[지식보관소] 물질이란 무엇인가? 양자역학 1편

 

 

 

제가 “물질이 빛이고 빛이 곧 물질이다.”

뭐 이렇게 말한다면

다들 엄청난 반발을 할 텐데요.

 

아마도 “아니 빛은 우리가 만질 수도 없지만, 물질은 만질 수 있지 않느냐?

어떻게 빗이랑 물질이 같냐?” 라고 되물을 것 같은데

그러면 진정하시고요. 차근차근 얘기해 볼게요.

 

 

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물리학 이론에서 유명하지만

말만 들어도 잠들 것 같은 두 단어가 있죠.

바로 상대성이론과 양자역학입니다.

 

그래도 그나마 상대성이론은

상대성이라는 단어가 일상에서 사용할 것 같은 단어라서

그나마 괜찮은 편인데

양자역학은 양자와 역학이라는

실생활에서 죽을 때까지 쓸 일이 없을 것 같은 2개의 단어로 이루어져 있어서

더욱 심각합니다.

 

그러면 양자역학은 대체 무엇일까요?

양자역학은 말 그대로

‘물질의 가장 작은 단위에서 일어나는 물리적 현상’을 의미합니다.

 

이걸 너무 작은 세상이라

우리 눈에 안 보인다고 해서 ‘미시세계’라고 부르는데

한마디로 겁나 작은 세상에서 일어나는 현상을 의미합니다.

 

이러한 양자역학을 이해하기 위해선

물질에 대해서 이해하고 있어야 되는데요.

왜냐하면 대부분 사람이 물질에 대해서 잘못 이해하고 있기 때문이죠.

 

그러면 뜬금없지만 한 가지 질문을 해보겠습니다.

여러분 물질은 존재하나요?

예를 들어서

지금 우리 손에 들린 스마트폰이 정말로 존재할까요?

아니죠.

우리는 기계가 보여주는 허구의 세상에서 살고 있기 때문에

주변에 있는 모든 것들은 다 가짜이기..

 

이게 아니라 사실 제가 하고 싶은 말은

물질이 있다는 걸 우리가 어떻게 아느냐입니다.

 

이렇게 얘기하면

“눈에 보이지 않느냐 그러니까 물질은 존재한다.”

뭐 이렇게 얘기할 겁니다.

네 맞아요. 이게 핵심인데

중요한 건 우리 눈에 보인다라고 하는 현상을 이해할 필요가 있습니다.

 

우리 눈에 물체가 보인다는 건

빛이 우리 눈으로 들어온다는 겁니다.

그러니까 앞에 있는 무언가에 빛이 부딪히고 반사돼서

우리의 눈으로 들어오는 것이죠.

 

물론 아무것도 안 보여도 만져서 알 수 있다라고 할 수 있겠지만

일상생활에서 아무것도 안 보이는데

만져지니까 물체가 있다라고 하나요?

 

길을 걷다가 앞에 사람이랑 부딪히지 않기 위해서 만져보나요?

아니죠.

우리는 우리 눈에 반사된 빛이 들어올 때

물체가 존재한다는 걸 인지하게 됩니다.

 

따라서 물체에 빛이 반사되는 현상

즉 빛에 대해서 이해해야 물질에 대해서 이해할 수 있습니다.

 

또 만져진다고 하는 것도

모든 물체는 그 물체를 구성하고 있는 원자라고 하는

아주 작은 물체의 최소 단위로 이루어져 있는데

이 원자에 있는 전자들은

서로 밀어내는 힘을 지닙니다.

우리가 핸드폰을 들고 있을 수 있는 건

이 전자들 간에 서로 밀어내는 힘들로 가능한 것이고

현대과학에 들어와서는

이런 전자들이 서로 밀어내는 힘을 매개하는 입자

즉 서로 밀어내는 힘을 전달하는 입자는

빛의 알갱이라고 불리는 광자라는 게 밝혀진 겁니다.

 

따라서 우리가 물질을 이해하기 위해서는

빛을 이해해야 합니다.

우리가 물질을 만질 수 있는 것도, 볼 수 있는 것도

모두 빛 때문이고

만지고 볼 수 있기 때문에 물체가 존재한다라고 알 수 있기 때문입니다.

실제로는 뭐 개뿔, 안 존재할 수도 있는 거예요.

그런데 사실 이런 고민은 기원전부터 계속해 온 고민입니다.

 

대체 우리는 어떻게 물체를 볼 수 있는 걸까요?

여러분, 이 음료수병은 초록색입니다.

그런데 불이 꺼져서 완전히 어두워지면

이 초록색병은 사실상 안 보이게 됩니다.

그러면 이 병의 색상은

불을 껐기 때문에 초록색에서 검은색으로 바뀐 걸까요?

아니면 여전히 초록색인데 불을 껐기 때문에 안 보이는 걸까요?

 

만약 여러분이 이 병이

불을 꺼도 여전히 초록색인데

그냥 어두우니까 안 보인다라고 말씀하신다면

아마 문과일 겁니다.

아니면 아직 고등학생이 안 되셨거나요.

 

그러면 이런 물체의 색상에 관한 역사를 살펴보겠습니다.

지금으로부터 무려 250년 전

철학자 엠페도클래스는

눈에서 아이언맨처럼 빛이 나오기 때문에

우리가 이 눈에서 나오는 빛으로 물체를 볼 수 있다라고 했습니다.

