“어떻게 죽음과 살아있음이 공존하는 슈뢰딩거 고양이 사고실험을 고안할 수 있었는지 에르빈 슈뢰딩거의 창의력이 궁금했어요.” 서울 정덕초등학교 4학년 구민준 학생의 이 호기심 어린 질문은 과학적 탐구의 출발점이었다. 인공지능 탐구활동 솔루션 ‘과학동아AiR’를 만나면서, 그의 질문은 깊이 있는 탐구로 발전했다. 슈뢰딩거에 빠진 초등학생, ‘신뢰할 수 있는 정보’를 만나다 구민준 학생은 서울 성북강북영재교육원에 재원 중으로, 최근 수리과학자에 대해 조사하고 발표하는 과제를 수행했다. 그는 양자역학의 기본 이론을 확립한 물리학자 에르빈 슈뢰딩거를 주제로 선택했다. 흥미의 출발점은 도서관에서 읽은 ‘초등학생을 위한 양자역학 시리즈(어린이과학동아 편집부 기획)’였다. “그때부터 슈뢰딩거라는 과학자에게 호기심이 생겼어요.” 이번 과제에서는 과학동아AiR의 튜터 기능을 활용했다. 과학동아AiR(과학동아에어)는 동아사이언스가 개발한 과학 교육용 인공지능으로, 검증된 과학 콘텐츠를 바탕으로 학생의 질문에 맞춤형 답변을 제공하는 탐구활동 AI 솔루션이다. “슈뢰딩거의 생애와 업적이 잘 정리된 답변이 나왔고, 출처로 제시된 ‘어린이과학동아’ 2025년 3월 15일자 기사 ‘양자역학 100주년 양자캣의 마술쇼’를 읽으면서 양자역학에 대한 이해가 더 깊어 졌어요.” 영화도 탐구의 계기가 됐다. 영화 ‘엘리오’를 보고 등장한 ‘골든 디스크’가 실존하는지 궁금해져 과학동아AiR에 물어봤고, 1977년 발사된 보이저 1호와 2호에 실린 실제 디스크라는 사실을 알게 됐다. 무엇보다 구민준 학생은 과학동아AiR의 정보 신뢰성을 높게 평가한다. “검색 사이트에서 기본으로 제공되는 인공지능의 답변은 블로그나 뉴스가 뒤섞여 있어서 믿기 어려워요. 하지만 과학동아AiR는 ‘어린이과학동아’나 ‘과학동아’의 기사를 기반으로 알려주니까 신뢰할 수 있어요.” 꼬리를 무는 질문, 창의력의 원천이 되다 최우진 시흥은행중학교 1학년 학생은 발명 아이디어를 자주 떠올리는 것을 좋아한다. 최근에는 ‘던지기만 해도 불을 끌 수 있는 방법’을 고민하다가 생각해낸 ‘소방 수류탄’ 아이디어로 교내 발명아이디어대회에서 3등을 차지했다. 비록 이 대회를 준비할 때 과학동아AiR를 직접 활용한 것은 아니지만, 그는 과학동아AiR가 앞으로 발명 아이디어를 떠올리는 데 큰 도움이 될 것 같다고 말한다. “‘물은 왜 온도에 따라 부피가 변할까?’라는 질문을 시작으로 ‘얼음은 왜 물보다 가볍지?’, ‘다른 액체들도 얼면 다 뜨는 걸까?’ 같은 궁금증이 꼬리를 물었어요. 대화가 이어지니까 생각이 깊어 졌어요.” 그는 과학동아AiR를 “궁금한 걸 쉽게 물어보고 바로 답을 받을 수 있는 똑똑한 과학 친구”라고 소개했다. “발명 아이디어를 떠올릴 때 기초 개념을 확인하거나 비슷한 사례를 찾는 데 정말 도움이 될 것 같아요. 다음 발명대회에는 꼭 활용해보려고요.” 국제 청소년 저널 도전, 고등학생의 전문 연구를 돕다 이주안 덜위치칼리지서울영국학교 12학년 학생은 ‘사카린의 안전성’을 주제로 한 소논문을 국제 청소년 과학학술지 ‘Journal of High School Science’에 투고했다. 현재 이 논문은 학술지 편집자의 1차 검토를 통과해 이제 해당 분야의 전문가들이 내용을 자세히 심사하는 전문가 평가 단계(피어 리뷰)에 들어갔다. 다시 말해, 주제가 적절하고 기본적인 완성도가 인정되어 본격적인 학술적 검증을 받고 있는 상태다. 이 학생은 경제학, 공공정책, 심리학에 관심이 많고 소비심리학자를 꿈꾼다. “미국과 한국의 인공감미료 시장을 조사하다 보니 대부분 제품이 아스파탐이나 수크랄로스를 기반으로 만들어져 있었어요. 그런데 가장 오래된 인공 감미료인 사카린은 시장에서 거의 사라졌더라고요. 건강상의 이유인지, 정치적 또는 심리적 이유인지 궁금해서 연구를 시작했어요.” 과학동아AiR는 국내외 사례를 찾고, 다양한 관점을 비교·분석하는 데 큰 도움이 됐다. “출처가 명확한 기사 기반 정보를 통해 자료를 선별할 수 있었고, 특히 한국어로 된 과학 콘텐츠를 찾기 어려운 상황에서 유용했어요.” 이 학생은 “AI는 이제 선택이 아니라 필수”라며, “과학동아AiR뿐 아니라 다양한 AI를 활용해 연구의 질과 속도를 높일 수 있었고, 앞으로 AI 활용 능력이 중요한 경쟁력이 될 것”이라고 말했다. 과학적 탐구 역량, AI와 함께 키워 나가다 학생의 호기심에서 출발한 질문이 과학동아AiR를 통해 논문과 발명으로 이어지는 사례는, 과학 탐구 과정에서 AI가 적극적으로 활용될 수 있음을 보여준다. 하민수 서울대학교 생물교육과 교수는 “과학 탐구 과정에서 AI는 탐구를 도와주는 중요한 팀원이 될 수 있다”며, “AI는 단순한 정보 검색 도구를 넘어, 과학 탐구의 동료로서 기능할 수 있다”고 설명했다. 이어 “과학동아AiR의 가장 큰 가치와 장점은 검증된 과학 기사를 바탕으로 학생들에게 정보를 제공한다는 점”이라며, “과학에서 가장 중요한 것은 바로 신뢰”라고 덧붙였다. AI가 과학 교육에서 의미 있는 역할을 하려면, 그 중심에는 양질의 정보와 사고를 이끄는 설계가 뒷받침되어야 한다. 과학동아AiR는 AI의 편리함에 과학 콘텐츠의 신뢰성을 더해, 학생이 스스로 질문하고 탐구하는 힘을 기를 수 있도록 돕는 과학 교육 도구다.

‘양자역학’이라고 하면 많은 사람이 ‘양자컴퓨터’, ‘양자통신 기술’을 떠올리는 것이 고작이다. 좀더 관심이 있더라도 뚜껑을 열어 보기 전에는 죽었는지 살았는지 알 수 없다는 아리송한 개념인 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 정도가 한계다. 올해는 양자역학 탄생 100주년을 기념하기 위해 유엔이 지정한 ‘세계 양자과학기술의 해’다. 100년 전에 도대체 무슨 일이 있었던 것일까. 1925년 7월 29일 24세의 젊은 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크는 ‘독일 물리학 회보’에 “운동역학 및 기계적 관계에 대한 양자 이론적 재해석에 관하여”라는 제목의 논문을 투고했다. 하이젠베르크는 이 논문에서 그동안 선배 물리학자들이 골머리를 앓던 문제를 행렬로 쉽게 해결할 수 있는 ‘행렬역학’을 고안해 냈고 양자역학을 수학적으로 풀어낼 수 있게 됐다. 같은 해 또 다른 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학으로 물질의 상태를 설명할 수 있는 파동함수를 발표했다. 1905년이 상대성이론에서 기적의 해였다면, 양자역학에서는 1925년이 그런 해였다. 이후 많은 연구 성과가 쌓이면서 양자역학을 토대로 한 다양한 기술이 나왔고 양자컴퓨터와 양자통신 기술도 눈앞으로 다가왔다. 양자역학에 대해 일반인도 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 책들이 잇따라 출간돼 관심을 끌고 있다. ‘우리집 강아지에게 양자역학 가르치기‘(21세기북스)는 ‘나의 첫 양자 수업’이라는 부제처럼 복잡하고 난해하게만 느껴지는 양자물리학 개념을 저자가 반려견 에미와 대화하는 방식으로 쉽고 재미있게 풀어낸다. 드라마와 영화 등 대중문화에서도 자주 언급되지만 실제로는 이해하기 어려운 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’은 물론 파동-입자 이중성, 불확정성 원리, 양자 얽힘, 터널효과 등 양자역학의 주요 개념들을 일상적 비유와 유머로 풀어내 과학이라면 눈살을 찌푸리는 이들조차도 부담 없이 읽을 수 있다. ‘측정이 현실을 결정한다’는 ‘코펜하겐 해석’을 반려견 간식 숨기기 게임으로 풀어내고, 양자 터널링 현상은 ‘땅을 파고들어 갈 필요 없이 뼈 찾기’로 설명하는 식이다. ‘이게 다 양자역학 때문이야’(문학수첩)는 양자역학을 해석하는 정론으로 자리잡은 코펜하겐 해석에 도전해 또 다른 방식으로 양자역학을 이해하려는 다양한 시도를 소개하고 있다. 하이젠베르크가 만든 행렬역학이라는 양자역학의 수학적 체계가 발표된 이후 “관측하는 순간 파동함수는 붕괴한다”는 닐스 보어의 붕괴이론은 양자역학의 거의 유일하고 완벽한 해석으로 자리잡았다. 이후 다른 방식으로 해석하려는 시도들은 모두 배척됐다. 양자역학의 기존 해석에 의문을 던지면 “닥치고 계산이나 하라”는 답이 돌아오기 마련이라는 것이다. 다른 양자역학 관련 대중서에서 흔히 볼 수 있는 뻔하지만 어려운 내용들이 아닌, 다양한 방법으로 양자역학을 해석하려는 다소 황당하기까지 한 과학자들의 시도를 보면서 양자역학에 대해 좀더 친근함을 느끼게 된다.

