양자역학으로 가는 두 가지 길
작성자
자연사랑
작성일
2020-02-16 22:37
조회
3408
이제 겨우 장현광, 고전역학을 넘어서 상대성이론이 왜 그리도 혁명적이라고 하는지 이해한 것 같은데, <장회익의 자연철학 강의> 제4장은 또 다른 주제로 넘어갑니다.
수많은 사람들에게 신비감을 주었던 바로 그 양자이론입니다. 이미 뉴턴역학과 상대론적 역학을 배웠으므로 '양자역학 quantum mechanics'이라는 새로운 종류의 '역학'이 낯설지는 않지만, 그래도 가야 할 길이 멉니다.
양자역학으로 가는 길은 비전공자의 길과 전공자의 길이 너무나 다릅니다.
물리학과뿐 아니라 화학과나 공과대학의 여러 학과에서 양자역학을 필수적으로 배웁니다. 전공자의 트랙은 온통 방정식 (특히 미분방정식)을 풀어내는 것으로 가득 차 있습니다. 방정식을 풀어서 물리량의 값을 계산하고 나면, 신기하게도 그 값이 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어진 정수 값으로 나옵니다.
방정식을 풀어낸 결과이니까 뭔가 해석을 하고 고양이 같은 문제로 고민하고 있을 필요가 없습니다.
이 과정은 대략 다음과 같이 도식화할 수 있습니다.
(1) 해결해야 할 문제를 이해한다.
(2) 그 문제를 방정식의 틀에 갖다 맞춘다.
(3) 방정식을 풀어낸다. (수학계산을 아주 잘 하거나 컴퓨터를 능숙하게 다룰 줄 알아야 한다.)
(4) 방정식의 풀이로부터 문제의 답, 즉 구해야 할 물리량의 값에 대한 공식을 얻어낸다.
여하간 물리학이라는 것이 이런 도식에서 크게 벗어나지 않고, 공학 전반이 그러하고, 사실상 현대 과학기술이 죄다 이 틀 안에 있다고도 할 수 있습니다.
그런데 양자역학으로 가는 또 다른 길, 비전공자의 길은 전혀 다른 풍경입니다. 이중 틈새 실험, 슈뢰딩거의 고양이, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 입자-파동 이중성, 드브로이의 물질파, 아인슈타인-포돌스키-로젠 실험, 양자얽힘, 벨 부등식, 위그너의 친구, 뒤늦은 선택 실험, 상호작용이 없는 측정 등등이 그 여정에서 구경할 수 있는 명승지와 포토존입니다.
이름만 들어도 낯설고 이상하지만, 그러면서도 어딘가 신비함을 불러일으킵니다. 납득은 안 가고 무슨 말인지조차 이해하기 어렵지만, 신기한 무엇인가가 있어 보입니다. 특히 상식을 깨는 여러 발상들이 있어서 상세하게 알아두어야 할 것 같은 느낌을 받습니다.
쉽게 말하기는 어렵지만, 저는 이렇게 두 갈래로 갈라진 양자역학 탐방로가 심각한 문제라고 생각합니다. 특히 1980년대에 국내 독서계에서 큰 바람을 불러일으켰던 소위 신과학 운동이라는 것이 있습니다. 프리초프 카프라 같은 사람들이 주축이 되어 양자역학이 동양 사상과 만난다면서 명상을 통해 세상을 이해할 수 있다는 신비주의적 접근이 한창 유행했었습니다.
최근에 국내에서도 유명 과학자들이나 저자들이 재미있는 제목으로 책을 쓰면서, 슈뢰딩거이 고양이가 빠르게 퍼져나가는 모습을 볼 수 있었습니다.
문제는 양자역학을 제대로 이해하지 못한 채 양자역학을 바라보는 특정한 주장과 해석을 곧이곧대로 받아들이는 상황입니다. 슈뢰딩거의 고양이는 아리송하지만, 그래도 양자역학이라는 놀라운 물리학이론이 그렇다고 하니까 애써서 생각을 바꿔 봐야겠다는 식의 접근은 적절하지 않다고 봅니다.
