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Date 16/09/22 09:47:35
Name   Event Horizon
Link #1   http://redtea.kr/?b=3&n=3714
Subject   양자역학 의식의 흐름: 월급 D 루팡
지난 글을 (https://redtea.kr/?b=3&n=3714) 쓴지 일주일도 안되어서 다시 공부하기가 싫어진김에 2부를 쓰려고합니다... 이번에도 제 현실도피에 참여해주셔서 감사합니다.


그런데 지난 글을 돌아보니, 양자역학이 무엇인지 이야기를 하지 않았더라구요. 그래서 뒤늦게나마 지금 몇마디해보려고합니다. 

양자역학의 가장 기본적인 원리는 "에너지는 연속성을 지니지 않고 유한하다"는 겁니다. 기존에 우리가 에너지를 생각하는건 숫자마냥 연속성이있습니다. 에너지의 가장 보편적인 예를들어 온도에 대해서 생각해보죠. 20도와 30도 사이에 가능한 온도가 몇가지나있을까요? 그 사이에 숫자가 무한히 많은만큼 온도도 무한히 많다고 생각하는게 기존물리학입니다. 하지만 양자역학은 사실 자세히 따져보면 저사이에 가능한 온도의 숫자에는 한계가 존재한다라고 말합니다. 20.0000001도와 20.0000002도 사이에 20.00000005도 이렇게 나누다보면 어느 순간엔가는 온도를 나눌수가 없는 지점이 온다는것이죠. "이제 더 나눌수 없음" 이라는 단순한 명제 하나 때문에 양자역학의 그 요상한 예측들이 나오는거죠.

우리의 퍼스트 어벤져 플랑크가 1900년 플랑크 수식을 발표하면서 물리계는 큰 쾌거를 이루었었죠. (자칭) 19세기말 물리학 최고의 난제 중 하나가 풀렸으니까요!

근데 역시 자칭의 한계인지, 1900년 당시 물리학계는 또 다른 난제와 씨름하고있었습니다, 바로 '빛'에 관한 문제였는데요, 이 문제를 이해하기 위해서는 잠시 17세기로 돌아가야합니다. 
17세기 당시에는 인류 역사상 최고, 현재와서는 인류 역사상 두번째로 위대한 과학자(지극히 주관적인 순위입니다), 아이작 뉴턴은 빛이 corpuscle이라는 입자로 이루어져있다고 주장을하였습니다. 그리고 이는 동시대에 활약했던 크리스티안 호이겐스의 파동 이론과 대립을 이루었었죠. 하지만 이미 당대에 최고의 학자로 평가를 받던 뉴턴의 입자설이 유럽학계를 약 100여년간 지배합니다. 하지만 뉴턴의 입자설이 빛의 반사나 굴절 등을 제대로 설명하지 못한다는 것이 드러나면서 점점 파동설이 지지를 얻게되고, 1865년에 이르러서는 맥스웰이 그 유명한 맥스웰 방정식들을 정리하면서 빛의 파동설에 대한 이론적 토대가 완성됩니다. 지금와서 생각해보면 프리즘을 통해서 빛의 굴절을 최초로 체계적으로 연구했다고하는 뉴턴이 파동설을 믿지 않았다는게 신기하기도하네요...

어찌되었든 맥스웰의 방정식이라는 이론적 토대가 완성되자, 이를 실험적으로 증명하려는 시도가 이어지는데, 이중 유명했던게 헤르츠입니다. 우리가 현재 주파수를 재는 단위인 헤르츠(Hz)가 바로 이 사람의 이름을 딴 거죠.
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좌가 맥스웰, 우가 헤르츠입니다 (콧수염은 진리입니다). 그리고 여담이지만 맥스웰이 젊었을적 사진을 보니 미스터 다아시 뺨때리는 미남이네요... 여러모로 짜증유발하는 인물입니다.

헤르츠는 1880년대에 맥스웰의 이론을 증명하는 다양한 실험적 성과를 거두는데요, 그 중 1887년 한 실험이 물리학계를 결국엔 혼돈으로 이끌고갑니다. 바로 자외선에 쬐여진 금속판이 에너지를 (전자의 형태로) 더 쉽게 잃는다는 실험 결과였죠, 그리고 이는 '광전자효과'라는 이름을 받습니다. 사실 이 실험 자체로는 그렇게 큰문제가 되지 않았습니다, 맥스웰의 방정식에 따르면 이는 단순히 빛의 에너지가 금속판에게 전달되면서 생기는것이였으니까요. 하지만 이 실험은 한가지 질문을 유도해냅니다 "그러면 더 많은 빛 에너지를 금속에 전하기 위해서 빛의 광도를 올려야하나? 아니면 주파수를 바꿔야하나?"라는 질문이죠. 그리고 이 질문을 대답해내기 위한 실험은 무려 15년이나 지난 1902년 필립 레너드라는 인물에 의해서 겨우 제대로 시도됩니다.

