"신은 주사위놀이를 하지 않는다."
저번에 포스팅했던 '슈뢰딩거의 고양이'에서도 언급되었지만, 물리학을 확률과 중첩상태로 설명하는 '코펜하겐 해석'을 학계에서 받아들이는 데에는 크고작은 논쟁이 있었다.
고등학교 물리시간에 죽도록 매달려 공부하는 뉴턴의 F=ma나, 아인슈타인의 E=mc^2와 같은 상대성이론으로 대표되는 고전물리학에 한창 빠져있다가, 불확정성 원리 등으로 설명되는 현대물리학에 발을 담근 학생들이 각종 혼란과 거부감을 느끼듯, 1900년대 양자역학이 태동하고 발전하면서 동시에 수많은 과학자들로부터 공격을 받아왔다.
그러면서도 그러한 논쟁들을 겪고 이겨냈기에, 패러다임이 전환되는 국면을 맞이한 것이다.
고전물리학의 아버지, 알버트 아인슈타인역시 이러한 '코펜하겐 해석'에 굉장히 비판적이였으며, 오늘은 이 아인슈타인을 필두로 한 고전물리학계와 닐스 보어를 필두로 한 코펜하겐 학파가 정면으로 논쟁을 벌였던 제 5차 솔베이 회의에 대해 알아볼 것이다.
'정확하게 알 수 있는 건 없다. 모른다는 걸 받아들여야 한다.'는 주장을 하는 양자역학의 학파, 코펜하겐 학파는 닐스 보어, 하이젠베르크, 막스 보른으로 대표되는 학파이다.
하이젠베르크의 '불확정성의 원리'에 따르면 어떤 입자의 위치를 파악하면 그 운동량을 모르게되고, 운동량을 파악하면 위치를 모르게된다. 그렇기에 고전물리학에 등장하는 '라플라스의 악마'의 모순을 드러내었다.
닐스 보어의 '상보성의 원리'에서는, 전자는 파동이면서 입자이며, 서로 반대되는 이 특성이 서로를 배척하면서 보완하기에 불확정성의 원리가 나타난다고 주장했다.
막스 보른은 전자가 모든 곳에서 확률적으로 존재하며, 관측하는 순간 파동함수가 붕괴되어 입자로서 존재하게 된다고 주장했다. 때문에, 미시세계를 설명할 때는 확률로서 설명해야 한다고 주장했다.
그러나 당시 아인슈타인을 비롯한 고전물리학자들은 이러한 코펜하겐 해석을 비판적으로 바라보았다.
그들은 우주의 모든것들이 수학과 과학으로 정확하게 설명될 수 있다고 생각해왔고, 일식이 언제 일어나는지, 혜성이 언제 지구를 지나가는지, 태양계와 우리은하 그리고 우주가 어떻게 움직이는지 그 물질들의 위치, 운동량만 알면 무엇이든 정확하게 알 수 있다고 생각해왔기 때문이다.
무엇이든 정확하고 완벽하게 예측할 수 있다는 고전역학과
정확하게 알 수 있는 건 없고 오로지 확률로만 존재한다는 코펜하겐 학파가 정면으로 논쟁을 벌이는 일이 있었다.
바로 1927년 제 5차 물리학 솔베이 회의였다.
솔베이 회의.
벨기에에의 기업가 '에르네스트 솔베이'가 주최하는 국제 물리학, 화학 회의로, 3년마다 개최된다.
과학계에서는 정말 중요한 미해결문제등을 토론하며, 전세계에서 가장 권위있는 회의였다.
1927년에 개최된 제 5차 솔베이 회의에서는 전자와 광자를 주제로 회의가 열렸는데, 초청받은 29명의 과학자 중 무려 17명이 노벨상 수상자였다는 점(!!)에서, 이 회의가 당시 얼마나 권위가 있었는지 엿볼 수 있다.
당시 회의에서 코펜하겐 학파와 고전물리학자들의 치열한 논쟁이 펼쳐졌었는데, 닐스 보어의 경우 새벽 3~4시까지 지치지않고 끊임없이 이야기할 정도로 열정이 대단했다.
