원자는 관찰하면 움직이지 않는다

김제완의 새로운 과학(16) 햄릿효과

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인류 역사상 가장 이해하기 어려운 물리학이론은 아마“양자론”이라고 해도 이를 반대하는 물리학자는 없을 것이다.

물리학을 가장 잘 이해하는 사람 중의 한 사람인 리차드 파인만 교수는 자기의 여자 친구 마우트너(G.Mautner)를 기념하는 강좌에서 이렇게 말했다. ‘나는 그 어느 누구도 양자 역학을 이해하는 사람은 없다 라고 자신 있게 말할 수 있다.’

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20세기 과학 가운데 가장 놀라운 발전은 양자론(Quantum Theory)의 탄생이라 해도 과언은 아닐 것이다. 양자론은 반도체의 기반일 뿐만 아니라 신약 그리고 비료에 이르기까지 20세기의 모든 산업 분야에 영향을 미쳤다. 양자론은 20세기 산업의 모체라고 할 수 있다.

양자론은 원자와 같은 작은 미시의 세계에서 통용되는 물리 법칙이다. 양자론에 의하면 하나의 전자가 두 곳에 동시에 존재할 수 있으면 동떨어진 곳에 잇는 물체를 접촉하지도 않고 움직일 수도 있는 마치 “텔레파시”같은 현상도 가능하다는 것을 주장하고 있다. 전자 같은 미시의 물체는 보지 않을 때는 파동처럼 존재하지만 관측을 하면 입자로 보인다는 상식을 벗어난 주장을 하고 있다.

보불전쟁에서 승리한 독일은 석탄과 철강이 풍부한 아르사스-로렌스 지방을 프랑스로부터 양도 받게 된다. 독일 정부는 좋은 철강을 생산하는데 과학적 방법을 도입하여야 한다는 결정을 내린다. 그때까지는 철강의 질을 숙련공이 용광로의 불 빛깔로서 가늠하는 온도에 따라 판단했다.

정부의 연구비를 받은 막스 프랑크 교수(Max Planck)는 용광로가 내는 불빛의 색깔과 온도를 나타내는 공식을 유도하려고 온갖 노력을 다했지만 실패를 거듭했다. 빛은 전기와 자기의 파동이고 그 파동의 진동수는 연속적이라고 믿고 있었다. 실패를 거듭한 끝에 거의 포기 생태에 빠진 프랑크 교수는 빛이 연속적인 파동이 아니라 빛은 입자이며 전체 에너지는 연속적이 아니라 빛의 입자의 에너지와 빛의 입자의 숫자에 비례한다는 가정을 하여 계산하니 맞는 공식을 얻을 수 있었다.

이렇게 20세기의 과학은 마치 어린 학생이 정답을 얻기 위하여 이런 저런 방법을 쓰다가 소가 뒷걸음 치다가 쥐를 잡는 격에 해당된다.

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빛의 원자에 해당하는 작은 알갱이, 광양자(光量子:photon) 가설을 현실로 만든 것은 저 유명한 아인슈타인이었다. 광전효과라는 현상이 있다. 금속에다 빛을 쬐이면 전자가 튀어나오는 현상을 말한다.

예를 들어서 보라색 빛을 금속에 쬐이면 전자가 튀어 나온다. 튀어나오는 각 전자의 에너지는 일정하다. 보라색 빛을 더 강하게 쬐이면 튀어나오는 개개의 전자의 에너지는 전과 같지만 더 많은 숫자의 전자가 나오고 약한 보라색 빛을 쬐이면 전자 하나 하나의 에너지의 강한 보라색 빛과 같지만 더 적은 수의 전자가 튕겨 나오는 것이 실험으로 알려져 있다.

다시 말해서 빛의 강약은 튀어나오는 전자의 숫자를 좌우하지만 전자 하나 하나의 에너지는 빛의 색에만 관계한다. 이는 빛이 알갱이라면 잘 설명이 된다. 강한 빛이란 빛의 원자인 광양자의 숫자가 많다는 이야기이고 빛의 색깔은 광양자의 에너지를 정하므로 색깔만 같으면 광양자 하나 하나의 에너지는 같고 이 에너지를 전자에 주기 때문에 튀어나오는 전자의 에너지는 색깔에만 의존한다. 튀어나오는 전자의 에너지는 금속 경계를 뚫고 나오기 때문에 광량지의 에너지의 일부를 소비하기 때문에 적다.

만약에 빛이 파동이라면 빛의 에너지는 그 파동의 진폭에(파동의 높이)비례한다. 따라서 강한 보라색 빛은 진폭이 크므로 금속 속의 전자를 더 강하게 흔들어서 튀어나오게 하므로서 전자의 에너지는 빛의 강약에 비례해야 한다. 그런데 보라색 빛은 강하든 약하든 튀어나오는 전자의 에너지는 일정하다는 것과 모순된다. 따라서 빛은 입자이며 이를 주장한 아인슈타인은 이 공로로서 노벨상을 받게 된다.

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이렇게 상상을 초월하는 미시의 세계에서 일어나는 현상 가운데 ‘햄릿(Hamlit)효과’가 근래에 실험적으로 확인되었다. 우리나라의 속담에도 ‘지켜보는 주전자의 물은 끓지 않는 것으로 느껴진다.’라는 말이 있다. 햄릿효과란 미시의 세계에서는 관측을 계속하면 그 상태가 지속된다는 효과를 말한다.

지난해 피지칼 리뷰 레터(Physical Review Letter) 10월 2일자에 코넬대학의 초저온 연구실에서 무쿤드 벤가라토레(Mukund Vengalattore) 조교수가 인도하는 실험이 실렸다.76543

그들은 루비듐(Rubidium) 원자를 절대온도 0.000000001도 즉 -272.999999999도까지 냉각한 상태에서 실험을 실시했다. 그들은 약 10억개의 루비듐 원자를 두 레이저 광선 사이에 저장했다. 그냥 관측하지 않고 두면 두 레이저 중에 갇힌 루비듐 원자는 밑에 층으로 새어 내려간다. 그런데 그들이 레이저층 사이에 있는 루비듐 원자를 계속해서 관측하니 원자들이 새어 내려가지 않는다는 것을 실험적으로 확증했다.

우리나라 속담에 ‘불 위에 얹은 물 주전자를 계속 지켜보면 끓지 않는다’는 말로 표현되기도 한다. 즉 계속 관측하면 변화가 일어날 수 없는 현상을 물리학에서는 양자 햄릿 현상(Quantum Hamlit Effect)이라고 한다. 또 한번 이상한 양자론의 세계를 관측한 것이 되겠다.

언제나 그러하듯이 과학자들 보다 문학을 하는 사람들이 더 멋있는 말을 남긴다. 노벨 문학상을 받은 ‘보리스 파스테드낙크’의 표현을 인용하면서 이 글을 마치겠다.

소음이 멈췄다.

나는 천천히 무대로 나와 문에 기대 멀리서 오는 메아리 속에 내 삶의 벽장에 준비 된 것에 대해서 알려고 해본다. 하지만 행동의 순서가 정해져 있고 그 길의 끝도 막아 놓을 수 없다. 나는 온통 위선에 뒤덮혀 있다. 인생을 산다는 것은 벌판을 건너는 것과는 다르다.

과학자들의 딱딱한 설명보다 더 고개를 숙이게 만든다.