지식보관소_ 양자역학에 따르면 관측 전에 물질은 존재한다고 볼 수 없다.

 

 

여러분, 소리는 물질인가요?

지금 제 목소리가 지식보관소의 목소리라는 물질일까요?

아니면 바다에서 바닷물이 아니라 파도가 치는 이런 현상은 물질일까요?

 

앞에 제가 말한 것들의 공통점은

둘 다 물질이 아니라는 것입니다.

 

소리라고 하는 것은 대기 중에 있는 공기의 떨림입니다.

때문에 진공 상태에서는 공기가 떨릴 수가 없기 때문에 소리가 들리지 않습니다.

파도라는 것도 바닷물의 움직임일 뿐입니다.

파도 자체가 물질인 것은 아니죠.

 

이렇게 소리와 파도의 공통점은

어떠한 물질의 파동이라는 것입니다.

이런 파동이라고 하는 것이 만들어지기 위해서는

파동을 만들어주는 어떤 물질이 존재합니다.

 

그에 비해서 여러분들이 지금 사용하고 있는 스마트폰과 같은 것들을

그러니까 물질이라고 합니다.

이렇게 물질과 파동은 전혀 다른 개념이고

우리가 감지할 수 있는 것들은 물질이나 파동의 형태로 존재합니다.

 

그렇다면 빛은 물질일까요 파동일까요?

이 이야기에 대해서는 사실 재미있는 실험들이 있습니다.

 

만약에 이렇게 두 개의 구멍이 뚫린 판으로

파도 같은 파동을 통과시키면

양쪽 슬릿으로 통과한 파동끼리 만나

이런 식으로 반대쪽 벽에 도달하게 될 겁니다.

 

이것을 간섭무늬라고 부르고요.

그래서 토마스 영은

만약 빛이 파동이라면 뒤쪽에 이런 식으로 빛이 도달할 것이라고 생각했습니다.

이것을 이중슬릿 실험이라고 부릅니다.

그리고 토마스 영의 실험으로 빛은 물질이 아니라 파동이라고

결정되는 것처럼 보였습니다.

 

그런데 말입니다

1919년 우리들의 영원한 형님 타인이형이 등장하면서

이 사실이 뒤집히게 되는데요.

타인이형이 노벨 물리학상을 받을 수 있게 했던 광전 효과를 발견한 것입니다.

 

광전효과는

광자가 전자를 때려서 전자가 튀어나오는 것이므로

만약 빛이 물질이 아니라 파동이라면

절대로 있을 수 없는 일이었죠.

 

그래서 이때부터 빛은 광자라는 물질이지만

토마스 영의 이중 슬릿 실험에서는

파동과 같은 간섭무늬를 만드는 것이라고 인식하게 되었습니다.

 

그럼, 이제 슬슬 물질에 대한 소름 돋는 이야기를 시작하자면

여러분, 물질이 정말로 존재할까요?

관측하지 않을 때도 밤하늘에 저 달이 존재할까요?

 

물론 엄밀히 말해서 방금 말한 전제는 잘못된 것이지만

타인이형이 ‘그러면 내가 보지 않을 때 저 달은 존재하지 않는 것인가’라며

양자역학을 부정했던 이란은 매우 유명합니다.

 

그런데 이중슬릿을 향해 전자를 발사했을 때도

파동의 형태로 스크린에 전자가 나타났던 것입니다.

이 실험 방법은 전자 발생장치와 스크린 중간에 이중슬릿이 있고

스크린은 전자가 도달했을 때 그 위치를 기록합니다.

 

우리는 스크린에 전자가 도달하기까지

전자가 어떻게 이동했는지 알 수가 없습니다.

이때 전자를 하나씩 발사하면 파동처럼 간섭무늬가 나타날 것입니다.

전자는 분명 입자이기 때문에 이해할 수 없는 현상이었는데요

문제는 이뿐만이 아닙니다.

 

그래서 대체 전자가 어느 구멍으로 통과했는지 궁금할 수밖에 없어서

과학자들은 스크린까지 도달하기 전에 중간에 관측을 하기로 합니다.

그러자 신기하게도 전자가 파동의 형태로 스크린에 도달한 게 아니라

입자의 형태로 도달했다는 것인데요.

 

그러니까 마치 우리가 관측을 하는지, 관측을 안 하는지

눈치를 채는 것처럼 그렇게 행동했다는 것입니다.

아니, 무슨 전자가 인격이 있는 것도 아니고

이게 말이 안 된다고 생각해서

 

관측이라는 행위 자체가

전자에 영향을 줘서

입자성을 띠게 되었다고 생각한 과학자들은

이중슬릿 중에 한 곳에만 가이거 계수기를 설치해서 관측해 보게 됩니다.

 

그런데 정말 놀랍게도

2개의 구멍 중 한 곳만 관측을 해도 반대쪽 구멍으로 통과하는 전자까지

파동성을 잃고 입자처럼 행동했다는 것입니다.

 

결국 이렇게 전자와 광자에서 일어나는 이해하기 힘든 현상을

미시세계에서 일어나는 현상으로 결론을 내고,

미시세계와 현실세계는 다르다고 구분을 짓게 됩니다.

 

양자역학 관련 다큐를 보다 보면,

양자세계에서는 벽으로 막혀 있어도

사람이 그대로 벽을 뚫고 지나가기도 하고

상자 안에 있던 물질이 밖으로 쉽게 튀어나오기도 하고

사람이 분신술을 쓰기도 하는 것처럼

양자역학을 묘사하는데요.

 

이게 바로 미시세계에서 일어난 현상을

쉽게 이해할 수 있게 비유를 한 것입니다.

