[정리 : 책+세미나] 양자역학을 어떻게 이해할까? : 패자부활전 (1) 여는 말 + 서설
모임 정리
양자역학
작성자
neomay33
작성일
2023-05-24 21:10
조회
3365
책 : 『양자역학을 어떻게 이해할까?』 장회익. 2022. 한울아카데미.
세미나 : 1~3회 (2023. 1/9, 16, 30)
정리 범위 : "여는 말", "서설: 무엇이 문제인가?" (pp.5-20)
책 『양자역학을 어떻게 이해할까?』(장회익. 2022. 한울아카데미)의 내용을 발췌 요약하고, 강독 세미나의 내용 중 장회익선생님께서 설명해주신 부분을 중심으로 함께 정리했습니다.
강독 세미나를 시작한지 5개월 정도 됐는데요. 저는 거의 못 따라가고 있습니다. ^^; 그래서 저와 같은 패자들(혹시 계시다면)의 부활을 위해 현재 진도까지(1~5장) 책 내용과 세미나 내용 중 일부를 정리해서 올리도록 하겠습니다. 다음 세미나(6/5) 전까지 해내는 것을 목표로 하고 있습니다. ㅎㅎ;
많이 봐주시고요. 우리 함께 부활해보아요~
아래 글에서
검정색글씨는 책에서 발췌,
보라색 글씨는 세미나에서 장회익선생님께서 말씀해주신 부분을 녹취해 요약한 것입니다.(정확한 내용은 녹음을 꼭 확인해주세요. ^^)
여는 말
pp.5-9
이 책이 시도하는 것.
- 양자역학에 대한 존재론적 해석.
- 앎 자체의 근원적 성격을 살피는 작업에서부터 출발=> 앎의 한 전형적 형태인 고전역학의 본원적 성격을 먼저 밝히고==> 이것이 어떻게 수정되어 상대성이론에 이르고===> 다시 무엇이 더 얹어져 양자역학의 바탕 관념을 이루게 되는지 살펴나간다.
- 우리가 살펴볼 더 근원적인 문제 : 양자역학의 이해를 넘어 우리가 지닐 수 있는 가장 포괄적인 앎의 틀은 어떠한 것인가.
*『양자역학을 어떻게 이해할까?"에서 중요한 키워드 (세미나 1회. 2023. 1. 9)
- 존재론 : 양자역학이 아니었더라면 우리가 도저히 생각할 수 없었던 새로운 존재론의 영역을 보게 된다는 것. 그 존재론을 파악하고 나면 그 다음부터 양자역학은 정말 재미나고 쉬워질 수 있다. 존재론이 없었기 때문에 어려웠던 것.
- 이해 : 이미 알고 있는 더 기본적인 것과 연결시키는 작업. 그런데 연결시킬 기본 바탕이 없기 때문에 양자역학이 이해가 안 되었던 것. 기존에 우리가 가지고 있었던 고전역학적 존재론을 가지고 양자역학을 보려고 하니까 무리가 생기는 것. 그래서 존재론을 양자역학까지 담을 수 있는 더 폭넓은 존재론으로 넓히면 깔끔하게 정리된다. 이것이 이 책의 내용!
- 변별체 : 이 책에서 아주 핵심적인 개념이 변별체. 사람이 관측을 하지만 변별체를 통해서 아는 것이다. 관측 과정에서 어떤 물리적 흔적이 나타날 때 이것은 변별체와 대상과의 관계를 통해 나타나는 것. 여기서 가장 기초적인 모든 문제가 결정이 되고, 사람은 그 변별체를 봄으로써 알게 되는 것이다. 우리가 인식하는 데 있어서 필수적인 요구 조건에 반드시 변별체가 있다. 뒤에서 자세히 다루게 된다. (세미나 2회. 2023. 1. 16)
부제 "양자역학이 불러온 존재론적 혁명"의 의미
==> 양자역학을 이해하기 위해서는 새로운 존재론이 꼭 필요했고, 새로운 존재론을 만들다보니 '철학의 존재론'을 넓히는 계기가 됐다. 그래서 "존재론적 혁명"이라고 이름을 붙였다. 이 책은 인류의 사고 방식의 확장이 가능하다는 것을 공부해보려고 하는 것.
이 시도가 왜 중요한가?
- 아인슈타인도 자신의 1936년 논문 "물리학과 실재"(Physics and Reality)에서 이런 시도를 갈망했다. 스스로 만족할만한 결과에 이르지는 못했지만.*"물리학과 실재 (아인슈타인 1936) - 독일어본" (& 영어본) (자연사랑. 2023. 1. 17)
- "세계의 영원한 신비는 이것이 이해된다는 것이다."(아인슈타인)의 의미는?
- 우리 우주가 이해된다는 것. 즉 우리의 앎이 우주의 운행원리를 반영할 수 있다는 뜻.