‘탄생 100주년’ 양자역학 돌아보기핵무기·컴퓨터 개발 과정 흥미진진 양자역학의 개념을 설명할 때 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유를 들곤 한다. 창문 없는 상자에 들어 있는 이 고양이는 방사성물질이 깨지면 독극물에 중독돼 죽을 수도 있지만 현재는 살아 있는, ‘살아 있지도 죽어 있지도 않은’ 상태에 있다. 입자가 중첩 상태로 존재하면서 서로 반대되는 두 가지 특징을 동시에 지닐 수 있다는 양자역학의 핵심을 설명한다. 오스트리아 출신 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학을 무너뜨리려고 생각해 낸 이야기가 이 분야를 대표하는 사례가 됐으니 그야말로 아이러니가 아닐 수 없다. 매사추세츠공대(MIT) 물리학과 교수이자 과학사 교수인 저자가 양자역학 탄생 100주년을 맞아 지난 한 세기를 돌아본다. 원자, 분자, 전자 등 물질의 기본단위에 대한 역학인 양자역학이 어디에서 왔고, 무엇인지, 어떻게 나아가고 있는지를 재미있게 소개한다. 책은 양자역학에 반대했던 알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론과 하이젠베르크 행렬역학, 폴 디랙의 반물질 등 물리학이 맹렬한 속도로 현대화한 20세기 초부터 시작해 거인 과학자들의 발자취를 차례로 따라간다. 영화 ‘오펜하이머’(2023)로도 우리에게 익숙한 ‘맨해튼 프로젝트’와 히로시마 원자폭탄 투하를 비롯해 제2차 세계대전 이후 핵무기 연구 중 컴퓨터를 개발하고 발전시킨 과정, 냉전 당시 물리학자들의 사정 등이 흥미진진하다.

양자역학은 상대성 이론과 함께 현대 물리학의 한 축을 이루고 있다. 물론 일반인의 상식으로는 이해하기 쉽지 않다. 그런데, 양자역학하면 많은 사람이 떠올리는 것은 ‘슈뢰딩거의 고양이’다. 상자 안에 방사성 물질이 담긴 유리관과 고양이, 가이거 계수기와 망치가 연결된 장치가 있다. 계수기가 방사선을 감지하면 망치가 병을 깨뜨려 방사능이 유출된다. 그런데, 이 상자를 열기 전까지는 고양이가 살아있는지, 죽어있는지 알 수 없기 때문에 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 공존한다는 것이다. 슈뢰딩거가 양자 중첩 상태를 비판하기 위해 만든 사고실험이지만 이는 양자역학을 가장 잘 설명하는 예가 됐다. 갈릴레오의 지동설과 아인슈타인의 상대성 이론처럼 과학의 진보에는 늘 과학자들의 자유로운 사고 실험이 있었다. 빛의 속도로 움직이는 열차, 진공 속의 포탄 등 사고 실험은 상상력과 창의력을 바탕으로 한다. 이런 차원에서 교양 과학 계간지 ‘한국 스켑틱’ 가을호(39호)는 ‘상상이 세상을 바꾸다’라는 커버스토리를 싣고, 과학자들의 상상력이 어떻게 세상을 바꿔왔는지를 보여주면서 인공지능(AI) 시대에 인간 지능의 핵심은 ‘창의성’임을 강조했다. 국내 대표적인 과학기술학자인 홍성욱 서울대 과학학과 교수는 ‘SF는 사고실험이다’라는 글에서 “과거 공상과학이라고 불렸던 SF는 읽고 보는 이들에게 과학에서 사고 실험과 비슷한 과정을 경험하게 한다”면서 최근 SF 붐에 대해 긍정적 평가를 했다. SF의 역할은 새로운 가능성과 위험이 가득한 낯선 세상을 상상하게 하고, 그 속에서 어떤 선택을 할 수 있을지 생각하게 하는 데 있다. 이는 과학에서 실제 실험 대신 가상적 상황을 상상해서 실험을 수행하는 사고실험 과정과 같다고 홍 교수는 지적한다. 사고실험은 반사실적 요소를 통해 상상의 범위를 넓히고, 세상이 다를 수 있다는 결론을 끌어내는 속성을 가지고 있어 과학뿐만 아니라 철학적 논증과 문학에서도 활용된다. 홍 교수는 그 사례로 19세기 작가 조지 엘리엇의 ‘미들마치’와 조너선 스위프트의 ‘걸리버 여행기’를 들고 있다. 미들마치는 ‘이혼이 허락되지 않는 사회에서 여성의 삶이란 무엇인가’라는 사고실험으로, 걸리버 여행기 중 죽지 않는 스트럴드브러그가 등장하는 장면은 늙은 몸과 마음을 갖고 끝없이 사는 것이 진정한 행복인가라는 생각을 하게 만든다는 것이다. 그렇지만 사고실험을 장르 그 자체로 하는 것은 SF다. SF의 시작이라 불리는 메리 셜리의 ‘프랑켄슈타인’은 물론 리들리 스콧 감독이 만든 ‘블레이드 러너’의 원작인 필립 K. 딕의 SF ‘안드로이드는 전기양의 꿈을 꾸는가’, 워쇼스키 형제의 SF 영화 ‘매트릭스’, 앤드루 니콜 감독의 ‘가타카’를 비롯해, 올 상반기에 인기를 끈 류츠신의 ‘삼체’ 시리즈는 기술의 발달로 인해 인류가 맞닥뜨린 수많은 문제를 생각게 만든다. 홍 교수는 “더 많은 사람이 사고실험에 참여하고 그 과정과 결과가 새로운 기술의 위험과 불확실성을 관리하는 참여적 거버넌스에 반영된다면, SF는 미래를 예언하는 것을 넘어 더 안전하고 인간적인 방향으로 미래를 만들어 나갈 것”이라고 강조했다.

우주는 우리의 모든 상상을 초월할 정도로 광대하다. 수조 개의 은하는 각각 수천억 개의 별을 포함하며, 온 우주의 별 수는 지구상의 모래알보다 약 10배나 많다. 현재까지 밝혀진 우주의 크기는 약 940억 광년에 이르는데, 인간의 척도로 볼 때 이는 거의 무한대라 할 수 있는 크기다. 그런데 이처럼 광대한 우리 우주 외에도 다른 우주들이 존재한다고 주장하는 사람들이 있다. 그런 우주를 다중우주라 하며, 그런 주장을 다중우주 해석이라 한다. 그들의 주장에 따르면, 다른 우주가 존재하지만 우리 우주와는 아무런 인과관계가 없으며, 관측이나 소통도 전혀 불가능하다고 한다. 여기서 말하는 다중우주는 일반적으로 여러 개의 우주가 있다는 이론이고, 평행우주는 동일한 차원의 우주만을 의미한다. 얼핏 생각하면 참 황당한 소리로 들리기도 하는데, 우리 우주와 그런 우주들을 통틀어 일컫는 용어조차 아직 제대로 없다. ‘우리 우주에는 다른 우주들도 있다’는 말 자체가 모순이니까, 일단 모든 우주를 아우르는 말로 ‘초우주’라 하기로 하자. 다중우주의 모태는 ‘인플레이션’ 약 138억 년 전, 무한대의 밀도를 가진 특이점이 폭발함으로써 우주가 탄생했다고 빅뱅이론은 주장한다. 이 빅뱅이론에 따르면 1초의 아주 짧은 시간 동안 모든 방향에서 빛의 속도보다 빠르게 우주가 팽창했다. 10^-32초가 지나기 전에 우주는 원래 크기의 10^26배까지 팽창했는데, 이를 인플레이션 우주론 또는 급팽창 이론이라 한다. 1980년 미국의 이론 물리학자 앨런 구스가 최초로 제창했다.빅뱅에서 갓 태어난 우주는 급격한 인플레이션을 겪으면서 엄청난 규모로 팽창되어 현재는 거의 평탄한 우주가 되었다. 다중우주론은 이 앨런 구스의 인플레이션 이론을 바탕으로 한다. 인플레이션 과정에서 우주 안팎에 각각 다른 물리법칙들이 지배하는 새끼 우주들이 계속 생겨났다는 것이다. 그래서 아들 우주, 손자 우주라고 불린다. 인플레이션이 다중우주의 모태인 셈이다. 한편, 다중우주들은 서로 웜홀로 이어져 있다는 주장도 있다. 다중우주론자들은 우리 우주는 초우주의 일원일 뿐이며, 초우주를 구성하는 다른 우주들은 우리 우주에서 파생되어 나왔다고 보는 게 다중우주 해석이다. 이처럼 불가사의한 인플레이션과 빅뱅의 과정은 몇몇 연구자들에게 다중우주가 가능하다는 확신을 심어주었다. 다중우주론자들은 우주의 지평선 너머에 우리 우주와는 또 다른 우주가 밤하늘 별처럼 셀 수 없을 정도로 존재한다는 가설을 내놓고 있다. 그들은 우리 우주도 하나의 거품 형태로 존재한다고 보며, 그런 거품이 수도 없이 많다는 것이다. 그리고 각각의 우주는 따로 분리되어 있기는 하지만 물리법칙은 엇비슷하다고 가정한다. 우리 우주는 터무니없이 다양한 속성을 갖고 있는 엄청나게 많은 우주 중의 하나에 불과하며, 우리가 살고 있는 특정 우주의 가장 기본적인 속성 중 일부는 그저 우주의 주사위를 무작위로 내던져서 나온 우연의 결과일 뿐이라는 것이 다중우주론의 핵심 개념이다. 최초로 다중우주 해석을 들고 나온 사람은 1957년 프리스턴 수학과 학생이었던 에버렛 휴였다. 그는 존 휠러를 지도교수로 하여 박사논문 주제로 이 해석을 다루었고, 그의 논문은 <현대 물리학 리뷰>에〈양자역학의 상대상태 공식화란 제목으로 게재되었다. 그러나 반응은 신통찮았다. 휴의 다중우주 해석에 따르면, 슈뢰딩거의 고양이는 코펜하겐 해석처럼 삶과 죽음(파동함수)이 중첩된 상태가 아니며, 상자의 뚜껑을 여는 순간 우주는 두 갈래로 갈라지고, 죽은 고양이와 산 고양이가 서로 다른 우주에 동시에 존재한다는 것이다. 두 상태 사이에 가중치를 둘 수는 없다고 주장한다. 따라서 일어날 가능성이 조금이라도 있는 사건(양자역학적 확률이 0이 아닌 사건)은 분리된 세계에서는 하나도 빠짐없이 ‘실현’된다고 본다. 곧, 그 사건이 발생하는 다른 우주가 반드시 존재한다는 것이다. 다세계 해석은 확률적으로 가능한 모든 세계를 인정한다. 따라서 이 논리에 따르면 자연스럽게 다중우주를 긍정할 수 있고, 그 가운데에서도 평행우주의 개념 또한 포함된다. 다세계 해석에 따르면, 다세계의 모든 존재들은 오직 자신이 속한 세계만을 인식한다. 그렇다면 결국 다세계 해석이 옳은 것이라 하더라도 그 존재를 실제로 확인하는 것은 원리적으로 불가능하다. 휴의 다세계 해석은 양자역학의 연구가 활발히 이루어지고 있을 무렵, 급팽창 이론과 끈 이론 등 여러 과학적 이론에 접목되어 큰 영향을 미쳤다. 나중에 대중적으로도 널리 알려지게 되었고, 물리학과 철학의 수많은 다세계 가설 중 하나로, 현재는 코펜하겐 해석과 함께 양자역학의 주류 해석들 가운데 하나로 자리잡고 있다.