 

그런데 여기서 문제가

그러면 대체 어디까지가 미시세계이고

어디까지가 현실 세계냐는 것입니다.

 

원래는 광자나 전자처럼 작은 소립자에서만 일어나는 현상이었으므로

원자보다 작은 소립자에서

이런 이해하기 힘든 현상이 일어난다고 생각을 했습니다.

 

그런데 과연 그럴까요?

이제 진짜로 소름 돋는 내용이 시작되는데

문제는 1999년에 일어났습니다.

 

이중슬릿 실험에서 일어난 현상이

관측을 하느냐, 관측을 하지 않느냐에 대한 차이에서 기인한다고 생각한 과학자들은

훨씬 더 큰 분자 구조도

관측을 당하지 않을 수만 있다면

파동의 성질을 지닐 수 있다고 생각한 것인데요.

 

참고로 원자보다 큰 물질이 관측을 당하지 않기는 매우 어려운데

왜냐하면 여기에서 말하는 관측이란

인간이 하는 관측을 의미하는 게 아니기 때문입니다.

바로 관측 대상이 우주에 존재하는

그 어떤 물질과도 상호작용이 없어야 하기 때문이죠.

 

아무튼 1999년 시행된 플러렌 이중슬릿 실험에서

무려 원자 수십 개로 이루어진 플러렌이라는 거대한 분자가

빛처럼 입자이자 파동인 성질이 보이는 게 관찰된 것입니다.

 

이 실험은 플러렌이 스크린에 도달하기까지

결 어긋남(관측)이 생기지 않기 위해

진공에 가까운 상태에서 최대한 빠르게 가속시켜서

이중슬릿을 통과시킨 것인데요.

 

그러면 이 실험의 의미는 대체 무엇일까요?

결국 빛이나 전자뿐 아니라

여러분들이 들고 있는 스마트폰도 관측을 당하지 않는 동안은

물질의 형태로 존재하지 않는다는 것입니다.

 

하지만 차이점은

광자나 전자는 너무나 작고 빨라서

결어긋남(관측)을 당하기 전에

이중슬릿을 빠르게 통과할 수 있는 반면

플러렌이나 더 큰 분자들은 그것보다 훨씬 더 크기가 커서

관측을 당하지 않는 게 굉장히 어렵다는 것뿐인데요.

 

물론 우리가 살고 있는 환경은

지구의 중력으로 물질로 가득 차 있고,

두터운 대기와 태양 빛 등

수많은 물질과 상호작용을 할 수밖에 없는 환경에 있어서

관측을 당하지 않는다는 것은 굉장히 어려운 일이지만

관측을 당하지 않을 수 있다면

모든 물질은 관측되기 전까지

물질의 형태로 존재하지 않는다고 해석이 되는 것이죠.

 

그렇다면 대체 왜 이 우주는

관측되기 전까지 물질의 형태로 존재하지 않는 걸까요?

 

사실 이 얘기에 대한 가설을 알아보려면

먼저 유연한 사고가 필요합니다.

 

예를 들어서

우리가 스텔라리스라는 게임을 한다고 가정해 보겠습니다.

이 게임에서 플레이어가 정찰을 하지 않은 지역들은

검은색 안개로 비활성화되어 있습니다.

그리고 정찰되지 않은 부분의 모습의 그래픽을 연산하기 위해

컴퓨터 리소스를 사용하지 않습니다.

그 이유는 어차피 플레이어에게 보여줄 이유가 없는 부분까지 연산하면서

리소스를 잡아먹을 필요가 없기 때문인데요.

 

물론 그렇다고 정찰되지 않은 부분에 아무것도 존재하지 않는 것은 아니지만

컴퓨터 프로그램의 형태로만 존재하게 되겠죠.

 

그리고 우리가 관측하기 전까지

다른 제국이 존재하거나 존재하지 않는 중첩 상태로 있다가

우리가 정찰하면, 관측이 되면서 그래픽으로 구현이 될 것입니다.

 

이게 비유가 적절할지 모르겠지만

그러니까 우리가 물질이라고 하는 것은

상호작용에 의한 관측이 되고 있는 상태인 것이고

상호작용이 일어나고 있지 않을 때는

게임에서 그래픽으로 표현되지 않고

프로그램으로만 존재했던 것처럼

파동으로 존재한다는 것입니다.

 

관측이돼서 그 상태가 확정되기 전까지는

중첩 상태로만 존재한다는 것이죠.

 

지금까지 내용에서 중요한 건

관측이라는 것은

사람의 관측이 아니라

물질 간의 상호작용 자체를 의미한다는 것이고

그래서 우주가 프로그램이라는 게 아니라

이런 양자물리학에서 나온 실험 결과들을 그럴듯하게 해석할 수 있는 가설이

결국 우주가 프로그램이 리소스를 잡아먹지 않게 최적화하는 것처럼

그렇게 동작한다는 것이죠.

 

그런데 말입니다.

그런데 지난편 상대성이론에

‘모든 물질은 항상 시공간상에서 빛의 속도를 지닌다’는 개념이

마치 과거, 현재, 미래가 정해져 있는 것처럼 느껴지실 수 있는데요.

 

그런데 오늘 내용에서는

관측 전에는 물질의 상태가 정해지지 않는다는 이런 내용이 나와서

이게 도대체 어떤 의미일지 궁금하실 텐데요.

 

그래서 다음 편에는

지난 편과 이번 편에 나온 내용을 근거로

우주가 만약에 컴퓨터 프로그램처럼 동작을 한다면 어떨지에 대해서

한번 이야기해보도록 하겠습니다.

그럼 이만.