- 그러나 아인슈타인은 이해된다는 사실 자체를 "영원한 신비"로 돌림으로써 "이해된다는 것을 이해하는 것"은 그만큼 더 어려운 일임을 암시. ==> 이 과제를 철학자들에게만 맡겨 놓지 말고 과학자들도 나서라.
*아인슈타인이 말하고자 하는 바는, 물리학을 제대로 이해하려면 더 깊은 이해를 통해서만 가능하다는 의미.
그런데 왜 존재론이냐? 아인슈타인의 말의 바탕에 깔린 생각에서 가장 기본적인 것이 존재론이고, 그 다음이 인식론, 그 다음은 거기서 이루어진 것을 정식화(수식화된 법칙으로 엮어내는 것)하는 것. 아인슈타인이 이미 그런 생각과 고민을 했고 실마리를 던져 준 것이다. 그러고서도 자신은 진전을 보지 못했다. 그만큼 양자역학을 제대로 이해하는 것은 어렵다. (세미나 2회. 2023. 1. 16)
인류 지성사에서 가장 놀라운 사건 둘.
- 17세기 고전역학 출현 ==> 인류가 처음으로 자연을 합법칙적으로 이해할 수 있게 되었다.
- 20세기 상대성이론과 양자역학의 출현 ==> 합법칙적 이해를 가능케 한 가장 본질적 개념의 틀이 상상을 초월하는 방식으로 심화 수정될 수 있다는 것을 보여줌.
여기서 문제.
(지난 한 세기 동안 "양자역학 해석"에 관한 수많은 논란이 있었던 이유는 다음 이유 때문)
- 이러한 이론 체계들을 담고 있던 개념의 틀은 무엇인가?
- 그 틀이 어떤 방식으로 심화되고 수정되었는지 체계적으로 이해하지 못하고 있다는 것.
틀과 틀의 심화/수정을 체계적으로 이해하는 것이 왜 그렇게 어려운가?
- 개별 학문의 테두리를 넘어서 학문 자체의 성립 여건에 대한 물음이기 때문.
- 따라서 인간의 앎이라는 것이 도대체 무엇인가? 그 앎의 성격부터 재규정하는 작업이 필요.
- 하지만 (이 작업을 담당해야 할) 철학적 인식론이 적절한 바탕 틀을 마련하지 못하고 있어서 이러한 작업을 담아내지 못하고 있다.
양자역학의 어떤 점이 과학자들을 괴롭혀 왔나?
- 직관에 맞는 방식으로 이해되지 않는다는 점.
- 그런데도 양자역학이 보이지 않는 원자세계를 너무도 잘 설명해준다는 점.
무엇이 잘못 됐나? 우리의 '직관'이 잘못 됐나?
- 우리의 직관이 바탕에 두고 있었던 원초적 존재론이 문제.
- 고전역학 안에 암묵적으로 전제된 존재론적 가정이 숨어 있다.(2장. 2.2절. 고전역학의 존재론)
어떻게 해야되나?
- 고전역학이 숨기고 있던 존재론적 가정을 명시적으로 드러내고,
- 그 대안적 존재론의 가능성을 검토해야.==> 양자역학을 수용하기에 적절한 대안적 존재론이 마련된다면, 이것이 바로 우리가 받아들일 새로운 '직관'이 될 것이다.
관념의 틀
- 인간의 사고는 근본적으로 관념의 틀 위에서 형성된다. <== 새 관념의 틀을 형성하기 위해서는 새 존재론이 필요하다.
- 그동안 많은 사람들이 (양자역학과 관련하여) 반형이상학적, 반실재론적 논의에 지나치게 경도되어온 이유는, 양자역학이 고전적 존재론에 부합하지 않는다는 사실에만 주목하고 대안적 존재론의 가능성은 생각하지 못했기 때문.
물리학 이론에 대한 존재론적 해석의 중요성 세 가지(과학철학자 네이(Alyssa Ney))
- 물리학 이론을 존재론적으로 해석함으로써 탐구자들은 자기가 지금 어떠한 작업을 하고 있는지 명료하게 의식할 수 있다.<예> 아인슈타인은 4차원 시공간 개념 없이 특수상대성이론을 구축했지만, 민코프스키(Hermann Minkowski)의 4차원 시공간 개념 없이 우리가 상대성이론을 이해하기란 매우 어렵다.
- 이론에 대한 존재론적 해석은 이론 그 자체가 말해주는 범위를 넘어설 수 있는데, 그런 경우 새로운 추측이나 예측이 가능해져 이론의 적용범위를 넓힐 수 있다.<예> "변별체"(discerner)라는 새로운 개념을 활용하는 존재론적 해석. 이 경우 현실적인 변별체가 형성되는 과정을 밝혀야 하는 문제가 새롭게 제기되며, 이를 밝히는 과정을 통해 이론의 적용 범위를 넓혀나갈 수도 있다.