인간의 오감 중 시각과 청각이 가장 많이 사용되는 것 같다. 방송매체도 이 둘에 의존하고 있다. 라디오 신호에 처음 음악이 실렸던 것이 1906년이고 1929년 영국 BBC에서 최초의 TV방송 송출을 한 뒤 청각과 시각매체가 우리의 삶 깊이 들어와 있다. 반면 후각, 미각을 전달해 주는 매체는 아직 없다. 후각을 전달하려면 일단 인공 코가 만들어져야 하고 이를 신호로 바꾼 후 다시 우리 코로 전달해야 하는데 라디오나 TV처럼 쉽게 될 것 같지는 않다. 인간은 390여개의 후각 수용체를 갖고 있어 다양한 냄새를 구분한다. 인간의 눈에 세 종류의 시각 수용체가 있는 것에 비해 훨씬 다양한 냄새를 구분할 수 있다는 것을 의미한다. 개는 800여개의 수용체 유전자를 가지고 있고 쥐나 소는 1100여개를 가지고 있다고 한다. 그럼 우리는 과연 어떻게 냄새를 구분할까.첫 번째는 특정 분자가 후각 수용체에 결합하면 수용체가 분자 구조를 읽어내 냄새를 구분한다는 것이다. 자물쇠가 맞는 열쇠에 의해서 열리는 것처럼 수용체에 잘 끼워지는 분자들을 선별한다는 이론이다. 그런데 그런 방식만으로는 후각의 실체를 완전히 설명하기가 어렵다. 청산가리라는 독약은 구수한 아몬드 향이 나는 것으로 알려져 있다. 그런데 아몬드 향을 내는 분자와 청산가리의 화학적 구조는 완전히 다르기 때문에 구조를 통해 냄새를 구분한다는 이론은 한계가 있다. 화학 구조를 읽어내는 또 다른 방법은 분자가 갖고 있는 고유진동수를 읽어내는 방식이다. 분자는 특정 주파수의 빛은 잘 흡수하고 화학자들은 그 주파수들을 분석함으로써 분자의 구조를 읽어낸다. 그러나 콧속에서 특정 주파수의 빛이 나오지도 않고 어두운 곳에서도 냄새를 맡을 수 있으니 이 방법도 아닌 것 같다. 그럼 어떤 방식이 또 있을까. 여기에 양자역학이 등장한다. 우리가 평소에 경험하는 세계에서는 장벽이 있으면 물체가 그 장벽을 통과할 수 없는데 분자, 원자 등 미시의 양자역학 세계에서는 물체가 장벽을 넘어갈 확률이 있다는 것이다. 테니스 공으로 벽치기 훈련을 하는데 갑자기 공이 벽을 뚫고 지나가는 것과 같은 현상이 일어난다는 것이다. 이런 현상을 양자터널 현상이라고 한다. 양자역학은 후각과 어떻게 연관이 될까. 후각 수용체에 냄새 분자가 들어올 때 수용체에서의 전자가 양자터널 현상을 일으키게 되는 것을 이용해 냄새 진동수를 구분하고 이를 통해 냄새를 구분한다는 학설이 최근 제시되고 이를 검증하는 실험들이 이뤄졌다. 어쩌면 우리는 위의 두 방식을 모두 이용하고 있는지 모르겠다. 열쇠와 같은 방식과 좀더 신비스러운 양자터널 현상을 같이 이용해서 세상의 온갖 냄새를 구분하는 것인지도 모르겠다. 시각을 이용한 미술이 있고 청각을 이용한 음악이 있다. 이런 예술들은 매우 객관적으로 전달할 방법이 있다. 그런데 후각을 객관화하기는 아직 어렵고 이를 누구에게나 명확하게 표현하는 것 또한 어렵다. 그렇지만 후각에 대해 정확히 이해하게 되면 후각도 정량화할 수 있을 것이고 미술학과, 음악학과처럼 후각학과가 21세기 후반에는 만들어질 수도 있을 것이다. 물론 이 학과에서는 양자역학과 화학구조식을 기본으로 가르쳐야 할 것이다. 양자역학 하면 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 많이 떠올린다. 앞으로는 양자역학에 더 적합한 동물은 쥐, 소, 개가 돼야 할지도 모르겠다. ‘우리는 아직도 많은 것을 모르고 있구나’란 생각이 드는 여름날이다.

‘슈뢰딩거의 고양이’를 산 채로 볼 수 있을 방법이 있을 수 있다는 새 연구가 발표되어 관심을 끌고 있다. 우주전문 사이트 스페이스닷컴의 10일(현지시간) 보도에 따르면, 지난달 1일 ‘물리학 뉴 저널’(New Journal of Physics)에 발표된 새 연구는 슈뢰딩거의 고양이의 생사가 결정되지 않은 상태에서 고양이를 엿볼 수 있는 방법을 설명하고 있다. 슈뢰딩거의 고양이는 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학 이론의 불완전함을 드러내기 위해서 고안한 사고실험에 나오는 가상의 고양이를 말한다. 슈뢰딩거는 자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다는 막스 보른의 주장을 반박하기 위해 이 사고실험을 고안해냈다. 사고실험의 내용은 다음과 같다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어 있고, 이 상자에는 청산가리가 들어있는 병이 방사능이 검출되는 가이거 계수기에 밸브로 연결되어 있다. 시간당 50% 확률로 붕괴하는 라듐 알파입자가 붕괴하여 방사능이 나오면 계수기가 검출하는 순간 연결된 망치가 내리쳐져 유리병을 깨고 청산가리를 방출하여 고양이가 죽게 설정돼 있다. 따라서 한 시간 뒤 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다. 양자역학에서는 이때 고양이는 죽은 상태와 산 상태가 ‘중첩’되어 있다고 보며, 상자를 여는 순간 확률이 붕괴되어 둘 중 하나의 상태로 결정된다는 것이다. 슈뢰딩거는 고양이에게 그런 상태에 있을 수 없기 때문에 양자역학의 확률 해석은 틀렸다고 주장한다. 새 연구는 아원자 입자의 신비한 행동을 설명하는 이 사고실험에서 불행한 가상의 고양이를 영구히 죽이지 않고도 상자 속을 들여다볼 수 있는 방법을 제안한 것으로, 이를 통해 물리학에서 가장 근본적인 역설 중 하나에 대한 과학자의 이해를 증진시킨다.아원자가 활동하는 미시세계와 다른 우리의 평범한 거시세계에서는 우리가 단지 물체를 바라보는 것만으로는 그것의 상태가 바뀌지는 않는 것처럼 보이지만, 대상을 충분히 확대하면 반드시 그렇지만은 않다. 일본 히로시마 대학 물리학과 홀거 F. 호프만 교수는 “보통 우리가 단지 보는 것만으로는 아무런 변화가 일어나지 않는다고 생각하지만, 보기 위해서는 빛이 있어야 하고 빛은 물체를 변화시킨다“고 전제한다. 하나의 광자(빛알)조차도 보고 있는 물체에 에너지를 전달하기 때문이다. 대표저자 호프만과 히로시마 대학교 학부생으로 연구에 참여한 카르틱 파테카는 슈뢰딩거의 고양이를 엿보기 위해 ‘대상을 변화시킴 없이 관측하는’ 기법에 대해 연구했다. 그들은 초기 상호작용(고양이를 바라 보는)과 판독 값(생존 또는 사망 여부를 구분)을 분리하는 수학적 프레임을 만들었다. 호프만은 "우리의 주요 동기는 양자 측정이 이루어지는 방식을 매우 주의 깊게 살펴보는 것이며, 핵심은 측정을 두 단계로 분리하는 것“이라고 밝혔다. 그렇게 함으로써 호프만과 파테카는 고양이의 상태에 대한 정보를 전혀 손실 없이 초기 상호작용에 관련된 모든 광자를 잡아내 고양이를 관측할 수 있다고 가정했다. 따라서 판독하기 전에 고양이의 상태(또한 고양이의 모습과 변화)에 대한 모든 정보를 계속 사용할 수 있다. 우리가 측정을 읽을 때만 정보가 손실된다. 호프만은 “흥미로운 점은 판독 프로세스가 두 가지 유형의 정보 중 하나를 선택하고 다른 정보를 완전히 삭제한다는 것”이라고 밝혔다. 슈뢰딩거의 고양이와 관련한 그들의 작업방법은 다음과 같다. 고양이가 여전히 상자 안에 있지만, 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 확인하기 위해 내부를 들여다보는 대신 상자 안에 사진을 찍을 수 있는 카메라를 설치한다. 사진이 촬영되면 카메라에는 두 종류의 정보가 담긴다. 사진을 찍은 결과로 고양이가 어떻게 변했는지(연구자들이 양자 태그라고 부르는 것)와 상호작용 후 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 여부다. 그 정보 중 어느 것도 아직 손실되지 않았다. 이미지를 ‘현상’하는 방법에 따라 하나 또는 다른 정보를 확보한다. 호프만은 동전 던지기를 생각해 보라고 한다. 동전이 던져졌는지 또는 던져진 동전이 앞면인지 뒷면인지 선택할 수 있다. 그러나 둘 다 알 수는 없다. 또한 퀀텀 시스템이 어떻게 변경되었는지 알고 그 변경사항을 되돌릴 수 있으면 초기 상태를 복원할 수 있다.(동전의 경우 다시 뒤집는 것) 호프만은 “시스템을 먼저 방해하지 않을 수 없지만 때로는 그렇게 하지 않을 수도 있다”고 말했다. 고양이의 경우, 그것은 사진을 찍는 것을 의미하지만, 고양이를 명확하게 볼 수 있도록 현상하는 대신, 고양이를 삶과 죽음의 중간 상태로 되돌릴 수 있는 방식으로 현상한다.　​ 결정적으로, 판독의 선택은 측정의 분해능과 그 측정방해를 교환하는 방식으로 이루어지는데, 이는 정확하게 등가이다. 해상도는 퀀텀 시스템에서 추출된 정보의 양을 나타내며 방해는 시스템의 불가역 변화의 정도를 나타낸다. 다시 말해, 고양이의 현재 상태에 대해 더 많이 알수록 상태는 불가역적으로 변화한다. 호프만 교수는 “놀라운 점은 측정을 방해하지 않는 능력이 측정하는 정보량과 직접 관련이 있다는 것”이라고 밝혔다. 이번 연구에 참여하지 않은 호주국립대학 물리학자 마이클 홀은 “이전 연구에서 양자 측정에서 분해능과 방해 사이의 교환을 지적했지만, 이 논문은 그 관계를 최초로 정량화한 이론”이라고 평가하면서 “내가 아는 한, 이전 연구는 분해능과 측정 교란에 관한 정확한 등가 관계를 밝혀내지 못했지만, 이 논문의 접근방식은 매우 깔끔하게 보인다“고 평가했다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　　

