양자 물리학 개요 :

18세기 이래 과학계에서는 빛은 파동으로 생각하였다. 그 이유는 1770년대 영국의 물리학자 토마스 영(Thomas Young)이 이중 슬릿 실험을 통하여 빛은 파동이라는 사실이 밝혔기 때문이다(그림 참조).

그런데 빛은 입자라는 개념이 대두되었다. 즉, 1900년 12월 독일의 물리학자 Max Plank는 빛을 가두는 물체인 흑체(blackbody)에 파동인 빛을 가둔 다음 흑체에서 방사되는 에너지를 연구하는 과정에서 빛이 입자라는 사실을 발견하였다(그림 참조).

그리고 1905년 아인슈타인은 광양자설(光量子說)을 제안하였다. 즉, 빛을 금속 표면에 비추면 표면에서 전자가 튀어나온다는 설이다. 마치 구슬치기 놀이와 같이 빛은 원자 속의 전자를 때려서 밖으로 내보낼 수 있다는 이론을 주장했는데 이는 Plank의 빛의 입자설을 뒷받침한 것이다. 그리고 광자(photon)의 존재가 실험적으로 증명되었다. 1916년 밀리컨(R.A.Millikan)이 광양자설을 실험적으로 증명한 것이다. 다음 그림에서 보는 바와 같이 빛을 금속 표면에 비추면 표면에서 전자가 튀어나와 전류가 흐른다. 이것을 광전 효과(photoelectric effect)라고 부른다. 따라서 빛은 입자와 파동의 이중성임이 판명되었다.

20세기기 시작하면서 과학자들은 물질을 분해하면 분자가 되고, 분자를 분해하면 원자가 되며, 원자를 분해하면 원자핵과 전자가 된다는 사실을 알게 되었다(그림 참조). 

전자를 연구하는 과정에서 전자도 입자와 파동의 이중성이 제기되었다. 즉, 1924년 프랑스의 물리학자 드 브로이(Louis Victor de Broglie)는 전자도 빛과 같이 입자와 파동의 이중성이라는 개념을 제시하면서 전자의 파동을 물질파(matter wave)라 불렀다. 그리고 드 브로이가 제시한 물질파의 존재는 3년 후 영국의 조지 톰슨과 미국의 조세프 대비슨 등에 의하여 실험적으로 증명되었다. 또 1925년 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 드 브로이의 물질파 개념을 수학적으로 정리하여 파동역학 방정식을 발표하였다.

이제 분명해진 것은 전자도 입자와 파동의 이중성을 갖는다는 사실이었다. 따라서 광자 및 전자는 입자와 파동의 이중성을 갖는 사실이 분명해졌다. 이때부터 과학자들은 대혼란에 빠졌다. 왜냐하면 입자는 한 곳에 응축된 물질의 작은 덩어리이고, 반면에 파동은 흩어져 퍼져갈 수 있는 형태 없는 진동이기 때문이다(그림 참조).

입자 파동

질량이 직접 이동한다. 매질을 통하여 움직이는 모양만 이동한다.

장매물에 부딛치면 더 이상 진행하지 못한다. 장애물에 부딛치더라도 돌아갈 수 있다(회절).

두 입가가 진행해 오면 더 세진다. 두 파동이 진행해 오더라도 경우에 따라 없어질 수 이다(간섭).

다음 그림에서 보는 바와 같이 입자와 파동은 하늘과 땅만큼이나 서로 다른 성질을 갖는데 한 순간에는 입자가 되기도 하고 또 다른 순간에는 파동이 된다니 말이나 되는 소리인가?

