새 자연철학 세미나

[정리 : 책+세미나] 양자역학을 어떻게 이해할까? : 패자부활전 (1) 여는 말 + 서설

모임 정리
양자역학
작성자
neomay33
작성일
2023-05-24 21:10
조회
3617
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?
  • "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))
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
      𝝀 = h/p : 입자에 부수되는 파동의 파장 𝝀는 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!

AJFCJaUks2RB3ZRXilvkPpFL03iiLMONhi8f7QsrphZoQdXCbuYoi1uzm_M9O4WbgmcnPEZlC7J540xMB9ZSAf4byKSD7zwTn8Z8lnSLqe5SQpciTgIXevgbh5CUkoZRoqfELmDa8m0_IU6QLslXPGZu5DJ4EA=w800-h713-s-no?authuser=0
[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
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 대상 자체가 본질적으로 서로 모순되는 양면성을 가지기 때문에, 어느 한 면을 보면 다른 면은 보이지 않게 된다는 해석. (코펜하겐 해석은 4번에 가장 가깝다.)

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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