반감기가 1시간인 방사성 물질과 독가스가 들어 있는 상자 속에 있는 고양이는 1시간 뒤 살아있을까, 죽어있을까. 양자역학의 파동방정식을 만들어 낸 물리학자 슈뢰딩거가 고안한 사고 실험인 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자역학의 불확실성을 보여주는 대표적인 사례이다. 양자역학에 따르면 우리 눈에 보이지 않는 물질인 원자, 분자, 양자 등이 존재하는 미시세계에서는 관측하는 행위가 측정 대상에 영향을 미친다. 이 때문에 정밀한 실험을 할 때는 문제가 될 수 있다. 그런데 한-미 공동연구진이 이런 양자역학적 딜레마를 극복하고 단일 원자의 정확한 사진을 촬영할 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다. 미국 IBM 알마덴연구센터, 한국 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단, 이화여대 물리학과, 영국 옥스포드대 물리학과 공동연구팀은 양자역학 원리를 이용한 주사터널링현미경(STM)을 이용해 개별 원자의 전자기적 상태를 측정하고 제어하는 실험에 성공하고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 25일자에 발표했다.연구팀은 산화마그네슘(MgO) 표면 위에 티타늄(Ti) 원자를 올려놓고 STM으로 관찰했다. 티타늄 원자는 스핀 상태가 두 가지만 갖고 있기 때문에 다른 원자들에 비해 실험하기가 쉽다는 장점이 있다. 고체 표면 위에 있는 티타늄 원자를 관측할 때는 STM에서 마이크로파를 연속적으로 투사시켜 나오는 스핀정보를 측정하는데 두 종류의 스핀 상태 밖에 없음에도 불구하고 양자역학적 특성상 스핀을 원하는 방향만큼만 바꾸거나 특정 방향에서 멈추게 하는 것은 쉽지 않다. 관찰이라는 행위 자체 때문에 스핀 모양이 끊임없이 바뀌기 때문에 정확한 관측이 사실상 어렵다는 설명이다. 이에 연구팀은 마이크로파를 연속적으로 투사시키는 것이 아니라 나노초 단위로 끊어서 티타늄에 쏘는 방식으로 스핀 상태를 제어하고 측정했다. 그 결과 연속 투사방식에서는 할 수 없었던 티타늄 원자의 스핀을 원하는 상태로 설정하는 것이 가능해졌다. 이번 기술은 원자 스핀 제어능력이 더 높아진 만큼 측정 자체가 주는 영향에 신경쓰지 않고도 정밀한 미시세계 관찰을 가능케 해줄 뿐만 아니라 스핀 기반 양자컴퓨터에 정보를 저장할 때도 여러 큐비트(양자컴퓨터의 정보처리 단위)를 통제할 수 있어 정보처리 능력을 높일 수 있게 된다. 안드레아스 하인리히(이화여대 물리학과 석좌교수) IBS 양자나노과학연구단 단장은 “이번 연구결과는 물질 표면 위 원자의 양자 시스템을 제어하는데 중요한 단초를 마련했다는데 의미가 크다”라며 “이번 기술을 활용하면 양자컴퓨터의 정보저장 단위인 큐비트에도 활용이 가능해 양자컴퓨터의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

귀여운 고양이 한 마리가 밖에서는 절대 볼 수 없는 완전히 밀폐된 상자 속에 갇혀 있습니다. 상자 안에는 치명적인 독약인 청산가리가 담긴 병이 있습니다. 독극물 병 위에는 망치가 있고 망치는 방사능을 측정하는 가이거 계수기와 연결돼 있습니다. 방사능이 감지되는 순간 망치가 떨어져 병은 깨지고 청산가리 가스가 흘러나와 고양이는 죽게 됩니다. 상자 안에는 시간당 50%의 확률로 핵붕괴하는 우라늄도 들어 있습니다. 한 시간 뒤 우라늄이 붕괴되면서 방사능을 내뿜어 가이거 계수기를 작동시킬 확률이 50%라는 말입니다. 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 어떻게 됐을까요. 정답은 ‘상자를 열기 직전까지는 살아 있거나 죽어 있는 상태가 섞여 있으며 상자를 여는 순간 양자 상태가 무작위로 바뀌어 죽거나 살아 있게 된다’입니다. 상식적으로 도저히 이해할 수 없는 이 설정이 바로 물리학과, 화학과 학생들을 멘붕에 빠뜨려 양자역학을 포기하게 만든다는 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’입니다. 지난해 세상을 떠난 영국의 물리학자 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 꺼낸다면 난 조용히 총을 빼들 것’이라고 말했을 정도입니다. 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크가 만든 불확정성 원리는 간단히 말하면 원자나 분자 같은 미시세계에서는 입자의 위치와 운동량을 둘 다 정확하게 측정할 수 없다는 것입니다. 하나를 측정하는 동안 다른 하나가 변해 버리기 때문이라는 것입니다. 고전물리학에서와 달리 입자의 물리적 상태를 확률적으로만 설명할 수밖에 없다는 것이지요. 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 파동방정식을 만들어 양자역학을 완성했다는 평가를 받았지만 양자역학의 확률론적 해석을 도저히 받아들일 수 없었습니다. 그래서 양자역학의 확률론을 논박하기 위해 만들어 낸 사고 실험이 바로 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’이었습니다. 그런데 미국 예일대 응용물리학과, 예일양자연구소, IBM 왓슨연구센터, 뉴질랜드 오클랜드대 광자·양자기술센터, 프랑스 컴퓨터과학연구소(INRIA) 공동연구팀이 큐비트로 알려진 양자 정보를 포함한 인공원자를 이용해 양자도약을 사전 예측할 수 있는 시스템을 만들어 냈습니다. 오랫동안 양자역학을 지탱해 온 양자중첩과 예측불가능성이라는 개념을 뒤집었다고 평가를 받는 이번 연구 결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 6월 4일자에 실렸습니다. 양자도약은 원자 내부에서 전자가 불연속적으로 궤도를 움직이는 현상입니다. 전자가 어느 위치에 있을지는 확률적으로 알 수밖에 없기 때문에 언제 어떻게 양자도약이 일어나는지를 예측하는 것은 불가능한 일이었습니다. 연구팀은 알루미늄 상자에 둘러싸여 있는 초전도 인공원자에 마이크로파를 쪼인 뒤 ‘이중 간접 모니터링 방식’으로 인공원자를 관찰하는 동시에 양자도약을 예측해 내는 데 성공한 것입니다. 이번 기술은 양자컴퓨터를 개발할 때 정보를 포함하는 큐비트를 손쉽게 제어할 수 있게 해 양자 데이터를 안정적으로 관리할 수 있게 해줄 것으로 기대되고 있습니다. 이번 연구에서도 볼 수 있듯이 과학에서는 깨지지 않을 것 같은 이론도 끊임없는 연구를 통해 새로운 사실이 밝혀져 뒤집힐 수 있습니다. 20세기 초 물리학사에서만 보더라도 과학자들이 상대편과 끊임없는 사고 실험과 논쟁을 통해 현대물리학을 만들었습니다. ‘우리는 맞고 너희는 틀리다’는 언행을 보이면서 ‘과학적, 합리적 태도와 사고방식’을 입에 올리는 것은 정말 웃기는 일입니다. edmondy@seoul.co.kr