그러니까 더 정확히 말하자면 "비전공자의 탐방로"는 그 곳에 땀흘리며 숨차면서 가 보지도 않고 그냥 그 곳 이야기만 듣는 경우가 많았습니다. 그 곳 이야기를 "로두스 섬에 가면 말이죠. 여러분이 상상할 수 없는 엄청난 일들이 있어요."라고 뮌쉬하우젠 남작처럼 말하는 사람들은 대기 "전공자의 탐방로"로 힘들게 그 곳에 갔던 사람들입니다. 다른 비유로 하자면 요즘 TV에서 흔히 볼 수 있는 여행 프로그램과도 비슷할 겁니다. 직접 가 볼 수는 없을 터이니 따뜻한 방 안에 앉아 다른 사람이 고생고생 하며 멋진 풍광을 보여주고 그 곳 사람들과 이야기 나누는 모습을 보면서 대리만족하는 것입니다.
그런 경우 먼저 가서 멋진 풍광을 자주 본 사람이 정확하게 이야기해 주고 실감할 수 있도록 해 주면 좋으련만, 안타깝게도 80년대 신과학 운동 (미국에서는 60-70년대)이나 요즘 돌아다니는 '신기한 슈뢰딩거 고양이 버전'은 상당한 왜곡을 동반하고 있는 것 같습니다.
그렇다고 미분방정식을 풀어제껴야 하는 두 번째 "전공자의 탐방로"를 갈 수는 없는 노릇입니다. 게다가 그 탐방로를 고생고생해서 간다 한들 정말 원하는 이해를 얻을 수 있을지 매우 의심스럽기도 합니다.
장회익 선생님의 자연철학 강의는 바로 이 양분된 탐방로에서 의미 있는 오솔길을 제시하려는 시도라 볼 수 있습니다.
가 보지도 않고 다른 사람 이야기만 듣고 가 본 것 같은 느낌을 갖는 명분만 탐방로도 아니고, 앞으로 그런 험산준령을 갈 수 있도록 훈련시키기 위한 힘들기만 한 탐방로도 아니라, 땀도 흘리고 숨도 차지만 직접 그 산마루에 가서 멋진 풍광을 즐기며 지나가는 바람이 땀을 식혀 주는 괜찮은 경험을 하게 해 주는 세 번째 탐방로입니다.
양자역학이라는 엄청난 자연철학적 태도와 방법에서 가장 쉬운 길을 택하여 최소한으로 알아야 할 것을 배운 뒤에 그 길에서 진짜로 양자역학이 주장하는 근본적인 혁명적 발상을 향유하고 이해해 보자는 것입니다.
장회익 선생님이 선택하신 독특한 길은 '푸리에 변환'이라는 것입니다. 이것은 양자역학의 표준적인 형식체계와 상당한 거리가 있습니다. 그러면서도 그 표준적인 형식체계와 충돌하지 않을 뿐 아니라 주요 결과들을 공유합니다.
비유로 하자면, 양자역학이라는 산마루의 멋진 풍광을 향하는 등산로에서 온갖 장비를 갖추고 올라가야 하는 험난한 길 대신에 천천히 산책하듯 풍경을 즐기며 올라가는 오솔길인 셈입니다. 그렇다고 이 오솔길이 편하기만 한 것은 아닙니다. 나름대로 이 길을 가도 땀이 좀 나고 숨도 차고 합니다. 대신 온갖 등산장비를 갖추어야 하는 것은 아니니까 좋은 대안일 수 있습니다.
다음 글에서는 푸리에 변환부터 이야기해 보겠습니다.
수많은 사람들에게 신비감을 주었던 바로 그 양자이론입니다. 이미 뉴턴역학과 상대론적 역학을 배웠으므로 '양자역학 quantum mechanics'이라는 새로운 종류의 '역학'이 낯설지는 않지만, 그래도 가야 할 길이 멉니다.
양자역학으로 가는 길은 비전공자의 길과 전공자의 길이 너무나 다릅니다.
물리학과뿐 아니라 화학과나 공과대학의 여러 학과에서 양자역학을 필수적으로 배웁니다. 전공자의 트랙은 온통 방정식 (특히 미분방정식)을 풀어내는 것으로 가득 차 있습니다. 방정식을 풀어서 물리량의 값을 계산하고 나면, 신기하게도 그 값이 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어진 정수 값으로 나옵니다.
방정식을 풀어낸 결과이니까 뭔가 해석을 하고 고양이 같은 문제로 고민하고 있을 필요가 없습니다.
이 과정은 대략 다음과 같이 도식화할 수 있습니다.
(1) 해결해야 할 문제를 이해한다.
(2) 그 문제를 방정식의 틀에 갖다 맞춘다.