하지만 이 이야기의 모든 실험들이 그렇듯이 레너드의 실험 결과는 답보다는 더 큰 질문을 남깁니다. 답이 "둘다... 이긴함"이였기 때문이죠. 레너드는 금속판에서 이미 전자가 나오고있으면 일정 수준까지 광도가 높아질수록 더 많은 전자가 나온다는 것을 보입니다. 하지만 일정 주파수 이하의 빛에서는 아무리 광도를 높혀도 전자의 생산이 전혀 안된다는것을 발견하죠.


광전자효과 실험입니다. 좌측에서부터 빛을 프리즘을 통해서 원하는 주파수를 선택한 이후에 금속에다가 쬐면 초록색;; 전자들이 튀어나오는거죠.

그리고 이 시점에 우리는 다시 잠시 1900년으로 돌아가서 이번화의 주인공에게 돌아가야합니다.

1900년 플랑크의 공식이 발표되었을때 우리의 주인공은 취준생이였습니다. 독일태생이였지만 군대 가기가 싫어서 일찍이 독일국적을 포기하고 스위스에서 학교를 우수한 성적으로 졸업했지만 대학강단에 서고 싶었던 그를 스위스의 대학들은 자격미달이라 판단했던거죠. 그래서 1901년말 취직할때까지 거의 2년을 스트레스를 팍팍 받으며 머리를 쥐어뜯던 그런 상황이였죠. 고생고생해서 취직을 했는데, 직장에 나가서는 하는짓이 월급루팡짓이였습니다. 흔히 전해지는 기록이 책상에 앉아서 망상했다는 것이니까요.

서당개도 3년이면 풍월을 읊는다고 했던가요, 3년여간 아름다운 알프스 산맥에서 커피 마시면서 노닥거리던 이 월급루팡이 뭔 바람이 들었는지 1905년에 <빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대하여>라는 논문을 발표합니다. 그리고 이 논문에서 감히 헤르츠, 레너드 등이 보았던 문제에 대한 해결법을 제시합니다. 그리고 그 해결법을 위해서 우리가 1부에서 보았던 1900년 플랑크의 연구를 인용합니다.

그 논문의 중요한 부분을 제가 의역을 해보자면...
"(플랑크의 1900년 눈문에서) 사용된 전제조건들을 고려해본다면 빛이 하나의 점에서 퍼져나갈때 빛의 에너지는 점차적인 공간사이에 연속적이지 않습니다, 오히려 공간에 독립적으로 존재하는 유한한 '에너지 양자'로서 존재합니다. 이 '빛의 양자'들은 나누어질수 없고, 그 '양자' 단위로만 생산되거나 흡수될수있습니다." 그리고 이 빛의 양자의 이 유한한 에너지는 플랑크가 제시했던 E=hv라는 수식을 따른다고 주장합니다. 빛의 입자의 에너지는 그 빛의 주파수 (v)의 배수로 정의된다는 것이죠.

이게 뭔말이냐고요? 지난 50여년간 맥스웰과 헤르츠 등이 빛이 파동의 성질을 띄고있음을 증명하다가 광전자효과로 인해서 그 이론이 막혀있던 순간에 200년 전에 뉴턴이 주장했던 빛의 입자설을 부활시키면서 동시에 양자역학을 낳습니다. "빛과 빛의 에너지가 연속성을 띄지않는 유한하고 개별적인 입자의 특성을 지니고있으면 이 문제가 해결된다." 광자효과를 설명해내기 위해서 빛의 에너지가 연속성을 띄지 않는 다는 가정을 해야만하고, 그 가정은 직접적으로 빛에 대한 양자역학적인 이해를 요구하게되는 발언인겁니다.

하지만 이 이론이 완전히 인정 받기에는 시간이 조금 걸립니다. 첫 실험으로 증명되기까지는 9년이 걸려, 1914년 밀리컨이 실험으로 증명을하고, 또 7년이 지나서 1921년이 되서야 "이론물리학에 대한 공로"를 인정 받아서 노벨상을 수상합니다.