# 고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 고양이와 함께 방사성물질이 들어 있는 가이거 계수기, 계수기와 연결된 망치, 독가스가 들어 있는 유리병이 있다. 방사성물질의 원소 한 개가 한 시간 안에 붕괴할 확률은 50%다. 방사성 원소가 한 개라도 붕괴할 경우 망치는 떨어져 유리병을 깨뜨리게 되고 독가스가 방출되면서 고양이는 죽는다. 그렇다면 이제 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 죽어 있을까, 살아 있을까. 정답은 ‘상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 섞여 있다’이다. 일반적인 사고로는 도저히 이해가 되지 않는 이 사고실험은 여전히 대학의 물리학과, 화학과 학생들을 ‘멘붕’에 빠뜨리고 있는 양자역학의 ‘슈뢰딩거 고양이’의 역설이다. 세계적인 물리학자인 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 한다면 난 조용히 총을 꺼낼 것’이라고 할 정도다.●안다는 것은 무엇?… 인식론 철학 선구 양자역학의 확률론적 해석에 대해 가장 잘 표현한 이 사고실험을 만들어 낸 사람이 바로 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)다. 오는 12일은 슈뢰딩거가 태어난 지 130년이 되는 날로 과학계에서는 그의 업적을 되돌아보는 활동이 활발하다. 20세기 물리학 업적의 양대 산맥은 상대성이론과 양자역학이다. 이 중 상대성이론은 아인슈타인이라는 천재 한 명이 만들어 낸 것이지만 양자역학은 여러 과학자의 다양한 업적이 모여 만들어진 것이다. 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론인 양자역학은 이론체계로 만들어지는 과정에서 ‘우리가 안다는 것은 무엇인가’라는 문제를 제기해 인식론이라는 철학적 발전을 이끌어 내기도 했다. 슈뢰딩거는 1926년 양자역학에서 가장 중요한 수학식인 ‘슈뢰딩거 방정식’(파동방정식)을 발표함으로써 양자역학의 체계를 완성했다는 평가를 받고 있다. 1933년 노벨상 위원회는 슈뢰딩거가 만든 파동방정식이 양자역학의 핵심적인 업적이라는 사실을 인정해 그를 노벨물리학상 수상자로 선정했다. 실제로 슈뢰딩거 방정식은 원자, 핵, 고체물리 분야에서 널리 사용되고 있다. 원자현미경의 작동 원리인 ‘터널링 현상’을 풀 때는 물론 원자력 발전이나 핵폭탄처럼 원자핵 붕괴로 에너지를 얻는 모든 분야에서는 슈뢰딩거 방정식을 빼고는 생각할 수 없다는 것이다. 이 때문에 “고전역학(뉴턴역학)에 운동방정식이 있다면 양자역학에는 슈뢰딩거 방정식이 있다”는 평가를 받고 있다. 물리학뿐만 아니라 생물학 분야에도 관심이 많았던 슈뢰딩거는 제2차 세계대전 중 독일 나치를 피해 아일랜드 더블린에서 거주하는 동안 ‘생명이란 무엇인가?’라는 책을 냈다. 생명체의 유전정보를 가지고 있는 복잡한 분자에 대한 그의 생각을 풀어낸 것으로 유전자(DNA) 발견과 분자생물학의 탄생에 기여했다고 알려져 있다. 실제로 DNA 분자구조를 밝혀내 노벨생리의학상을 받은 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 이 책 때문에 DNA 연구를 시작했다고 회고록에 밝히기도 했다.●스마트폰 등 우리 생활과 밀접한 관계 슈뢰딩거가 완성한 양자역학은 우리 삶과 어떤 관계가 있을까. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “반도체가 없는 세상을 생각해 보면 양자역학이 실제로 우리 생활과 얼마나 밀접한 관계를 갖고 있는가를 알 수 있다”며 “양자역학이 없었다면 반도체, 컴퓨터는 물론 스마트폰이 존재할 수 없고 레이저, 엘리베이터 출입문 개폐장치, 최근 활발히 연구되는 양자컴퓨터는 그저 SF소설에서나 보게 됐을 것”이라고 설명했다. 양자역학은 20세기 초반 과학기술의 혁명으로 시작돼 물리학의 핵심 기둥이 됐지만 지금도 계속 진화하고 있다. 양자역학을 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘이 밝혀졌고 나노기술, 양자계산 등 새로운 방향으로 발전해 나가고 있다. 이론적으로도 양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 양자장론(quantum field theory, QFT)은 물론 양자전기역학 등 새로운 이론이 계속 만들어지고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

#고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 고양이와 함께 방사성물질이 들어 있는 가이거 계수기, 계수기와 연결된 망치, 독가스가 들어 있는 유리병이 있다. 방사성물질의 원소 한 개가 한 시간 안에 붕괴할 확률은 50%다. 방사성 원소가 한 개라도 붕괴할 경우 망치는 떨어져 유리병을 깨뜨리게 되고 독가스가 방출되면서 고양이는 죽는다. 그렇다면 이제 한 시간 뒤 상자 속 고양이는 죽어 있을까, 살아 있을까. 정답은 ‘상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 섞여 있다’이다. 일반적인 사고로는 도저히 이해가 되지 않는 이 사고실험은 여전히 대학의 물리학과, 화학과 학생들을 ‘멘붕’에 빠뜨리고 있는 양자역학의 ‘슈뢰딩거 고양이’의 역설이다. 세계적인 물리학자인 스티븐 호킹마저도 ‘누군가 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 한다면 난 조용히 총을 꺼낼 것’이라고 할 정도다.양자역학의 확률론적 해석에 대해 가장 잘 표현한 이 사고실험을 만들어 낸 사람이 바로 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)다. 오는 12일은 슈뢰딩거가 태어난 지 130년이 되는 날로 과학계에서는 그의 업적을 되돌아보는 활동이 활발하다. 20세기 물리학 업적의 양대 산맥은 상대성이론과 양자역학이다. 이 중 상대성이론은 아인슈타인이라는 천재 한 명이 만들어 낸 것이지만 양자역학은 여러 과학자의 다양한 업적이 모여 만들어진 것이다. 원자와 관련된 거의 모든 것을 설명할 수 있는 탁월한 이론인 양자역학은 이론체계로 만들어지는 과정에서 ‘우리가 안다는 것은 무엇인가‘라는 문제를 제기해 인식론이라는 철학적 발전을 이끌어 내기도 했다. 슈뢰딩거는 1926년 양자역학에서 가장 중요한 수학식인 ‘슈뢰딩거 방정식’(파동방정식)을 발표함으로써 양자역학의 체계를 완성했다는 평가를 받고 있다. 1933년 노벨상 위원회는 슈뢰딩거가 만든 파동방정식이 양자역학의 핵심적인 업적이라는 사실을 인정해 그를 노벨물리학상 수상자로 선정했다.실제로 슈뢰딩거 방정식은 원자, 핵, 고체물리 분야에서 널리 사용되고 있다. 원자현미경의 작동 원리인 ‘터널링 현상’을 풀 때는 물론 원자력 발전이나 핵폭탄처럼 원자핵 붕괴로 에너지를 얻는 모든 분야에서는 슈뢰딩거 방정식을 빼고는 생각할 수 없다는 것이다. 이 때문에 “고전역학(뉴턴역학)에 운동방정식이 있다면 양자역학에는 슈뢰딩거 방정식이 있다”는 평가를 받고 있다. 물리학뿐만 아니라 생물학 분야에도 관심이 많았던 슈뢰딩거는 제2차 세계대전 중 독일 나치를 피해 아일랜드 더블린에서 거주하는 동안 ‘생명이란 무엇인가?’라는 책을 냈다. 생명체의 유전정보를 가지고 있는 복잡한 분자에 대한 그의 생각을 풀어낸 것으로 유전자(DNA) 발견과 분자생물학의 탄생에 기여했다고 알려져 있다. 실제로 DNA 분자구조를 밝혀내 노벨생리의학상을 받은 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 이 책 때문에 DNA 연구를 시작했다고 회고록에 밝히기도 했다. 슈뢰딩거가 완성한 양자역학은 우리 삶과 어떤 관계가 있을까. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “반도체가 없는 세상을 생각해 보면 양자역학이 실제로 우리 생활과 얼마나 밀접한 관계를 갖고 있는가를 알 수 있다”며 “양자역학이 없었다면 반도체, 컴퓨터는 물론 스마트폰이 존재할 수 없고 레이저, 엘리베이터 출입문 개폐장치, 최근 활발히 연구되는 양자컴퓨터는 그저 SF소설에서나 보게 됐을 것”이라고 설명했다. 양자역학은 20세기 초반 과학기술의 혁명으로 시작돼 물리학의 핵심 기둥이 됐지만 지금도 계속 진화하고 있다. 양자역학을 통해 반도체나 초전도체의 기본 메커니즘이 밝혀졌고 나노기술, 양자계산 등 새로운 방향으로 발전해 나가고 있다. 이론적으로도 양자역학과 특수 상대성이론을 결합한 양자장론(quantum field theory, QFT)은 물론 양자전기역학 등 새로운 이론이 계속 만들어지고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