드디어1927년 독일의 물리학자 Werner Karl Heisenberg가 이 문제에 대한 해석을 제안하였다. 즉, 광자와 전자와 같은 소립자들은 관찰이 이루어지기 전에는 입자와 파동이 가능태의 상태에 있다고 하였다. 여기서 가능태란 비존재가 아니라 비존재와 존재의 사이에 있는 상태이다. 다시 말하면 이때 반드시 관찰자의 “관찰”에 의해서 가능태가 존재로 전환되어 입자로서 그 모습을 드러내거나 혹은 파동으로 그 모습을 드러낸다고 하였다. 이와 같이 소립자는 관찰되기 이전에는 입자와 파동이 가능태의 상태에 있기 때문에 그것이 입자가 될지 혹은 파동이 될지 알 수 없다고 하였다. 이것을 Heisenberg의 “불확정성 원리”라고 부른다(그림 참조).

불확정성 원리에 대하여 추가적인 해석이 나왔는데 덴마크의 물리학자 Niels Bohr는 입자와 파동을 동시에 관찰할 수 없는 불확정 원리를 보이는 것은 그것이 서로 중첩되어 있기 때문이라고 하였다. 이것을 “Bohr의 상보성 원리”라고 부른다.

앞에서 소립자는 입자와 파동이 가능태의 상태에서 서로 중첩되어 있다가 관찰자의 “관찰”에 의해서 비로소 존재로 전환된다고 하였다. 이것을 양자 물리학에서는 “관찰자 효과”라고 부른다.

그러면 여기서 도대체 관찰자의 “관찰”에 의해서 무슨 일이 일어나는가? 어떤 과학자는 관측 도구가 개입하는 것이라고 주장했고 또 어떤 사람은 관측하는 사람의 의식이 개입한다고 주장하였다. 

관찰자의 의식이 개입한다고 주장하는 입장에서는 마치 관찰자의 의식이 에너지처럼 작용하여 가능태에 의식에너지가 주어져 결과적으로 가능태의 상태가 입자 혹은 파동이라는 현실로 구현한다고 해석하였다. 다시 말하면 입자의 가능태에 관찰자의 마음에너지가 더하여 입자가 되거나 혹은 파동의 가능태에 관찰자의 마음에너지가 더하여 파동이 된다고 설명하였다(그림 참조). 여기서 “마음 에너지(mind energy)”라는 개념이 등장하였다.

이상과 같이 입자와 파동의 이중성에 대하여 불확정성 원리 및 상보성 원리로 해석하는 학파는 주로 코펜하겐 대학의 보어를 중심으로 이루어졌기 때문에 이 해석법을 “코펜하겐 해석”이라고 부른다. 그러나 코펜하겐 해석법에 동조하지 않는 과학자들도 나타났다. 이리하여 양자물리학의 논쟁은 끝없이 진행되었다. 코펜하겐 해석의 동조파에 속하는 과학자로는 디랙, 파울리, 요르단, 보른, 하이젠베르크 등이 있고, 반대파에 속하는 과학자로는 아인슈타인, 플랑크, 슈뢰딩거, 드 브로이, 봄(Bohm) 등이 있다. 

반대파의 주장은 이렇다. 실재(reality)란 관찰 행위와 관계없이 실제로 존재하는 것이지, 관찰에 의하여 실재(reality)가 결정된다는 주장은 말도 안 된다는 것이다. 다시 말하면 실재(reality)란 실존하는 것이지 불확정성 원리에서 주장하듯이 확률적으로 존재할 수 없다고 주장하였다.

반대파인 아인슈타인은 실재(reality)에 대한 코펜하겐의 확률적 해석을 빈정대면서 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”라고 주장하면서 죽는 순간까지 코펜하겐 해석법을 받아들이지 않았다. 

또 반대파인 쉬뢰딩거는 “고양이 역설”을 제시하면서 불확정성 원리를 반대하였다. 불확정성 원리란 상자 속에 고양이를 넣어 두었는데 그 고양이를 관찰하기 이전까지는 반은 죽은 상태(입자)이고 반은 살아 있는 상태(파동)로 있다가 관찰되는 순간에 고양이는 죽은 고양이(입자)로 관찰되든지 혹은 살아 있는 고양이(파동)로 관찰되는 것과 같다는 해석법이다. 이것이 말이나 되는 소리냐고 반대하였다.