(3) 방정식을 풀어낸다. (수학계산을 아주 잘 하거나 컴퓨터를 능숙하게 다룰 줄 알아야 한다.)
(4) 방정식의 풀이로부터 문제의 답, 즉 구해야 할 물리량의 값에 대한 공식을 얻어낸다.
여하간 물리학이라는 것이 이런 도식에서 크게 벗어나지 않고, 공학 전반이 그러하고, 사실상 현대 과학기술이 죄다 이 틀 안에 있다고도 할 수 있습니다.
그런데 양자역학으로 가는 또 다른 길, 비전공자의 길은 전혀 다른 풍경입니다. 이중 틈새 실험, 슈뢰딩거의 고양이, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 입자-파동 이중성, 드브로이의 물질파, 아인슈타인-포돌스키-로젠 실험, 양자얽힘, 벨 부등식, 위그너의 친구, 뒤늦은 선택 실험, 상호작용이 없는 측정 등등이 그 여정에서 구경할 수 있는 명승지와 포토존입니다.
이름만 들어도 낯설고 이상하지만, 그러면서도 어딘가 신비함을 불러일으킵니다. 납득은 안 가고 무슨 말인지조차 이해하기 어렵지만, 신기한 무엇인가가 있어 보입니다. 특히 상식을 깨는 여러 발상들이 있어서 상세하게 알아두어야 할 것 같은 느낌을 받습니다.
쉽게 말하기는 어렵지만, 저는 이렇게 두 갈래로 갈라진 양자역학 탐방로가 심각한 문제라고 생각합니다. 특히 1980년대에 국내 독서계에서 큰 바람을 불러일으켰던 소위 신과학 운동이라는 것이 있습니다. 프리초프 카프라 같은 사람들이 주축이 되어 양자역학이 동양 사상과 만난다면서 명상을 통해 세상을 이해할 수 있다는 신비주의적 접근이 한창 유행했었습니다.
최근에 국내에서도 유명 과학자들이나 저자들이 재미있는 제목으로 책을 쓰면서, 슈뢰딩거이 고양이가 빠르게 퍼져나가는 모습을 볼 수 있었습니다.
문제는 양자역학을 제대로 이해하지 못한 채 양자역학을 바라보는 특정한 주장과 해석을 곧이곧대로 받아들이는 상황입니다. 슈뢰딩거의 고양이는 아리송하지만, 그래도 양자역학이라는 놀라운 물리학이론이 그렇다고 하니까 애써서 생각을 바꿔 봐야겠다는 식의 접근은 적절하지 않다고 봅니다.
그러니까 더 정확히 말하자면 "비전공자의 탐방로"는 그 곳에 땀흘리며 숨차면서 가 보지도 않고 그냥 그 곳 이야기만 듣는 경우가 많았습니다. 그 곳 이야기를 "로두스 섬에 가면 말이죠. 여러분이 상상할 수 없는 엄청난 일들이 있어요."라고 뮌쉬하우젠 남작처럼 말하는 사람들은 대기 "전공자의 탐방로"로 힘들게 그 곳에 갔던 사람들입니다. 다른 비유로 하자면 요즘 TV에서 흔히 볼 수 있는 여행 프로그램과도 비슷할 겁니다. 직접 가 볼 수는 없을 터이니 따뜻한 방 안에 앉아 다른 사람이 고생고생 하며 멋진 풍광을 보여주고 그 곳 사람들과 이야기 나누는 모습을 보면서 대리만족하는 것입니다.
그런 경우 먼저 가서 멋진 풍광을 자주 본 사람이 정확하게 이야기해 주고 실감할 수 있도록 해 주면 좋으련만, 안타깝게도 80년대 신과학 운동 (미국에서는 60-70년대)이나 요즘 돌아다니는 '신기한 슈뢰딩거 고양이 버전'은 상당한 왜곡을 동반하고 있는 것 같습니다.
그렇다고 미분방정식을 풀어제껴야 하는 두 번째 "전공자의 탐방로"를 갈 수는 없는 노릇입니다. 게다가 그 탐방로를 고생고생해서 간다 한들 정말 원하는 이해를 얻을 수 있을지 매우 의심스럽기도 합니다.
장회익 선생님의 자연철학 강의는 바로 이 양분된 탐방로에서 의미 있는 오솔길을 제시하려는 시도라 볼 수 있습니다.