1993년 개봉한 로맨스 코미디 ‘사랑의 블랙홀’, 톰 크루즈 주연의 ‘엣지 오브 투모로우’(2014), SF 최초로 1000만 관객을 돌파한 ‘인터스텔라’(2014), 그리고 마블 만화를 원작으로 한 ‘닥터 스트레인지’(2016)의 공통점은 무엇일까.우선 ‘영화’라는 점, 그리고 우리가 살고 있는 우주와는 다른 차원의 우주가 존재할 수 있다는 ‘평행우주론’을 다룬다는 것이다. 평행우주론은 과거를 바꾸면 현재의 상황이 일어나지 않는 ‘시간여행의 역설’이 발생하지 않기 때문에 SF에서 선호하는 과학 주제다. 영화 ‘백 투 더 퓨처’에서 과거로 간 주인공에게 젊은 시절 어머니가 사랑을 느끼기 시작하자 이를 피하기 위해 고군분투하는 모습은 시간여행의 역설을 잘 묘사한다. 만약 어머니가 주인공을 사랑하게 된다면 자신은 존재할 수 없는 논리적 오류에 빠진다. 평행우주론에서는 과거로 돌아가 어떤 영향을 줬다고 하더라도 그 우주와 관계 없는 우주가 평행으로 진행되기 때문에 이런 오류가 성립하지 않는다. 2000년대 들어 과학계는 평행우주를 다양한 다중우주가설로 재정립하고 있다. 브라이언 그린 미국 컬럼비아대 수학·물리학과 교수의 ‘멀티 유니버스’, 리사 랜들 하버드대 물리학과 교수의 ‘숨겨진 우주’ 등의 책으로 대중에 알려졌다. 최근에는 다중우주론의 거장 맥스 테그마크 MIT 물리학과 교수의 ‘우리의 수학적 우주’라는 책이 번역되면서 다중우주에 대한 대중의 관심이 높아지고 있다.●테그마크 교수 4단계 분류법 유명 아직 관측되지 않았기 때문에 학자들마다 예측하는 다중우주의 구조는 다르다. 일반적으로 평행우주와 다중우주를 섞어 쓰지만, 엄격하게 구분하자면 평행우주는 다중우주의 하위 개념에 속한다. 실제로 다중우주에 관한 가설들은 매우 다양하다. 이 때문에 이들을 체계적으로 분류하려는 노력이 있었는데 현재 가장 널리 알려진 분류법은 바로 테그마크 교수가 2003년 1월 ‘평행우주’라는 논문을 통해 제안한 4단계 분류법이다. 1단계는 관측 범위 밖에 독립 우주들이 존재하며 우리는 각각의 우주를 관측하지 못하고 있다는 개념이다. 개별 우주에서 적용되는 물리법칙들은 현재 우리가 알고 있는 것과 같다. 2단계는 인플레이션 우주론과 관계된 것으로 우리 우주와는 전혀 다른 물리법칙이 적용되는 우주들이 있다는 것이다. 끈이론과 관련한 다중우주이론이 여기에 속한다. 3단계 다중우주는 양자역학적 다중우주론이다. ‘슈뢰딩거의 고양이’ 역설처럼 확률론적 결정에 따라 무수히 많은 우주들이 존재할 수 있다는 가설로 우리는 여러 가지 우주 중 단 하나의 우주만 보고 있을 뿐이라는 설명이다. 4단계는 테그마크 교수의 독자적 아이디어로 수학 속에서 존재하는 우주다. 물질을 구성하는 입자와 입자가 만들어 내는 장(field)을 방정식과 함수로 표현할 수 있으므로 ‘물리적 우주와 수학은 같다’고 주장한다. 3단계 다중우주까지는 많은 학자들이 동의하고 있지만 4단계 다중우주론에 대해서는 이견이 있다. 남순건 경희대 물리학과 교수는 “영화나 소설에서 나오는 다중우주는 상상력의 산물”이라며 “양자역학적 평행우주론의 경우 확률에 의해 순간적으로 여러 개의 우주로 갈라지는데 완전히 서로 다른 우주이기 때문에 SF에서처럼 넘나들기 힘들다”고 설명했다. ●“검증·관측 어려워 상상력의 영역” 남 교수는 “물리학자들은 4차원 시공간을 넘어선 5차원 방향에 우리가 생각지 못한 우주가 존재할 수 있다고 생각한다”며 “만약 다중우주가 있다면 이 세상에서 수행하는 각종 실험 연구 결과에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 연구자들이 다중우주론에 관심을 갖는 것”이라고 말했다. 그러나 일부에서는 ‘관측할 수 없는 것이 존재한다고 주장하는 것은 어불성설’이라며 다중우주론을 여전히 상상력의 한 부분으로 취급하기도 한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

　1993년 개봉한 로맨스 코미디 ‘사랑의 블랙홀’, 톰 크루즈 주연의 ‘엣지 오브 투모로우’(2014), SF 최초로 1000만 관객을 돌파한 ‘인터스텔라’(2014), 그리고 마블 만화를 원작으로 한 ‘닥터 스트레인지’(2016)의 공통점은 무엇일까. 　물론 ‘영화’라는 점, 그리고 우리가 살고 있는 우주와는 다른 차원의 우주가 존재할 수 있다는 ‘평행우주론’을 다룬다는 것이다. 평행우주론은 현재의 상황이 일어날 수 없도록 과거를 바꿔서 발생하는 ‘시간여행의 역설’이 일어나지 않기 때문에 SF에서 선호하는 과학 주제다. 영화 ‘백 투 더 퓨처’에서 과거로 간 주인공에게 젊은 시절 어머니가 사랑을 느끼기 시작하자 이를 피하기 위해 고군분투하는 모습은 시간여행의 역설을 잘 묘사한다. 만약 어머니가 주인공을 사랑하게 된다면 자신은 존재할 수 없는 논리적 오류에 빠진다. 평행우주론에서는 과거로 돌아가 어떤 영향을 줬다고 하더라도 그 우주와 관계 없는 우주가 평행으로 진행되기 때문에 이런 오류가 성립하지 않는다. 　2000년대 들어 과학계는 평행우주를 다양한 다중우주가설로 재정립하고 있다. 일반인들에게는 브라이언 그린 미국 컬럼비아대 수학·물리학과 교수의 ‘멀티 유니버스’, 리사 랜들 하버드대 물리학과 교수의 ‘숨겨진 우주’ 등의 책으로 알려졌다. 최근에는 다중우주론의 거장 맥스 테그마크 MIT 물리학과 교수의 ‘우리의 수학적 우주’라는 책이 번역되면서 다중우주에 대한 일반인들의 관심이 높아지고 있다. 　아직 관측되지 않았기 때문에 학자들마다 예측하는 다중우주의 구조는 다르다. 일반적으로 평행우주와 다중우주를 섞어 쓰지만, 엄격하게 구분하자면 평행우주는 다중우주의 하위 개념에 속한다. 　실제로 다중우주에 관한 가설들은 매우 다양하다. 이 때문에 이들을 체계적으로 분류하려는 노력이 있었는데 현재 가장 널리 알려진 분류법은 바로 테그마크 교수가 2003년 1월 ‘평행우주’라는 논문을 통해 제안한 4단계 분류법이다. 　1단계는 관측 범위 밖에 독립 우주들이 존재하며 우리는 각각의 우주를 관측하지 못하고 있다는 개념이다. 개별 우주에서 적용되는 물리법칙들은 현재 우리가 알고 있는 것과 같다. 　2단계는 인플레이션 우주론과 관계된 것으로 우리 우주와는 전혀 다른 물리법칙이 적용되는 우주들이 있다는 것이다. 끈이론과 관련한 다중우주이론이 여기에 속한다. 　3단계 다중우주는 양자역학적 다중우주론이다. ‘슈뢰딩거의 고양이’ 역설처럼 확률론적 결정에 따라 무수히 많은 우주들이 존재할 수 있다는 가설로 우리는 여러 가지 우주 중 단 하나의 우주만 보고 있을 뿐이라는 설명이다. 　4단계는 테그마크 교수의 독자적 아이디어로 수학 속에서 존재하는 우주다. 물질을 구성하는 입자와 입자가 만들어 내는 장(field)을 방정식과 함수로 표현할 수 있으므로 ‘물리적 우주와 수학은 같다’고 주장한다. 3단계 다중우주까지는 많은 학자들이 동의하고 있지만 4단계 다중우주론에 대해서는 이견이 있다. 　남순건 경희대 물리학과 교수는 “영화나 소설에서 나오는 다중우주는 상상력의 산물”이라며 “양자역학적 평행우주론의 경우 확률에 의해 순간적으로 여러 개의 우주로 갈라지는데 완전히 서로 다른 우주이기 때문에 SF에서처럼 넘나들기 힘들다”고 설명했다. 남 교수는 “물리학자들은 4차원 시공간을 넘어선 5차원 방향에 우리가 생각지 못한 우주가 존재할 수 있다고 생각한다”며 “만약 다중우주가 있다면 이 세상에서 수행하는 각종 실험 연구 결과에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 연구자들이 다중우주론에 관심을 갖는 것”이라고 말했다. 　그러나 일부에서는 ‘관측할 수 없는 것이 존재한다고 주장하는 것은 어불성설’이라며 다중우주론을 여전히 상상력의 한 부분으로 취급하기도 한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

한양도성(신희권 지음, 북촌 펴냄) 도성 전문가인 고고학자가 백악산, 낙산, 흥인지문, 남산, 숭례문, 인왕산 등 6개 구간으로 나눠 성곽길 곳곳에 담겨 있는 한양도성의 가치를 풀어냈다. 352쪽. 2만 3000원. 파크애비뉴의 영장류(웬즈데이 마틴 지음, 신선해 옮김, 사회평론 펴냄) 뉴욕의 0.1% 최상류층이 모여 사는 맨해튼 어퍼이스트사이드 사람들의 세계를 인류학 전공자의 시선으로 풀어낸 흥미로운 생태계 관찰기. 372쪽. 1만 4000원. 아인슈타인의 주사위와 슈뢰딩거의 고양이(폴 핼펀 지음, 김성훈 옮김, 플루토 펴냄) 알베르트 아인슈타인과 에르빈 슈뢰딩거, 두 물리학자의 지적 분투와 여성 편력 등 삶을 담아냈다. 500쪽. 2만 2000원. 유전자 사회(이타야 야나이·마틴 럴처 지음, 을유문화사 펴냄) 인간 사회와 비슷한 협동과 희생, 반전의 배신과 경쟁이 난무하는 유전자들의 비밀을 흥미롭게 전하고 있다. 344쪽. 1만 5000원. 그가 사망한 이유는 무엇일까(류위즈·바이잉위 지음, 시그마북스 펴냄) 외과의사인 저자들이 전문적인 의학지식을 활용해 역사 속 중요한 사망 사건을 분석하며 죽음의 비밀을 파헤쳤다. 304쪽. 1만 5000원. 냉소 사회(김민하 지음, 현암사 펴냄) 우리 사회를 휘감고 있는 냉소주의의 여러 사례를 통해 무한경쟁 체제와 끝없이 열등감을 강요받는 한국 사회의 민낯을 전한다. 320쪽. 1만 5000원.