또 반대파 중에는 David Bohm이라는 물리학자가 있다. 그는 미국 출신으로 미국 프린스턴 대학 교수로 재직할 때는 아인슈타인과 공동연구를 했고 나중에 영국 런던 대학에서 퇴임할 때까지 이론 물리학 교수를 역임했으며 “양자장 이론”이란 저서를 출판하였다. 봄(Bohm)의 양자장이론은 코펜하겐 해석의 또 다른 해석이라기보다 완전히 다른 체계로서 새로운 양자이론이다. 다시 말하면, 코펜하겐 해석은 분자를 환원하여 원자를 연구하고, 원자를 다시 환원하여 전자를 연구하는 식으로 입자의 측면에서 연구를 진행하여 양자역학에 도달하였다. 반면에 봄(Bohm)은 전자기장과 같은 에너지의 장(field), 즉 파동에서 출발하여 양자역학에 도달하였다. 그래서 공통점도 있고 상이점도 있다.  저자가 논하는 양자의학은 바로 이 Bohm의 이론을 따른 것이다.

Bohm은 불확정성 원리에서 말하듯이 우주 자체가 그렇게 불확정적인 구조로 되어 있는 것이 아니라 인간의 인식에 한계가 있기 때문에 양자(量子)의 존재를 인식할 수 없어서 그런 일이 생기는 것이라고 하였다. 즉, 인간 인식의 한계가 문제라는 것이다. 예를 들면, 테니스 코트에서 선수들이 시합을 하고 있을 때 3차원적으로 보면 공이 튀는 위치가 정확히 어디가 될지 충분히 예상할 수 있지만 평면에서 2차원의 세계에서 기어만 다니는 개미의 입장에서 보면 사각형(코트) 안에서 원(공)이 나타났다가 사라지는 것만 볼 것이다. 즉 2차원 세계에서는 3차원 세계의 정보를 알 수 없고 예측 이 불가능하다. 따라서 개미의 입장에서는 알 수 없기 때문에 불확정한 것처럼 보이는 것이지 그 자체가 불확정한 것은 아니라고 주장하였다.

Bohm 양자이론의 특징은 다음과 같다.

첫째, 코펜하겐 학파에서처럼 입자와 파동이 비존재에 가까운 것이 아니라 입자도 실존하며, 파동도 실존하는 것이라고 하였다. 단지 인간의 인식의 한계 때문에 입자 혹은 파동을 인식하지 못할 뿐이라고 하였다.그래서 쉬뢰딩거가 말하는 파동은 수학적 파동함수에 불과한 것이 아니라 실제로 존재하는 파동이라고 하였다.

둘째, Bohm은 입자(particle)를 “양자”로 표현하였고, 파동(wave)을 “양자포텐셜”로 표현하였으며 입자와 파동은 동전의 앞면과 뒷면과 같은 상보적 구조를 하고 있다고 하였다. 그래서 Bohm은 “파동을 지닌 입자”라는 뜻으로 파립(波粒, wavicle)이라는 말로 표현하기도 하였다.

다음 그림은 광자의 실제의 모습으로 입자와 파동의 상보적 구조를 하고 있음을 알 수 있다.

셋째, Bohm은 양자(입자)는 분리되어 있더라도 양자포텐셜(파동)은 하나로 연결되어 있다고 하였으며 그는 이것을 “비국소성 원리(non-locality principle)”라고 불렀다. 비국소성 원리는 결국 증명이 되었다. 즉, 1964년 유럽 핵 연구 센터에 있었던 벨(John Stewart Bell)은 “벨의 정리”라는 부등식을 발표하면서 수학적 해석으로는 입자는 비국소성으로 연결되어 있다고 하였다. 또 1982년 남파리대학교의 광학 연구소의 아스펙트(Alain Aspect)와 그 동료들이 실험적으로 비국소성 원리를 증명하였다. 즉, 쌍둥이 광자가 우주 끝에서 다른 끝까지 하나로 연결되어 있음을 증명하였다. 또 1997년 제네비 대학의 쥐신에 의해 재차 확인되었다. 

