앤 드루얀의 코스모스 5 - 제9장 거짓 없는 마법(빛의 본질, 광자, 양자 얽힘)

앤 드루얀의 <코스모스: 가능한 세계들>은 우주와 생명의 기원, 과학의 발전, 그리고 인류의 미래에 대한 깊은 통찰을 담고 있는 책이다. 책은 우주의 구조, 생명의 기원, 지구 환경 변화, 우주 탐사, 그리고 과학과 인류의 관계를 다루며, 우리가 살아가는 세계를 더 깊이 이해할 수 있도록 돕는다. 여기에서는 지난 시간에 이어서 앤 드루얀의 <코스모스: 가능한 세계들>의 제9장 거짓 없는 마법(빛의 본질, 광자, 양자 얽힘)에 대하여 알아보고자 한다. 

 

제9장 거짓 없는 마법

제9장 거짓 없는 마법에서는 빛의 본질과 양자 얽힘을 탐구하며, 과학이 마치 마법처럼 보이지만 실제로는 자연의 법칙을 설명하는 강력한 도구임을 강조한다. 이 장에서는 크리스티안 하위헌스가 빛을 입자가 아니라 파동으로 설명했던 혁신적인 이론을 소개하며, 뉴턴의 입자설과 대비된다. 또한, 초결정론이 양자 얽힘의 수수께끼를 풀어줄 가능성을 제시하지만, 동시에 인간의 자율성과 자유 의지에 대한 철학적 질문을 던진다. 앤 드루얀은 과학이 단순한 사실의 나열이 아니라, 우리가 세상을 이해하는 방식 자체를 변화시키는 힘을 가지고 있음을 강조하며, 과학이 신비로운 자연을 설명하는 과정에서 마법처럼 느껴질 수 있음을 보여준다.

 

· 뉴턴의 입자설

빛은 모든 생명을 움직이며, 우주의 거리를 측정하는 잣대이다. 1665년 아이작 뉴턴은 무지개를 처음으로 설명하고, 흰 빛 속에 모든 색깔의 빛들이 담겨있다는 사실을 알아낸다. 뉴턴은 빛은 미립자(corpuscles)라 부르는 입자들로 이루어졌으며, 광선이란 한 줄로 날아온 빛의 미립자들이 망막에 부딪히는 현상이라고 보았다.  

 

· 하위헌스의 파동설

네덜란드의 과학자 크리스티안 하위헌스는 뉴턴의 빛 입자 이론을 강력히 반대한다. 그는 최초로 토성의 고리의 존재와 위성 타이탄을 발견하고, 추시계를 만들었다. 그리고 1659년에는 환등기라는 영사기를 만들어 최초의 애니메이션 영화를 상영한다. 또한 게임의 결과를 예측하는 확률이론을 개척한다. 그는 빛도 소리처럼 사방으로 퍼지는 파동 같은 것이라고 보았다. 

 

· 토마스 영

1819년 영국의 토마스 영은 고대 이집트 문명의 상형문자 6개가 어떤 소리를 내는 지를 해독하고, 인도-유럽어족의 계통도를 처음으로 작성한다. 또한 둘 이상의 원자가 화학 결합을 통해 만들어진 입자인 분자의 크기를 처음으로 측정한다. 현대적 의미의 에너지라는 단어를 처음으로 사용하고, 안구 변형으로 생긴 시각의 결함을 난시라고 명명한다. 토마스 영은 1801년 마분지에 세로로 두 개의 슬릿(slit, 틈)을 낸 뒤 빛을 통과시키는 실험을 한다. 두 슬릿을 통과한 빛이 파동처럼 행동하여 간섭무늬를 만들어 냄으로써 빛이 파동임을 증명해 낸다. 

 

· 톰슨의 전자

1897년 케임브리지 대학교의 물리학자 조지프 존 톰슨은 진공관 속을 통과하는 입자에 자석을 가까이하여 입자들이 흐르는 경로를 바꾸는 실험을 하고 그 입자를 전자(electron)라 명명한다. 또한 전자도 파동처럼 행동한다는 사실을 알게 된다. 그는 원자보다 더 작은 전자를 발견하고, 빛도 그럴 것이라고 생각한다. 그 결과 과학자들은 빛의 최소단위인 광자(photon)를 분리한다. 하지만 광자는 누군가 지켜볼 때는 입자처럼 행동하지만 지켜보지 않을 때는 파동처럼 행동한다는 사실을 알게 된다. 따라서 아이작 뉴턴과 크리스티안 하위헌스는 둘 다 옳기도 했고 틀리기도 하였다. 빛은 파동인 동시에 입자이고, 어느 쪽도 아니기도 하였다. 모든 입자는 무작위적이고 종잡을 수 없는 하위헌스가 말한 확률의 지배를 받는다. 

 

· 존 스튜어트 벨

한 개의 광자를 반으로 쪼개어 에너지를 나누어 보면 새로 만들어진 두 개의 광자는 서로 얽힌 상태(entangled)로 결합된 존재이다. 이들은 '유령 같은 원격 작용'으로 서로 교신한다. 아인슈타인은 광자의 얽힘 문제에 확률이론을 적용해 본 뒤 '광자가 광속을 어길 수 있다면 우주와 세상 만물의 자연법칙이 숨은 변수에 의해 얼마든지 깨어질 수 있다'는 사실을 알고 경악하게 된다. 그 후 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 아인슈타인의 숨은 변수가 실재하는 지를 확인하기 위해 광자들이 울타리가 살짝 기울어진 상태인 편광된 상태를 통과하도록 실험을 한다. 그 결과 광자들은 숨은 변수가 없다는 방식대로 행동했으나, 아인슈타인의 걱정은 사실이었다. 세상 모든 존재를 구성하는 기본 입자들은 자신들도 알지 못하는 사건에 반응한다. 

 

· 다세계 해석

다세계 해석(Many-Worlds Interpretation, MWI)은 양자역학에서 파동 함수의 붕괴 없이 모든 가능한 결과가 각각의 독립적인 세계에서 실현된다고 보는 해석이다. 이 해석에 따르면 양자 사건이 발생할 때마다 우주는 여러 개의 분기된 세계로 나뉘며, 각각의 세계에서 다른 결과가 실현된다.

 

· 초결정론

1980년대 존 스튜어트 벨은 양자역학에서 모든 측정 시스템이 측정 설정과 상관관계를 가진다는 가정 아래에 '우주의 모든 사건이 이미 결정되어 있으며, 실험자의 선택조차도 자유롭지 않다'는 초결정론(superdeterminism)을 주장한다. 이는 양자 얽힘을 설명할 수 있는 가능성을 제시하지만, 동시에 자유 의지의 부재를 의미하기도 한다. 그러나 많은 물리학자들은 초결정론이 과학적 방법론을 위협할 수 있다고 우려하며, 실험적으로 검증하기 어려운 개념으로 보고 있다. 우리는 광자가 어떻게 입자인 동시에 파동일 수 있는 지를 아직 모른다. 과학은 우리가 자신의 무지를 받아들이고 증거가 나타날 때까지 판단을 유보하도록 요구한다. 

 

※ 지면관계상 이어지는 내용은 다음 시간에 계속하겠습니다.

앤 드루얀의 코스모스 6-제10장 두 원자 이야기(퀴리부부, 맨해튼 프로젝트)

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