니다.
그리고 그 식을 당대 최고의 수학자였던 부인의 남자친구(??!!)와 함께 완성합니다.
그렇게, 상상도 못 할 불륜과 맞바람의 기적 같은 콜라보레이션으로 탄생한 식이
바로 현대 물리학의 바이블이라 불리는 <슈뢰딩거 파동 방정식>이었습니다.
그 비상식적인 불륜과 맞바람이 없었다면
아마 지금 여러분 손에 들고 있는 스마트폰은 없었을 겁니다.
(물론 슈뢰딩거의 사생활은, 양자역학에 비하면 훨씬 상식적인 영역이긴 합니다.)
남다른 과학자! 오픈 매리지가 만들어낸 인류 최고의 방정식의 주인 [에르빈 슈뢰딩거] 연혁 보러 가기
#덧2. 모래알로 물결무늬 만들기!!
모래알, 총알, 야구공 등은 현대 기술로도 물결무늬를 만들기 어렵습니다.
그러니 당시의 코펜하겐 학자들은 당연히 모래알로 물결무늬를 못 만들었겠지요.
그러나!
현재는 슈뢰딩거가 교수로 재직했던 '비엔나 대학교'의 직속 제자 라인들이
"도대체 얼마나 큰 물체까지 파동이 되는지 끝장전을 펼쳐보자!!"라며
실험을 주도하고 있습니다.
- 1999년, 풀러렌이라는 탄소 60개짜리 축구공 모양의 분자를 물결무늬로 만드는 데 성공.
- 2019년, 원자 2,000개짜리 거대 유기 분자(전자 기준에선 거의 고질라급)를 쏘아서 물결무늬를 만들어냈습니다.
- 현재, 그들의 목표는 살아있는 바이러스와 곰벌레로 물결무늬 만들기입니다.
어디까지 키워보려는 걸까요?
정말 고양이까지 가 보려는 걸까요?
사람들은 농담 삼아 그들을 '슈뢰딩거의 복수 특공대'라고 부릅니다.
오늘도 비엔나의 후예들은 쉬지않고 더 큰 물질들을 집어던져보고 있습니다.
[▶ 1편 : 그래서 '양자'가 뭔데? - 플랑크 편]
[▶ 3편 : 문과출신의 미친 대학원생! - 드브로이 편]
[▶ 4-1편 : 불륜이 과학에 남긴 순기능! - 슈뢰딩거 편]
[▶ 4-2편 : 슈뢰딩거 고양이 드디어 등판 - 슈뢰딩거 편]