넷째, Bohm은 처음에 전자기장을 연구하기 시작하였다. Maxwell(1873)이 기술한 전자기학의 원본에는 20개의 전자기장 방정식이 있었다. 그런데 이 Maxwell의 본래의 방정식대로 하면 무한대가 나와서 실제적으로 응용가치가 없었다. 그래서 과학자들은 Maxwell의 본래의 방정식 취지를 살리면서 응용할 수 있도록 무한대를 제거하고 대신에 가장 가까운 근사치로 대치하면서 20개의 방정식을 4개로 축소하였다. 이러한 과정을 재규격화라고 부른다. 그 이후 과학자들은 Maxwell의 본래의 20개의 전자기학 방정식은 잊어버리고 재규격화된 4개의 방정식이 Maxwell의 본래의 전자기학 방정식인 것으로 착각하게 되었다. 그러다가 1952년 David Bohm은 전자기장이 어디에서 유래하는가를 연구하는 과정에서 그 당시 사용하고 있는 Maxwell의 4개의 방정식은 변형된 방정식이고 본래의 방정식은 20개의 방정식으로 구성되었다는 사실을 알게 되었다. Bohm은 4개의 변형된 방정식에는 없지만 본래의 20개의 방정식에는 전기장(E)의 하부 구조에 정전기 스칼라 에너지(φ)가 존재하고, 자기장(B)의 하부 구조에 자기 벡터(A)가 존재하고 있었다는 사실을 발견하였다. 

그래서 Bohm은 전자기장의 하구 구조에 숨어 있는 정전기 스칼라 에너지(φ)와 자기 벡터(A)를 합쳐서 “양자 포텐셜(quantum potential)”라고 이름을 붙였다. “양자 포텐셜”은 코펜하겐 해석의 파동(wave)과 동일한 의미이다. 그래서 Bohm은 전자기장은 양자 포텐셜에서 기원하는 것이라고 하였다. Bohm은 이와 같이 전자기장 내부에는 전자기장보다 더 미세한 또 다른 에너지장이 숨어 있다는 사실에 감명을 받았고 여기서 힌트를 얻어서 “드러난 질서와 감추진 질서(explicate and implicate order)”의 원리를 발표하였다.

“드러난 질서와 감추진 질서(explicate and implicate order)”의 원리란 마치 러시아 인형처럼 전자기 장과 같은 “거친” 에너지 내부에는 “미세한” 또 다른 에너지인 양자포텐셜(양자장)이 숨어 있다는 원리이다(그림 참조).

그리고 이스라엘 물리학자 Aharonov는 수학적 계산에 의하여 전자기장의 내부에는 또 다른 에너지인 양자포텐셜이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 드디어 1959년 Aharonov와 Bohm의 공동 연구에 의하여 양자포텐셜은 실험적으로 입증하였다. 나중에 과학자들은 이것을 “Aharonov-Bohm effect”라고 불렀다.

다섯째, Bohm은 양자포텐셜(파동)의 출처는 우주 공간을 꽉 채우고 있는 초양자 포텐셜(superquantum potential)에서 기원한다고 하였다. 여기서 초양자 포텐셜은 Max Planck가 말한 영점장(zero-point field)과 동일한 의미이다. Max Planck가 말하는 영점장이란 이런 것이다. 1932년 Max Plank는 절대 온도 0도에서 소립자들의 진동에 관한 연구를 하고 있었다. 뉴턴 역학에서는 진공은 아무것도 없는 상태를 정의하고 아무것도 없는 상태이기 때문에 운동도 없으며 운동이 없기 때문에 온도는 절대온도 0들 취하는 것으로 정의하였다. 그런데 Max Plank는 텅 비워있어야 할 절대온도 0도의 진공에서 에너지가 존재한다는 사실을 발견하였다. 그는 이 에너지를 영점 에너지(zero point energy) 혹은 영점 에너지장(zero  point field)이라고 불렀다. Max Plank는 이와 같이 진공에서 영점 에너지가 생기는 이유는 진공 속에 양자가 존재하고 양자의 진동에 의하여 에너지가 생기기 때문이라고 하였다. 또 1928년 디랙(Paul Adrian Maurice Dirac)은 우주의 허공은 텅 비어있는 것이 아니라 “양(+)의 에너지”를 가진 입자와 “음(-)의 에너지”를 가진 입자가 서로 쌍을 이루면서 생성되었다가 서로 소멸하는 과정을 끊임없이 반복하고 있다고 하였으며 이는 나중에 실험적으로 증명되었다. 