내 소개를 하기 전에 수수께끼 하나만 풀어 보자고. 재미있을 거야.완전히 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리와 치명적인 독약인 청산가리가 담긴 병이 있어. 청산가리가 담긴 병 위에는 망치가 있고, 그 망치는 방사능을 측정하는 가이거 계수기와 연결돼 있지. 방사선이 감지되면 망치가 떨어져 청산가리병이 깨지고, 청산가리 가스를 마신 고양이는 결국 죽게 될 거야. 가이거 계수기 위에는 시간당 50%의 확률로 핵붕괴를 하는 우라늄 입자가 놓여 있어. 우라늄이 붕괴되면서 방사선을 내뿜어 가이거 계수기를 작동시킬 확률은 50%잖아. 그렇다면 고양이가 살아 있을 확률과 죽어 있을 확률도 50%겠지. 당신은 상자 속의 상황을 전혀 파악할 수 없어. 앞서 이야기한 정보만으로 1시간 후 상자 속 고양이는 어떻게 돼 있을지 생각해 보라고. 눈치챈 사람도 있겠지만 내가 1935년 독일에서 발간한 ‘자연과학’이란 과학저널에 쓴 ‘고양이 패러독스’야. 흔히 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 문제라고도 부르지. 난 오스트리아의 물리학자 에어빈 슈뢰딩거(1887~1961년)라네. 내가 세상을 뜬 지 딱 55년이 됐군. 드브로이의 물질파 이론을 발전시켜 파동방정식을 제안하고 파동역학을 만들어 양자물리학이 한 단계 더 발전할 수 있는 길을 텄지. 그 덕분에 1933년에 노벨 물리학상을 받았다네. 자, 앞의 문제로 다시 돌아가 볼까. 답이 뭐라고 생각하나. 혼란스럽다고? 당연하지. 답을 쉽게 얘기할 수 있다면 물리학적 재능이 무척이나 뛰어난 사람이지. 일반적으로 상자 속 고양이는 죽었거나 살아 있거나 어느 한 상태라는 답을 하겠지. 그렇지만 코펜하겐 학파로 불리는 양자물리학자들은 상자를 열어 관측을 하기 전까지 고양이는 죽은 것도 산 것도 아닌 죽은 상태와 살아 있는 상태가 동시에 존재하는 ‘중첩 상태’라는 답을 내놨지. 사실 이런 설명은 상식 범위를 벗어나는 것이기 때문에 쉽게 이해하기 어렵겠지만, 많은 과학자가 여러 형태의 실험으로 사실임을 증명했다네. 하지만 난 그런 확률적 해석을 아직도 받아들일 수 없어. 고양이 패러독스도 양자물리학의 확률론이 말도 안 된다는 점을 지적하기 위해 만든 것이었는데, 도리어 양자물리학을 잘 설명하는 하나의 사례로 자리잡아 버렸지 뭔가. 참 세상일은 알 수 없는 것 같아. 아인슈타인 박사도 나와 같은 생각을 갖고 있었지. 그렇지만 우리는 무조건 ‘우리가 맞고 너희가 틀리다’라고 주장한 것이 아니라 상대편과 끊임없는 토론을 하며 주장을 펼쳤지. 그 덕분에 양자물리학은 자신들의 약점을 보완하며 지금처럼 발전한 거야. 과학만 그렇겠나. 사회 모든 분야가 발전해 나가기 위해서는 고집이나 아집을 버리고 상대와 토론에 적극 나서야 하는 것 아니겠나 싶구먼. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

겉에서는 전혀 내부를 볼 수 없는 불투명한 상자 속 물건을 꺼내지 않고 촬영해낼 수 있을까? 먼저 이것이 가능하려면 두 개의 물체가 공간적으로 아무리 떨어져 있어도 연결고리가 존재한다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 물체를 투과하는 광양자 빛만으로 사진을 찍어낼 수 있음을 증명해야만 한다. 그런데 최근 이것이 가능할 수도 있다는 실험결과가 나왔다. 세계적 과학 전문 주간지 네이처(Nature)는 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 카메라 렌즈와는 상관없이 광양자 빛만으로 고양이 이미지를 촬영해내는데 성공했다고 27일(현지시간) 보도했다. 먼저 해당실험을 정확히 이해하기 위해서는 양자역학의 기본 원리와 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 이론을 알아야한다. 이를 간략히 소개하자면 다음과 같다. 먼저 양자역학(quantum mechanics)은 원자, 분자, 소립자와 같은 미시적 대상에 대한 역학으로 거시적 현상에 집중하는 고전역학과는 많은 부분이 차이가 난다. 특히 다른 부분은 고전역학이 미래를 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취하는 반면, 양자역학은 현재는 정확히 알아도 미래 일을 예측하는 것은 불가능하다는 확률론적(probabilistic) 입장을 가지고 있다. 즉, 양자역학은 인과율 법칙보다는 우연성에 더 많은 무게를 두고 있는 것이다. 양자역학의 토대는 지난 1905년, 아인슈타인이 뉴턴으로 대표되는 고전역학의 한계를 지적한 상대성역학(relative mechanics)에서부터 시작된다. 양자역학의 핵심은 미시적 세계에서 발생하는 사건은 사건이 직접 목격되기 전까지는 확률적으로만 계산되며 서로 다른 상태가 지속적으로 공존한다. 이것이 앞서 설명한 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 연결된다. 이에 대해 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학이 불완전하다는 점을 지속적으로 의심해왔고 1935년 이를 증명할 한 가지 가상실험을 고안하게 된다. 먼저 고양이 한 마리와 알파입자(헬륨 원자핵)를 외부와 차단된 불투명 상자 속에 집어놓고, 다시 해당 상자를 독가스가 들어있는 통과 연결시킨다. 독가스는 방사능 검출 기계와 연결된 밸브에 의해 아직 상자 속으로 주입되지 않은 상황이다. 하지만 상자 속 알파입자가 감지되면 밸브는 자연히 열리게 되고 고양이는 사망하게 된다. 단, 이 알파입자는 시간 당 50%의 확률로 붕괴되도록 설정된 상황이기에 고양이 죽거나 살 확률 역시 50%다. 실질적으로 한 시간 후 상자를 열었을 때 나타날 결과는 첫째, 독가스에 죽은 고양이와 붕괴된 알파입자, 둘째 살아있는 고양이와 붕괴되지 않은 알파입자 두 가지 뿐이다. 하지만 양자역학 이론적으로만 보면 고양이와 알파입자는 죽지도 살지도 못한 50% 상태로 존재할 수 있다. 즉, 삶과 죽음 모두 한 공간에 공존할 수 있다는 것이다. 문제는 상자를 여는 순간, 결과는 고양이가 죽거나 살거나 한 가지 형태로밖에 고정될 수 없다. 삶과 죽음의 공존을 목격하려면 상자를 열지 않은 상황에서 내부모습을 볼 수 있어야만 한다. 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 행한 실험은 바로 이 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 상자 안에 둔 채로 촬영할 수 있는지 여부를 알아본 것이다. 연구진은 노란색과 빨간색 두 가지 광양자 빛을 이용해 고양이를 촬영하는 시도를 했다. 본래 카메라라는 매개체를 이용해 사물이 찍힌다는 즉, 상태에 관한 정보는 항상 관련 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 국소성의 원리를 넘어 전달통로만 형성되면 별다른 매개체를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 원리를 이용한 것이다. 연구진은 노란색 광양자 빛이 빨간색 광양자 빛에 얽히는 방식으로 일정한 고양이 이미지를 만들어내는데 성공했다. 이는 불투명한 상자 안의 물체를 별도의 과정 없이 그 자체로 투과해 찍어낼 수 있는 가능성을 제시하는 것이기에 의미가 크다. 연구진은 해당 실험결과가 향후 광양자를 이용한 화상 카메라 기술 개발로도 이어질 수 있다고 설명했다. 사진=Nature　 조우상 기자 wscho@seoul.co.kr

