1927년 10월의 어느 날. 벨기에 솔베이 연구소에 물리학계 거물들이 모였다. 아인슈타인, 보어, 퀴리, 하이젠베르크, 슈뢰딩거. 이름만 들어도 알만한 과학자들이 한자리에 앉아 물리학에 대한 이야기를 나눴다. 이날, 코펜하겐에서 온 과학자 보어는 양자 물리학에 대한 자신의 해석을 발표했다. 보어의 해석은 지금까지 양자 물리학의 주류를 이루고 있으며, 과학자들은 이를 '코펜하겐 해석'이라고 이름 지었다.

◇ 보어, 양자 물리학을 설명하다


코펜하겐 해석은 우주를 거시세계와 미시세계로 나눈다. 거시세계는 뉴턴의 고전역학이, 미시세계는 양자역학이 지배하는 세계다. 지난번에 설명한 '이중슬릿' 실험을 떠올려보자. 거시세계는 하나의 입자가 하나의 구멍을 지난다. 야구공을 던지면 공이 구멍을 통과해 스크린에 도달했던 것과 같다. 반면 미시세계에서는 입자가 파동의 성질을 가져, 하나의 전자가 동시에 여러 개의 구멍을 지날 수 있다. 관측하지 않으면 여러 상태가 '중첩'돼 있는 것이다.

보어의 발표가 끝나자 아인슈타인은 보어의 해석을 조목조목 반박한다. 아인슈타인의 반격으로 회의장은 순식간의 토론장으로 변했고, 과학자들은 각자 자기 언어로 목소리를 높이기 시작했다.

사실 솔베이 회의 이전부터, 과학계는 우주의 연속성과 불연속성을 놓고 싸우고 있었다.

◇ 하이젠베르크 vs 슈뢰딩거, 우주는 연속? 불연속?

야구공을 머리 위로 던진다. 공은 위로 떠 올랐다가 이내 바닥으로 떨어진다. 우리는 간단한 계산을 이용해 공의 움직임을 알아낼 수 있다. 그렇다면 원자 안에서 일어나는 움직임도 수학적인 계산으로 밝혀낼 수 있을까?


양자역학의 대표 주자 하이젠베르크는 1925년 '행렬역학'을 고안해냈다. 행렬역학이란 원자 내에서 일어나는 현상을 수학적으로 계산하려는 시도로, 그동안 이해할 수 없던 전자의 움직임을 완벽히 설명해냈다.

문제는 행렬역학을 받아들이면, 우주가 불연속적이라는 사실을 인정해야 한다는 것이다. 이때, 슈뢰딩거는 관측 전의 물질은 파동이나 확률로 존재한다는 파동역학이라는 새로운 방법으로 양자역학을 설명하면서 우주가 불연속적이라는 하이젠베르크의 주장에 정면으로 반박했다.

이때부터 미시세계에서 물질은 불연속적이라고 주장하는 하이젠베르크, 보어계와 연속적이라고 설명하는 슈뢰딩거, 아인슈타인계로 나뉘기 시작했다.

◇ 관측하기 전 물질은 어딨을까?

물체는 관측하기 전에 존재하지 않는다.

이를 이해하기 위해 우주를 하나의 컴퓨터 시스템으로 비유해보자. 우리는 특정한 물리법칙이 작용하는 우주라는 시스템 안에서 살아간다. 양자역학은 어떤 물질이 두 구간을 이동할 때 관측이 이뤄지지 않는다면, 우주 시스템은 물질의 움직임을 계산하지 않는다고 설명한다.

과학자들은 도저히 이해할 수 없는 이 현상을 받아들이기로 했다. 단, 그 범위를 원자보다 작은 미시세계에 한정하기로 했다.

슈뢰딩거는 이러한 결정을 인정할 수 없었다. 그래서, 과학계에서 양자역학의 꽃인 고양이 사고 실험을 제안한다.

차진희 기자 postmoneynews@gmail.com