하이젠베르크, 막스 보른, 닐스 보어로 대표되는 코펜하겐 학파는 양자역학이 더이상의 수정이 필요없을 정도로 완성된 이론이며, 확률과 중첩을 다루는 코펜하겐 해석은 완벽하다고 주장했다.
하지만 회의 내내 양자역학은 자신의 전문분야가 아니라고 말을 아꼈던 아인슈타인은 곧 양자역학에 비판적인 태도를 보이기 시작했다.
"우주의 모든 사건은 물질의 현 상태와 위치, 속도만 알면 모든 것은 물리법칙으로 예측할 수 있다.(라플라스의 악마) 그런데 양자역학에서는 운동량와 위치를 동시에 측정하지 못한다니, 이는 측정장비가 충분히 정교하지 못하거나 과학이 아직 그만큼 발전하지 못했기 때문이다. 즉, 양자역학은 불완전한 학문이다!"
"정확하게 모르기 때문에 확률을 써야한다는 주장을 받아들일 수 없다."
"신은 절대로 주사위놀이를 하지 않는다."
이 말은 '슈뢰딩거의 고양이'와같이 많은 미디어에서 다루어졌기에 너무나도 유명하다. 그러나 정확하게 무슨 맥락으로 등장하게 됐는지는, 지금 여기서 나와 함께 알아본대로이다.
아인슈타인은 곧, 양자역학과 코펜하겐 해석을 근본부터 무너뜨리기 위해 정교한 사고실험을 고안했다.
바로 '변형 이중슬릿 실험'이다.
실험의 내용을 보면
기존의 이중슬릿 실험장치 앞에 입구판이 있다. 이 입구판은 고정되어있지 않고, 용수철에 달려있어 위아래로 움직인다.
그리고 이 입구판의 움직임은 눈금자로 계산이 가능하다.
이 입구판으로 전자를 발사하면, 전자가 통과하는 입구판의 구멍은 마름모꼴로 경사가 져있기 때문에 입구판이 위아래로 움직임에 따라 전자의 입자성을 증명할 수 있게 된다.
또한, 전자가 스크린에 도달한 위치와 입구판이 얼마나 움직였는지 측정한 후에, 또다른 전자를 계속해서 발사함으로써 이 실험에서는 입구판의 흔들림으로 전자의 입자성을 측정하고, 뒤쪽 스크린의 간섭무늬로 파동성을 측정할 수 있는것이다.
이는 입자의 경로를 파악했을 때 간섭무늬가 생기지 않고, 입자의 경로를 모르면 간섭무늬가 생긴다는 불확정성의 원리가 오류임을 설명하는 듯 하다.
이 사고실험이 무결하고 옳다면, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 있다는 뜻이며, 양자역학과 코펜하겐 해석의 근간이 되는 불확정성 원리가 근본부터 뒤흔들리는 결과를 가져온다.
그러나 닐스보어는 이러한 아인슈타인의 사고실험이 잘못됐다는 점을 지적했다.
불확정성 원리에 의해 위 사고실험의 입구판은 실제로 정지해있을 수가 없다는 것이다.
거시적으로 눈으로 관측했을때는 정지해있는 것 처럼 보여도, 미시적으로 본다면 불확정성 원리에 의해, 특정한 위치에 머물러있는 확률이 높을 뿐...
흔들리고 있는 입구판에 부딪히는 전자로 실험을 증명하려 하는 위의 변형 이중슬릿 실험의 전제 자체가 틀렸음을 지적하며, 아인슈타인의 사고실험을 무너뜨렸다.
"신은 주사위놀이를 하지 않는다."
참 많이 들어봤다. 사실 이게 무엇을 뜻하는지는 잘 몰랐지만 말이다.
어릴 때부터, 아인슈타인 하면 막연하게 '천재', 곧 '완벽한 사람'이라고 생각해왔지만, 그도 결국 실수도 하는 인간이었던 것이다.