겉에서는 전혀 내부를 볼 수 없는 불투명한 상자 속 물건을 꺼내지 않고 촬영해낼 수 있을까? 먼저 이것이 가능하려면 두 개의 물체가 공간적으로 아무리 떨어져 있어도 연결고리가 존재한다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 물체를 투과하는 광양자 빛만으로 사진을 찍어낼 수 있음을 증명해야만 한다. 그런데 최근 이것이 가능할 수도 있다는 실험결과가 나왔다. 세계적 과학 전문 주간지 네이처(Nature)는 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 카메라 렌즈와는 상관없이 광양자 빛만으로 고양이 이미지를 촬영해내는데 성공했다고 27일(현지시간) 보도했다. 먼저 해당실험을 정확히 이해하기 위해서는 양자역학의 기본 원리와 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 이론을 알아야한다. 이를 간략히 소개하자면 다음과 같다. 먼저 양자역학(quantum mechanics)은 원자, 분자, 소립자와 같은 미시적 대상에 대한 역학으로 거시적 현상에 집중하는 고전역학과는 많은 부분이 차이가 난다. 특히 다른 부분은 고전역학이 미래를 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취하는 반면, 양자역학은 현재는 정확히 알아도 미래 일을 예측하는 것은 불가능하다는 확률론적(probabilistic) 입장을 가지고 있다. 즉, 양자역학은 인과율 법칙보다는 우연성에 더 많은 무게를 두고 있는 것이다. 양자역학의 토대는 지난 1905년, 아인슈타인이 뉴턴으로 대표되는 고전역학의 한계를 지적한 상대성역학(relative mechanics)에서부터 시작된다. 양자역학의 핵심은 미시적 세계에서 발생하는 사건은 사건이 직접 목격되기 전까지는 확률적으로만 계산되며 서로 다른 상태가 지속적으로 공존한다. 이것이 앞서 설명한 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 연결된다. 이에 대해 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학이 불완전하다는 점을 지속적으로 의심해왔고 1935년 이를 증명할 한 가지 가상실험을 고안하게 된다. 먼저 고양이 한 마리와 알파입자(헬륨 원자핵)를 외부와 차단된 불투명 상자 속에 집어놓고, 다시 해당 상자를 독가스가 들어있는 통과 연결시킨다. 독가스는 방사능 검출 기계와 연결된 밸브에 의해 아직 상자 속으로 주입되지 않은 상황이다. 하지만 상자 속 알파입자가 감지되면 밸브는 자연히 열리게 되고 고양이는 사망하게 된다. 단, 이 알파입자는 시간 당 50%의 확률로 붕괴되도록 설정된 상황이기에 고양이 죽거나 살 확률 역시 50%다. 실질적으로 한 시간 후 상자를 열었을 때 나타날 결과는 첫째, 독가스에 죽은 고양이와 붕괴된 알파입자, 둘째 살아있는 고양이와 붕괴되지 않은 알파입자 두 가지 뿐이다. 하지만 양자역학 이론적으로만 보면 고양이와 알파입자는 죽지도 살지도 못한 50% 상태로 존재할 수 있다. 즉, 삶과 죽음 모두 한 공간에 공존할 수 있다는 것이다. 문제는 상자를 여는 순간, 결과는 고양이가 죽거나 살거나 한 가지 형태로밖에 고정될 수 없다. 삶과 죽음의 공존을 목격하려면 상자를 열지 않은 상황에서 내부모습을 볼 수 있어야만 한다. 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 행한 실험은 바로 이 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 상자 안에 둔 채로 촬영할 수 있는지 여부를 알아본 것이다. 연구진은 노란색과 빨간색 두 가지 광양자 빛을 이용해 고양이를 촬영하는 시도를 했다. 본래 카메라라는 매개체를 이용해 사물이 찍힌다는 즉, 상태에 관한 정보는 항상 관련 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 국소성의 원리를 넘어 전달통로만 형성되면 별다른 매개체를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 원리를 이용한 것이다. 연구진은 노란색 광양자 빛이 빨간색 광양자 빛에 얽히는 방식으로 일정한 고양이 이미지를 만들어내는데 성공했다. 이는 불투명한 상자 안의 물체를 별도의 과정 없이 그 자체로 투과해 찍어낼 수 있는 가능성을 제시하는 것이기에 의미가 크다. 연구진은 해당 실험결과가 향후 광양자를 이용한 화상 카메라 기술 개발로도 이어질 수 있다고 설명했다. 사진=Nature　 조우상 기자 wscho@seoul.co.kr

여기 한 장의 빛바랜 사진이 있다. 1927년 벨기에 브뤼셀에서 촬영된 이 사진을 두고 후세 사람들은 “아르키메데스, 케플러, 코페르니쿠스, 갈릴레이, 뉴턴 등이 한 자리에 모인 것과 같은 의미”라고 평가한다.3년마다 열리는 ‘물리학과 화학을 위한 국제 솔베이 기구’에서 모인 이 해의 참석자들은 명단만으로도 ‘경이와 존경’의 대상이기 때문이다. ●현대물리학의 새 지평 열어 1927년은 탄산나트륨의 제조법을 발명한 솔베이의 기부로 1911년 시작된 솔베이 기구 역사상 가장 위대한 해로 평가된다. 마리 퀴리와 아인슈타인을 비롯해 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에어빈 슈뢰딩거, 헨드리크 로렌츠 등 20세기 최고의 과학자들이 한 자리에 모였다. 사진 속 등장인물 중 10명은 노벨상 수상자이다. 대부분 역사상 중요한 의미를 지니는 ‘과학 법칙’을 발견했다. 아인슈타인의 ‘상대성 법칙’, 하이젠베르크의 ‘불확정성의 원리’, 슈뢰딩거의 ‘파동방정식’, 로렌츠의 ‘힘 방정식’ 등 이들의 연구성과는 바로 현대물리학 그 자체라고 해도 과언이 아니다. 이들은 이 회의를 통해 고전 물리학과 현대 물리학을 나누는 기점이 된 ‘양자역학’의 탄생을 공식화했다. 양자역학은 우리가 흔히 알고 있는 뉴턴의 법칙 등 고전물리학으로 설명할 수 없는 현상을 해석하기 위해 제안됐다.1905년 아인슈타인이 ‘상대적 역학’이라는 새로운 개념을 도입하면서 공론화됐다. 원자, 분자, 소립자 등 눈으로 볼 수 없는 미시적 대상에 적용되며 고전물리학과는 많은 차이점이 있다. 예를 들어 고전역학은 ‘현재의 상태를 정확하게 알고 있다면 미래의 어느 순간에 어떤 사건이 일어날지 정확하게 예측할 수 있다.’는 결정론에 기반을 두고 있다. 원인과 결과가 있는 인과법칙을 따르고 우연성은 철저히 배제된다. 그러나 양자역학은 고전역학과 달리 ‘확률론’에 기반을 두고 있다. 양자역학의 특징을 가장 잘 보여주는 것이 ‘슈뢰딩거의 고양이’다. 슈뢰딩거의 고양이는 슈뢰딩거가 아인슈타인과 논쟁을 하면서 양자상태를 설명하고자 고안한 사고(思考) 상황이다. 고양이가 갇혀 있는 상자 안에는 독가스를 뿜는 가스총이 설치돼 있다. 이 가스총은 방사능 측정기와 연결돼 있으며, 방사능 물질의 원자핵이 붕괴하면 방사능 측정기가 감지해 가스총의 방아쇠가 당겨진다. 일반적 상식과 경험에 비춰볼 때, 현실에 존재하는 고양이는 죽어 있거나 살아 있는 두 상태 중 하나일 수밖에 없다. 그러나 양자역학의 세계에서는 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 살아 있는 것도 아니고 죽어 있는 것도 아닌, 두 가지가 중첩된 상태로 존재하는 것이 가능하다. 양자역학을 이해하기 위해서는 상자를 열기 전 이 고양이는 ‘산 것도 아니고 죽은 것도 아니다.’거나 ‘절반만 살아 있다.’는 점을 먼저 인식해야 한다. ●미해결 문제들 해법 제시 말도 안 되는 얘기라고 생각하기 쉽지만 100년 가까이 상상 속에만 존재했던 슈뢰딩거의 고양이는 지난해 호주 퀸즐랜드대 정현석 박사를 비롯한 공동연구팀이 빛을 이용해 증명하면서 엄연한 사실이 됐다. 원자나 분자, 레이저 펄스로 이뤄진 빛에서는 이같은 중첩 현상이 얼마든지 존재할 수 있다는 것이 과학자들의 분석이다. 양자역학은 이같은 사실을 이용해 지금까지 해결하지 못한 수많은 문제들의 해법을 제시했다. 지금까지의 컴퓨터와는 전혀 다른 양자컴퓨터가 대표적인 예다. 양자컴퓨터는 ‘지름길’을 가도록 상황을 조작하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 검토해야 하는 엄청난 양의 답 중에 정답만이 살아남도록 양자중첩 상황을 조작하면 현재 컴퓨터로 수백년 이상 필요한 암호도 불과 몇 분만에 풀어낼 수 있다. 반대로 암호 체계에 양자중첩을 활용하면 끊임없이 해킹을 피할 수 있는 새로운 시스템을 만들 수도 있다. 1982년 양자컴퓨터의 개념을 처음 주창한 노벨상 수상자 리처드 파인만은 “양자역학을 제대로 이해하는 사람이 이 세상에 단 한 명도 없다는 것은 분명한 사실”이라고 말했다. 양자역학을 처음 생각해 낸 아인슈타인조차 죽는 순간까지 고전물리학이라는 상식을 벗어버리길 거부했다. 그러나 양자역학은 이론적인 예측을 실험으로 증명하며, 서서히 상식을 깨 나가고 있다.‘상식’의 개념이 수천년 동안 세상을 지배해온 고전물리학에서 불과 100년도 되지 않은 현대물리학의 영역으로 넘어올 날도 머지 않았다. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

한국인 과학자가 포함된 호주·프랑스 공동 연구팀이 양자역학의 최대 수수께끼 가운데 하나인 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 풀었다. 호주 퀸즐랜드대 양자컴퓨터기술센터 정현석(35) 박사는 과학저널 ‘네이처’(온라인 16일자)에 프랑스 남파리대학 필리프 그랑지에 교수팀과 함께 세계 최초로 진행하는 빛의 ‘슈뢰딩거 고양이 상태’를 현실에서 만들어내는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 이는 상대성이론과 함께 현대 물리학의 한 축인 양자역학의 근본 원리에 한발 더 다가설 수 있는 성과로 평가된다. 양자 암호, 양자 컴퓨터, 양자 공간이동 등 미래의 양자정보 기술에 활용될 수 있을 것이라는 기대다. ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자물리학의 창시자 중 하나인 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 양자상태를 설명하기 위해 고안한 사고 실험(thought experiment)에서 유래한 말이다. 일반적 상식과 경험에 비춰볼 때, 현실에 존재하는 고양이는 죽어있거나 살아있는 두 상태 중 하나일 수밖에 없다. 하지만 양자역학의 세계에서는 밀폐된 상자 안에 고양이가 있을 경우 그 고양이는 상자를 열어 확인하기 전까지는 살아있는 것도 아니고 죽어있는 것도 아닌, 두 가지가 중첩된 상태로 존재하는 것이 가능하다. 슈뢰딩거의 고양이는 이처럼 어떤 물질이 거시적으로 구별이 가능한 두 가지 상태의 양자적 중첩형태로 존재하는 것을 의미한다. 하지만 이 상태를 현실에서 실제 구현하는 시도는 번번이 실패했다. 정 박사팀은 먼저 광자들을 생성시킨 뒤 반거울로 생성된 광자 빔을 둘로 나누고, 나누어진 빔의 한쪽에 특별한 광학적 측정을 가해 다른 한쪽에 슈뢰딩거 고양이 상태가 만들어지도록 했다. 정 박사는 서강대 물리학과를 나와 영국 벨파스트 퀸즈대에서 물리학 박사 학위를 얻었다.이영표기자 tomcat@seoul.co.kr