이쯤되면 우리의 월급루팡이 누군지 많이들 눈치채셧을거라고 생각합니다. 20세기를 대표하는 콧수염 두손가락 안에 들어가는 인류 역사상 최고의 과학자 (주관이라 쓰고 객관이라 읽습니다),
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알버트 아인슈타인이죠

아인슈타인이 양자역학에 대해서 비판적이고 불신했다는 이야기가 흔히 전해지는데, 제가 찾아본바로는 그건 너무 단순한 평가라고 생각합니다. 이 글에서 보았듯이 아인슈타인의 광자효과에 대한 이해가 바로 양자역학의 시작이였습니다. 그리고 그 이후 양자역학의 중요한 이해와 발전과정에 아인슈타인은 깊게 발을 담고있습니다. 아인슈타인의 "신은 주사위를 던지지 않어!"라는 발언 때문에 그러한 이미지가 생긴것 같은데, 이 시리즈의 후반부에 가서 꼭 한번 다루려고하는 문제입니다.

스위스 특허청에서 띵까띵까대던 아인슈타인은 월급루팡의 면모를 잘 보여주는데요. 왜 D의 의지를 지닌 사람이라고했는지도 설명을 드려야겠죠.

광자효과에 대한 이론은 아인슈타인이 1905년 발표한 5개의 논문중 한편에 지나지 않습니다...
그리고 이 5개의 논문은 하나하나 모두 물리계에 지각변동을 가져온 논문들입니다.

1. 브라운 운동에 관한 논문이였습니다. 브라운 운동을 설명하는건 랜덤한 현상에 대한 통계학적 이해를 돕기 위한 아주 기초적이지만 중요한 이론이죠. 원래 아인슈타인의 첫 논문들이 모세관작용과 거기서 얻을수있는 통계역학적인 이해에 관한 것들이였으니 액체속에서 랜덤하게 움직이는 것들에 대한 이해인 브라운 운동이 다음 주제로서 자연스러운 것이였던거죠.
2. 양자역학의 시작을 알린 언급한 광자효과 논문.
3. 또 다시 브라운 운동에 관한 논문이였습니다.  그리고 첫 논문과 연결 지어서 '원자론'에 대한 첫 실험적 증명을해내고 현대 통계물리학의 장을 구축합니다.
4. 맥스웰의 방정식을 빛의 속도에 근접한 한계점에 대한 논의를 추가시키면서 완성 시킵니다. 더 유명한 이름은 "특수상대성이론"입니다.
5. 인류 역사상 가장 유명한 수식인 E=mc^2 나온 논문입니다. 핵에너지의 토대가 되죠.

단 7개월간 발표한 5개의 논문들 하나하나가 현대물리학에서 아직까지도 중추적인 역할을하는 이론들이였던거죠. 100년전의 아인슈타인이 현대물리학에 얼마나 큰영향을 끼치고있냐고요? 이제 10월 첫재주 쯔음이면 노벨상들이 발표가될겁니다. 2016년 노벨 물리학상은 99.999% 중력파를 발견한 LIGO팀에게 돌아갈텐데요. 이 중력파 실험도 아인슈타인의 이론의 실험적 증명입니다. 

골 D 로저가 세상의 모든 보화를 그곳에 숨겨두었다는 말한마디로 대해적시대를 열었지만, 아인슈타인은 우주 전체의 비밀을 그의 이론들 속에 숨겨두고 현대과학을 열은거죠. (아인슈타인은 미들네임이 없다고 합니다, 이참에 알버트 D 아인슈타인으로...)


아인슈타인의 교훈이라면 인생은 한방 아인슈타인도 3년이나 월급루팡하다가 세계를 바꾸었으니, 맘에 안드는 직원이있어도 3년을 인내를하면 우리나라에서도 노벨상이 나올수있다는... 사실 만21살에 이미 당시 교육과정 다 끝낸 천재였던건 비밀... 될놈될...

매번 쓸때마다 느끼는데 생각했던것보다 훨씬 긴 글이 되네요. 다음글의 시작은 제가 아는한 양자역학계의 금수저 오브 금수저에 대한 이야기로 시작을 해보려고합니다. 읽어주셔서 감사합니다.



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  • 월급루팡 대선배님은 츄쳔
  • 노답... 반성하시길 ^^
  • 홍차넷 월도들도 이렇게 3년간 도둑질을 하다보면 언젠가..
  • 이렇게 상식같지않은 상식이 늘어납니다. 감사해요.


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