상대성 이론과 양자역학

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Wednesday, 22 July 2009

물리학은 기원에 대한 문제가 아니고 실존하는 실체를 대상으로 한다는 점에서 매우 명확하다고 하겠다. 따라서 진화론적인 개념으로부터 물리학은 비교적 자유로워야 할 것이다. 그러나 직접적인 관찰이나 실험이 불가하여 간접적으로 접근하는 분야에는 여전히 믿음이 결정요소가 된다.

뉴톤(1643-1727)이 발전시킨 소위 뉴톤역학 또는 고전물리학은 지난 세기 동안 모든 분야에 획기적인 결과들을 끌어 냈다. 그런데 19세기 말부터 고전물리로 설명이 불가한 결과들이 실험으로부터 도출되면서 그 결과들을 설명하려고 두개의 물리학 분야인 상대성이론과 양자역학이 발전하게 되었다. 상대성이론은 빛의 속도로 이동하는 입자(물체)와 거대한 에너지계에 적용된다. 한편 양자역학은 전자나 원자와 같은 미시계에 적용된다. 여기서 미디어에 자주 등장하는 1) 상대성이론과 2) 양자역학에 대하여 간단히 소개하려고 한다.

1 상대성이론 (Relativity)
상대성 이론은 특수상대성 이론과 일반상대성 이론으로 구분된다.[1-2] 아인쉬타인은 1905년 특수 상대성 이론을 발표, 이 이론으로 특수한 실험 결과들을 설명하려고 하였다. 이 이론은 진행하는 빛의 속도는 그 광원의 속도와 무관하며 빛의 속도로 이동하는 관찰자는 시간을 경험하지 않는다는 것이 핵심이다. 따라서 어떤 관찰자가 광속에 근접하는 속도에 도달하면 시간이 느려져 전혀 다른 시간을 경험하게된다는 것이다. 이는 실제로 일상의 생활에서 확인 할 수 없는 현상들이다. 이러한 예측들은 오직 이론이나 특수 실험에서만 가능하다.

그후 1916년 발표한 일반 상대성이론은 매우 빠르게 가속되는 입자들에게 적용된다. 이상한 것 같지만 이 이론에서 거대한 양의 물질과 에너지가 공간을 변형시킨다는 것이 핵심이다. 수학적으로 공간의 변화는 곡률이다. 따라서 공간이 거대한 에너지에 의해서 꺽인다고 말하는 것이다.

이 공간의 휨(곡률) 덕택에 뉴톤역학이 해답을 주지 못하는 문제를 설명할 수 있게 되었다. 물질과 에너지는 이 곡률을 통하여 다른 공간으로 이전될 수 있다는 것이다. 뉴톤은 중력이 빈 공간을 통하여 작용하는 것으로 가정하였었다. 그러나 그의 이론은 물체의 질량과 거리에 대한 정보가 어떻게 공간을 통하여 전해지는지 설명하지 못하였다.

아인쉬타인은 이 이론으로 몇 개의 예측을 끌어 내었는데 가장 잘 알려진 것이 태양 주변을 통과하여 지구까지 오는 별 빛이 휘게 될 것이라는 예측이다. 즉 태양의 중력이 별 빛에 영향을 준다는 것이다. 1919년 완전 개기일식에 첫 실험이 이뤄졌는데 태양 때문에 정상적으로는 볼 수 없는 태양 뒷면의 별빛을 관찰하였던 것이다. 이 데이터들은 아인쉬타인의 이론을 지지하였다. 여러번 같은 실험이 반복되어 정확성이 높아졌고 다른 실험들 또한 그 이론을 지지하였다. 한 마디로 중력의 영향으로 빛이 휜다는 것이 골자이다. 이는 빛이 통과하는 공간에 중력장 때문에 별 빛의 이동 거리가 더 길어진다는 의미이다.

결론적으로 상대성이론의 대상은 빛이다. 앞에서 설명한 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서는 빛의 속도가 일정하다는 것을 전제로 하였다. 따라서 특수 상대성 이론에서 빛의 속도로 이동하는 물체(광자)는 질량을 가질 수 없다. 한편 후에 발표된 일반 상대성 이론은 빛이 중력에 영향을 받는다는 사실이 핵심이다. 따라서 빛이 중력에 의해서 영향을 받음으로 광자가 질량을 가져야만 한다. 또 빛과 마찬가지로 시간 또한 중력에 영향을 받는다는 것이다. 따라서 중력에 의한 시간의 팽창이라는 말이 등장하게 된 것이다. 오늘날 천문물리에 전반적으로 이 상대성이론을 적용하고 있다.
[1] Einstein, A., The Principle of Relativity, Dover Publications, New York, 1952.
[2] Einstein, A., Relativity: The Special and Gernal Theory, 1920.

2 양자역학 (Quantum Mechanics)
고전 물리에서 입자와 파동은 별개로 취급한다. 그러나 현대 물리, 즉 양자역학에서 파동은 입자의 성질을 가지며, 또한 입자들은 파동의 속성을 가지는 파동-입자 또는 입자-파동으로 다룬다. 또 다른 점은 고전물리에서 에너지는 어떠한 값도 가질 수 있지만 양자역학에는 양자(Quantum)라 불리는 더 분할할 수 없는 단위 에너지 덩어리로 취급한다.

1913년 덴마크 물리학자 보어(1885-1962)는 양자역학의 가정을 사용해 수소 원자의 모델에 대하여 처음 저술한 후, 1920년에 이르러 양자역학의 원리들이 정리되어 하나의 체계적인 이론이 되었다. 오늘 날 물리학자들은 원자와 원자핵 등 기본 미립자들의 특성과 거동을 예측하는데 이를 적용하고 있음에도 아직 양자역학을 탐탁하게 여기지 않고 마지 못해 받아들이는 학자들이 있다. 왜 그럴까?

그 이유는 양자역학의 전제들이 옳지 않다고 보기 때문이다. 예를들어 양자들은 고유한 파동함수를 가져야 하며 그 파동함수를 알면 그 계에 대한 모든 정보를 알 수 있다는 가정 등 양자역학의 바탕이 되는 기본 가설들이 실제 물질계의 이치에 맞지 않기 때문이라는 것이다. 그러나 문제는 전자와 같이 매우 작은 입자들은 우리가 일상 경험하는 물질과 다르게 움직인다는 점이다. 따라서 통상적인 이해로 그들을 설명할 수 없기 때문에 전자와 같이 작은 미시계를 설명하는데 양자역학이 필요하다고 하겠다.

양자역학이 가지는 또 다른 문제는 불확정성(uncertainty)이다. 고전물리에서 특정한 시간에 입자들의 위치와 속도를 알면 또 다른 시간에 그들의 위치를 예측할 수 있다. 그러나 양자역학에서는 입자들의 위치와 속도를 완전히 알고 있을지라도 미래의 위치와 속도를 예측할 수 없다. 이 불확정성은 단지 중요한 정보가 없기 때문이 아니라 현재 모든 정보를 알고 있지만 장래의 결과를 확정적으로 계산할 수 없기 때문이다.[3-4]
앞에서 현대 물리의 두 기둥인 상대성 이론과 양자역학에 대하여 간단히 기술하였지만 모두 일상적인 삶에서 경험할 수 없는 특수한 케이스에 적용되는 이론들이다. 그리고 아직까지 완전히 확인되지 않은 불완전한 이론들임을 주목해야 한다.
[3] Chester, M., Primer of Quantum Mechanics, John Wiley, 1987.
[4] Ghirardi, G., Sneaking a Look at God’s Cards, Gerald Malsbary, Trans. Pricenton Univ Press, 2004

Author: 이동용