가 보지도 않고 다른 사람 이야기만 듣고 가 본 것 같은 느낌을 갖는 명분만 탐방로도 아니고, 앞으로 그런 험산준령을 갈 수 있도록 훈련시키기 위한 힘들기만 한 탐방로도 아니라, 땀도 흘리고 숨도 차지만 직접 그 산마루에 가서 멋진 풍광을 즐기며 지나가는 바람이 땀을 식혀 주는 괜찮은 경험을 하게 해 주는 세 번째 탐방로입니다.
양자역학이라는 엄청난 자연철학적 태도와 방법에서 가장 쉬운 길을 택하여 최소한으로 알아야 할 것을 배운 뒤에 그 길에서 진짜로 양자역학이 주장하는 근본적인 혁명적 발상을 향유하고 이해해 보자는 것입니다.
장회익 선생님이 선택하신 독특한 길은 '푸리에 변환'이라는 것입니다. 이것은 양자역학의 표준적인 형식체계와 상당한 거리가 있습니다. 그러면서도 그 표준적인 형식체계와 충돌하지 않을 뿐 아니라 주요 결과들을 공유합니다.
비유로 하자면, 양자역학이라는 산마루의 멋진 풍광을 향하는 등산로에서 온갖 장비를 갖추고 올라가야 하는 험난한 길 대신에 천천히 산책하듯 풍경을 즐기며 올라가는 오솔길인 셈입니다. 그렇다고 이 오솔길이 편하기만 한 것은 아닙니다. 나름대로 이 길을 가도 땀이 좀 나고 숨도 차고 합니다. 대신 온갖 등산장비를 갖추어야 하는 것은 아니니까 좋은 대안일 수 있습니다.
다음 글에서는 푸리에 변환부터 이야기해 보겠습니다.
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양자역학으로 가는 비전공자와 전공자의 길을 비유를 들어 잘 설명해 주셨습니다.
비전공자의 길이 오솔길이라고 하셨는데, 이렇게 해설해 주시는 가이드가 없다면, 아예 들여다 볼 엄두도 내지 못 했을 겁니다.
길담 과학반에서 양자역학에 관한 책을 몇 권 읽었지만, 그 때 뿐이고 저 같은 일반인에게는 딴 세계 이야기로만 느껴질 뿐입니다.
그래도 이렇게 귀동냥이나마 하다 보니 자연사랑님이 위에서 언급하신 슈뢰딩거의 고양이식 접근이 적절하지 않다는 말씀의 저의 정도는 이해할 수 있을 것 같습니다.
이번 기회에 제대로 된 접근을 해 보리란 기대를 품어 봅니다요ㅎㅎ
답글 달아 주셔서 정말 고맙습니다. 바쁜 와중에 열심히 글을 올리려고 애를 쓰고 있는데 읽는 분이 별로 없는 것 같아서 힘이 좀 빠질 뻔 했거든요. ^^
제가 글을 급하게 쓰느라 제가 원래 얘기하려던 것을 잘못 전달한 것 같습니다. 제가 "비전공자의 탐방로"라고 생각한 기존의 길이란 직접 가 보지도 않고 가 본 사람의 이야기만 듣는 경우로 생각한 것이었습니다. 직접 가 보면 이야기만 듣고 상상하던 것과 많이 다를 수밖에 없습니다. 또 그 이야기가 어디가 틀렸는지도 알 수 있구요. 대신 직접 가 봐야 하기 때문에 발품도 팔고 숨도 참고 땀도 좀 흘려야 하긴 합니다. 제 글을 조금 더 분명하게 수정해 보겠습니다.
양자역학에 대한 뭔가 묘한 분위기를 잘 정리해 주셨네요. 감사합니다.
저 복잡하고 어려운 내용들을 펑펑 올려주시는데, 그저 편하게 휙~ 둘러보고만 말았네요 ㅠㅠ
잘 모르던 것도 물어도보고, 글에 대한 생각도 적어보고 해야 했는데, 반성합니다 ㅠㅠ
죄송합니다. 어렵고 복잡한 내용의 글을 자꾸 올려서 말입니다. 글에 대한 질문 대환영입니다. 그리고 글에 대한 생각을 적어 주신다면 정말 큰 힘이 날 것 같습니다. ^^ 반성하실 필요는 전혀 없습니다. ^^
아, 이제는 댓글이 잘 달립니다... 더는 글을 안 적을 이유마저 사라져 버렸네요 ^^;;