이와 같이 입자들은 매우 짧은 시간대에서 생성되고 소멸하기 때문에 관찰할 시간적 여유가 없는데 이런 입자를 “가상입자”라고 부른다. 이때 “가상입자”란 존재하지 않아서 “가상적”이 아니라 관측이 불가능 하다는 뜻에서 “가상”이다. 이와 같이 “가상입자”들의 끊임없는 요동에 의해서 에너지장이 발생하는 것은 당연하며 그것을 Bohm은 초양자포텐셜이라고 부른 것이다. 또 물리학자 푸토프(Harold Puthoff)는 우주 공간에 영점장 에너지는 있어야 한다고 주장하였다. 푸토프(Harold Puthoff)는 전자가 원자핵 주위를 계속해서 회전하게 될 때 전자기파를 방출하기 때문에 에너지가 고갈되어 결국은 전자는 원자핵 속으로 흡수되어야 하는데 그렇지 않고 계속 회전이 가능한 것은 전자가 주위 공간에 존재하는 영점장 에너지로부터 계속하여 에너지를 흡수하기 때문이라고 하였다(그림 참조).

Bohm(1990)은 자신의 이론을 더욱 확장하여 “초양자 포텐셜” 내부에는 또 다른 접혀진(implicate) 질서가 내포되어 있다고 하였는데 그는 이것을 “활성 정보(active information)”라고 불렀다(그림 참조).

※ 봄(Bohm) 이론의 평가

봄(Bohm)의 양자이론은 코펜하겐 학파의 거물인 보어와 원자 물리학의 대부인 오펜하이머 등이 죽기 이전에는 물리학계에서 별로 주목을 받지 못하였고 오히려 물리학의 이단자로 취급되었다. 그러나 봄(Bohm)의 양자이론은 세월이 지나면서 실험적으로 입증되면서 점차 물리학계의 거목들로부터 인정을 받게 되었다. 봄(Bohm) 이론을 인정한 사람들로는 블랙홀 이론을 창시한 옥스퍼드 대학의 펜로즈(Roger Penrose), 양자이론의 개념적 토대를 세운 세계적 권위자 중의 한 사람인 파리 대학교의 베르나르 데스파냐(Bernard d’Espagnat) 그리고 1973년 노벨 물리학상을 수상자 한 켐브리지 대학교의 조셉슨(Brian Josephson) 등이 있다.

비유법으로 풀이한 봄(Bohm)의 양자이론

장막을 치고 이 장막에 구멍을 두개만 뚫어 놓겠다. 장막에 뚫린 두 구멍을 통해 홍길동의 오른손과 왼손이 두 개 나와 있다고 가정하자.

장막 밖으로 나와 있는 두 개의 손에 대하여 17세기 뉴턴은 두 개의 손이 한 사람의 두 손이라는 사실을 못 보았기 때문에 두 개의 손은 절대공간에 있는 독립적인 서로 다른 사람의 손이라고 했다. 뉴턴 이래 학교 교육은 뉴턴이 생각한대로 두 손이 한 사람의 양 손이 아니라 서로 다른 사람의 손이라고 가르쳤다. 때문에 평범한 우리들의 대부분은 “과학적으로 말해서 두 손은 독립되어 무관한 것이다.”라고 말한다. 심지어 아인슈타인도 EPR(Einstein, Podolsky, Rosen)이라는 사고(思考)실험을 통하여 오른손이 한 일을 왼손이 동시적으로 안다는 현상을 텔레파시와 같은 초자연적 현상이 아닌가 하고 우려를 표명하였다.