지금 생각해 보면 말도 안 되죠.

 

그리고 유명한 철학자 아리스토텔레스는

물체 안에 색이 들어있다라고 생각하게 됩니다.

그러니까 원자처럼 애초에 색상이라는 걸 물체가 가지고 있다라고 생각한 거죠.

 

그리고 시간이 지나 지금으로부터 천 년 전 이라크의 과학자 알하젠이

처음으로 빛이 물체에 닿으면

물체에 의해 빛이 반사되고

그 반사된 빛을 우리가 보기 때문에

우리가 물체를 볼 수 있다는 사실을 알게 되고

 

지금으로부터 500년 전이 돼서야 데카르트에 의해서

색이라는 건 빛이 물체에 닿아서

변형된다는 사실이 알려지게 됩니다.

 

 

그러니까 결과적으로

불이 꺼져서 이 물체가 검은색이 되면

색도 없어진 겁니다.

왜냐하면 이 병이 초록색이었던 이유는

형광등 불빛이 반사될 때

그 빛이 변형된 현상에 불과했으니까요.

 

결국 빛이라는 게 물체에 닿기 전에는

색이라는 것도 존재하지 않았습니다.

 

그리고 여기에서 더 나아가

뉴턴에 의해서 빛의 스펙트럼이 밝혀지면서

우리가 잘 알고 있는 가시광선,

빨주노초파남보의 색을 가진 가시광선과

이 가시광선의 적색보다 바깥의 스펙트럼인 적외선

그리고 보라색에 바깥에 있는 자외선

이런 것들도 모두 다 빛의 일부라는 게 밝혀집니다.

 

한마디로 우리가 물체를

시각적으로 볼 수 있게 되는 모든 현상은

빛이 변형된 결과입니다.

 

이런 결과를 가지고

제가 ‘물질이 빛이고 빛이 곧 물질이다’ 뭐 이렇게 말한다면

다들 엄청난 반발을 할 텐데요

 

아마도 “아니 빛은 우리가 만질 수도 없지만 물질은 만질 수 있지 않느냐?

어떻게 빛이랑 물질이 같냐?”라고 되물을 것 같은데

그러면 진정하시고요

차근차근 얘기해 볼게요.

 

아까 말한 대로 물질을 만든다는 건

물질을 구성하고 있는

원자에 있는 전자의 전자기력 때문에 가능하다고 얘기했습니다.

 

이 전자기력은 전기와 자기의 합성어로

우리는 전기와 자기가 같은 힘이라는 걸 알 수 있습니다.

자석과 천둥번개의 근원이 같다는 건데요

 

이거를 좀 더 설명하자면

발전기의 원리가 뭘까요?

 

자석에서 나오는 자기장을 서로 교차시켰을 때

자석이 끊기면서 전류가 발생합니다.

한마디로 교류 발전기는

자석으로 전기를 만들고 있기 때문에

자기에너지를 전기로 만들고 있는 거죠.

 

반대로 전류는 자기장을 발생시킵니다.

코일에 이렇게 전선을 감고 전류를 흘려보내면

자석처럼 끌어당기거나 밀어내는 힘이 발생합니다.

 

맞아요.

우리는 전기를 생산할 때도 자석을 이용하고

전류를 흘려보내서 전자석을 만듭니다.

 

이렇게 전기와 자기는

그 힘의 근원이

원자 안에 있는 전자의 움직임에 의해 생긴다는

힘의 근원이 동일하기 때문입니다.

 

그리고 이 전자는

우리가 물체를 만질 수 있게 해주는 근원입니다.

이 전자간에 서로 밀어내는 힘에 의해서

우리는 물체를 만질 수가 있는 겁니다.

 

그리고 더욱더 소름 돋는 건

교류전력이 흐르는 곳에서는 전자기파가 만들어지는데요.

나중에 이 전자기파의 속도가 빛의 속도와 동일하다는 걸 알게 되면서

결국 전자기파도 빛의 일종이라는 걸 알게 됩니다.

 

그러니까 우리는 물질을 빛을 통해서 볼 수 있을 뿐만 아니라

우리가 물질을 인식할 수 있는 가능한 모든 수단은

결국 빛을 통해서 가능하다는 겁니다.

 

타인이형의 상대성이론에 의하면

빛은 공간 방향으로 빛의 속도로 이동 중이고

물질은 시공간 방향으로 빛의 속도로 이동 중인데

왜 우주에 존재하는 모든 물질이

시공간에서 다 동일하게 빛의 속도인지 궁금하지 않았나요?

 

우리가 물질이라는 걸 인지할 수 있는 방법은

빛을 통해서밖에 없습니다.

그리고 모든 물질은 시공간상에서 빛의 속도를 지닙니다.

 

결국 양자역학을 이해하기 위해선

빛에 대해서 이해해야 한다는 겁니다.

 

이다음 편에서

빛이 입자이자 파동인 현상에 대해서 얘기할 건데,

사실 최근에는 빛뿐만이 아니라 우주에 있는 모든 물질도

입자이자 파동이라는 게 밝혀졌습니다.

 

이건 정말로 말도 안 되는 소리인데요.

왜 제가 우리가 기계가 보여주는 가상 세계에 살고 있다는 드립을 자꾸 했는지

좀 더 알 수 있게 될 겁니다.