- 물리학을 하는 더 깊은 동기는 자연의 참 모습을 파악하기 위한 것. 오직 이론에 대한 존재론적 해석만을 통해 자연의 참 모습을 파악할 수 있다.그러니 양자역학은 본질적으로 알 수 없는 학문이라고 전제하고, "닥치고 계산이나 해!"(Shut up and chalculate!) 같은 자세는 우리가 물리학을 하는 동기를 스스로 차단하는 것.
서설 : 무엇이 문제인가?
pp.13-20.
이중 슬릿 실험(겹실틈 실험)
: 양자역학은 새로운 존재론이 요구되는 추상적 이론이기에 이를 통해 무엇을 할 수 있는가에 대한 사전의 개략적 그림을 제시하기 위해 하나의 안내 도면으로서 겹실틈 이야기를 제시.
첫 번째 스크린(책 p.14. 그림 0-1)의 실틈 두 개를 모두 열었을 경우 두 번째 스크린에서 간섭무늬가 발생한다.
- 간섭무늬(패턴 B)가 발생하는 이유를 어떻게 설명할 것인가?
- 드 브로이(Louis de Broglie)의 가설 : 입자가 파동적인 성격을 가지기 때문에 간섭무늬가 발생한다.? = h/p : 입자에 부수되는 파동의 파장 ?는 플랑크 상수 h를 운동량 p로 나눈 값과 같다.
- 드 브로이 가설에서 문제가 되는 부분은?
- 입자에 부수되는 파동이 두 실틈을 통과하는 과정에서 어떻게 거동하는지 어떻게 설명할 것인가?
- 입자의 거동을 알아보기 위해 관측 실험을 수행할 경우 간섭무늬가 나타나지 않는다!
[그림 0-2] 스크린 B에 나타나는 패턴 (책 p.15)
관측 실험을 하면 간섭무늬가 사라지는 문제 : 어떻게 해석해야 할까?
- 관측이 결과에 영향을 준다 ==> 그렇다면 관측의 어떤 측면이 이런 변화를 주는가? ==> 4가지 가능성
- 관측이 인간의 개입이라고 보고, 물리적 현상이 인간의 개입에 따라 달라진다는 해석. 인간의 개입을 배제한 객관적 현상은 없다는 입장. 다시 두 가지로 나뉜다.
- 인간의 특성을 '의식'으로 보는 관점 : 안다는 것은 의식 행위이므로 의식 자체가 영향을 미친다.
- 인간의 특성을 '의도'로 보는 관점 : 인간의 의도, 즉 관측자의 실험 의도에 따라 결과가 달라진다.
- 관측은 정보의 흐름이다, 따라서 관측과정을 통해 인간에게 도달하는 정보가 (결과에) 영향을 미친다는 해석. 정보 자체가 특별한 존재론적 의미를 가지며, 물질과 정보가 직접 영향을 주고 받는다는 입장.
- 관측 장치가 필연적으로 대상에 영향을 미친다는 해석. 대상과 직면하는 것은 측정 도구이기 때문에. 영향을 주는 것이 도구의 어느 부위인지 혹은 측정 장치 전체인지에 따라 입장이 나뉠 수 있다.
- 대상 자체가 본질적으로 서로 모순되는 양면성을 가지기 때문에, 어느 한 면을 보면 다른 면은 보이지 않게 된다는 해석. (코펜하겐 해석은 4번에 가장 가깝다.)
- 관측이 인간의 개입이라고 보고, 물리적 현상이 인간의 개입에 따라 달라진다는 해석. 인간의 개입을 배제한 객관적 현상은 없다는 입장. 다시 두 가지로 나뉜다.
위 해석들의 진위 여부를 가리기 위한 가상 실험
- 실험 1 : 대상입자가 어느 실틈으로 통과했는지 관측하는 과정을 완전히 밀폐시키고 실험. (관측은 하되 관측 상황을 관측자가 알 수는 없다.==> 첫째, 둘째 해석에 따르면 간섭 무늬가 나타나야 하고, 셋째 해셕에 따르면 간섭 무늬가 없어져야 한다.
- 실험 2 : 어느 실틈으로 통과했는지 확인하기 위한 관측을 겹실틈 바로 뒤가 아니라 식별 스크린 바로 앞에서 수행하는 실험.==> 넷째 해석에 따르면 간섭 무늬가 없어야 한다. 그러나 이 책에서 논의할 이론에 의하면 간섭 무늬가 나타난다.
우리에게 남은 해석 & 할 일
- 세 번째 해석이 남아 있는 가능한 후보. 그러나 장치의 어느 부위가 결과에 영향을 미치는 기능을 하는지 밝혀야 하는 과제가 남아 있다.
- 이제 이를 분명히 설명해낼 구체적 이론 즉 양자역학이 어떻게 구성되고 있는가를 본격적으로 살펴나가자.
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