그러나 1926년 하이젠베르크는 두 개의 손이 장막 뒤의 한 사람의 손이라는 사실을 발견하였다. 다시 말하면, 양자역학에서 말하는 입자와 파동의 이중성을 발견한 것이다. 그러나 두 개의 손(입자)과 장막 뒤의 홍길동(파동)을 동시에 관찰할 수 없었기 때문에 하이젠베르크는 이것을 “불확정성 원리”라고 불렀다.

1926년 슈뢰딩거도 두 개의 손이 장막 뒤의 한 사람의 손이라는 사실을 발견하였다. 역시 두 개의 손(입자)과 장막 뒤의 홍길동(파동)을 동시에 관찰할 수 없다고 하였다. 슈뢰딩거는 “고양이 역설”이라 하여, 관찰하기 이전에는 고양이가 반(半)은 살아있고, 반(半)은 죽어 있는 상태라고 표현해서는 안 된다고 하였다. 

1927년 닐스 보어는 두 개의 손이 장막 뒤의 한 사람의 손이라는 사실을 인정하면서 앞면에는 두 개의 손이 있고, 뒷면에는 홍길동의 몸체가 있는, 중첩된 상태라고 하였으며 그래서 닐스 보어는 이것을  “상보성 원리”라고 불렀다. 

1965년 벨(John S. Bell)은 부등식을 만들어 두 손이 하나로 연결되어 있음을 수학적으로 증명하였다. 또 1982년 아스펙트(Aspect)는 실험을 통하여 두 손이 하나로 연결되어 있음을 증명하였다. 아스펙트 (Aspect) 가 실험한 내용은 광자(photon)를 두 개로 나누어 멀리 떨어뜨린 다음 두 개의 광자가 서로 연결되어 있음을 증명한 것이다. 아스펙트의 실험 내용은 홍길동의 몸집이 우주만큼이나 크다고 하더라도 두 개의 손은 역시 하나로 연결되어 있음을 의미하는 것이다. 다시 말하면, 두 개의 광자가 우주만큼이나 멀리 떨어져 있어도 에너지장에 의하여 하나로 연결되어 있다는 뜻인데 이것을 양자역학에서는 “비국소성 원리(non-locality principle)”라고 부른다. 

나중에 “비국소성”의 의미는 확장되어 사용되었다. 즉, “비국소성”은 공간적으로 하나로 연결되어 있을 뿐만 아니라 시간적으로도 하나로 연결되어 있어 과거, 현재, 미래가 하나의 에너지場으로 연결되어 있다는 개념이다. “비국소성 원리”는 국소를 자극하면 먼 장기를 치료할 수 있다는 개념이며, 또한 질병을 예측할 수 있다는 개념이기 때문에 에너지 의학에서 중요한 개념이다.

아스펙트의 실험에서 두 개의 광자가 우주만큼이나 멀리 떨어져 있어도 에너지장에 의하여 하나로 연결되어 있다고 했는데 이 말은 우주의 허공은 텅 비워 있는 것이 아니라 오히려  충만 되어 있음을 의미한다.  

이상을 종합하면, 양자역학에서 입자와 파동은 이중성의 관계에 있다. 입자와 파동의 이중성이란 동전의 앞면에 입자가 있고, 그 뒷면에 파동이 존재하는 상보적 관계이고 이것을 상보성 원리라고 부른다. 동전의 앞면에 있는 입자와 동전의 뒷면에 있는 파동을 동시에 볼 수 없는데 이것을 불확정성 원리라고 부른다.