[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (6장 양자역학) "우리가 알 수 있는 것은 오로지 확률뿐이다."

📕 도서 정보

 

파인만의 여섯가지 물리 이야기

『파인만의 여섯 가지 물리 이야기』 보급판 . 흔히 아인슈타인 이후 최고의 천재로 평가되는 미국의 물리학자 파인만이 물리학의 진수를 일상적인 언어로 풀어냈다. 리처드 파인만은 원래 물리학계에 천재적인 인물로 소문이 났지만, 그의 가장 큰 장점은 무엇보다도 '어려운 내용을 쉽게 풀어내는' 흔치 않은 재능을 타고났다는 것이었다. 더군다나, 물리학의 전문가가 아닌 일반 학부생을 대상으로 하는 강연이었기 때문에, 파인만의 설명은 간결하면서도 조리있고, 유머러스하면서

저자

리처드 파인만

출판

승산

출판일

2003.01.06

 

📚 책과 저자

리처드 파인만(Richard Feynman, 1918-1988)은 20세기 가장 탁월한 이론물리학자 중 한 명으로, 1965년 양자전기역학(QED) 분야의 업적으로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는 뛰어난 과학자일 뿐만 아니라 탁월한 교육자로서도 유명했으며, 복잡한 물리 개념을 명확하고 이해하기 쉽게 설명하는 능력으로 많은 사람들에게 영감을 주었습니다.

'파인만의 여섯가지 물리이야기(Six Easy Pieces)'는 파인만이 캘리포니아 공과대학(Caltech)에서 진행한 유명한 '파인만 물리학 강의(The Feynman Lectures on Physics)' 중에서 일반인도 이해할 수 있는 여섯 개의 기초적인 강의를 모은 책입니다. 이 책은 원자, 물리 법칙의 기본 개념, 에너지 보존, 중력, 양자역학 등의 주제를 다루고 있습니다.

파인만은 이 책에서 복잡한 물리학적 개념을 일상적인 비유와 직관적인 설명을 통해 풀어냅니다. 그의 강의 스타일은 공식적인 수학적 표현보다는 물리적 직관과 개념적 이해에 중점을 두고 있어, 물리학을 처음 접하는 사람들도 쉽게 이해할 수 있습니다.

'파인만의 여섯가지 물리이야기'는 단순히 물리학 지식을 전달하는 것을 넘어 과학적 사고방식과 자연을 바라보는 관점을 제시합니다. 파인만은 자연 현상에 대한 호기심과 질문의 중요성을 강조하며, 과학이란 단순히 사실을 암기하는 것이 아니라 세상을 이해하는 방법이라고 가르칩니다.

이 책은 물리학 입문서로서 전 세계적으로 큰 인기를 얻었으며, 파인만의 가르침이 담긴 다른 책들('Six Not-So-Easy Pieces', 'QED: The Strange Theory of Light and Matter' 등)과 함께 과학 교육의 고전으로 자리 잡았습니다. 파인만의 명쾌한 설명과 독특한 통찰력은 오늘날까지도 많은 과학자와 학생들에게 영감을 주고 있습니다.

 

📖 내용 요약

1. 움직이는 원자: 이 강의에서 파인만은 모든 물질의 기본 구성 요소인 원자의 개념을 소개합니다. 원자의 끊임없는 움직임과 상호작용이 우리가 관찰하는 모든 자연 현상의 기초가 됨을 설명하며, 브라운 운동과 같은 일상적 현상을 통해 원자의 존재를 이해하도록 돕습니다.
2. 기초 물리학: 이 강의에서는 물리학의 근본 개념과 과학적 방법론을 다룹니다. 관찰, 가설 설정, 실험적 검증으로 이어지는 과학적 프로세스를 강조하며, 물리 법칙이 어떻게 발견되고 정립되는지 설명합니다.
3. 물리학과 다른 과학과의 관계: 이 강의에서는 물리학이 화학, 생물학, 지질학 등 다른 과학 분야와 어떻게 연결되어 있는지 탐색합니다. 파인만은 모든 자연 현상이 궁극적으로 물리 법칙에 기반하지만, 각 학문 분야가 고유한 접근 방식과 중요성을 가지고 있음을 설명합니다.
4. 에너지의 보존: 이 강의는 자연계에서 에너지가 다양한 형태로 변환되지만 총량은 항상 보존된다는 중요한 물리 원리를 다룹니다. 위치 에너지, 운동 에너지, 열 에너지 등 다양한 에너지 형태와 그 전환 과정을 이해하기 쉽게 설명합니다.
5. 중력: 이 강의에서는 뉴턴의 중력 법칙부터 아인슈타인의 일반 상대성 이론까지, 중력에 대한 우리의 이해가 어떻게 발전해왔는지 탐색합니다. 중력이 작용하는 방식과 그것이 우주의 구조에 미치는 영향을 설명합니다.
6. 양자적 행동: 마지막 강의에서는 미시 세계를 지배하는 양자역학의 기본 원리를 소개합니다. 이중 슬릿 실험과 같은 핵심 실험을 통해 양자역학의 확률적 특성과 불확정성 원리와 같은 직관에 반하는 개념들을 이해하기 쉽게 설명합니다.

 

💫 인상 깊은 구절들

고전적인 이론만을 고집한다면 결코 올바른 결론에 도달할 수 없다. 모든 물질들은 예외 없이 원자 규모의 작은 입자들로 이루어져 있기 때문이다.

양자역학이란, 물질과 빛이 연출하는 모든 현상들을 서술하는 도구

전자는 입자도 아니며 파동도 아니다.

전자들의 행동양식이 빛과 비슷하다.

우리들이 갖고 있는 모든 경험과 직관은 거시적인 세계를 바탕으로 형성되었기 때문에, 미시적인 세계를 이해하지 못하는 것은 너무나도 당연한 일이다.

양자역학의 핵심적 개념이 숨어 있다. 사실, 이것은 하나의 미스터리일 뿐이다.

전자는 간섭을 일으킨다.

파동도 아닌 전자가 간섭을 일으키다니, 이런 일이 어떻게 가능하단 말인가?

전자는 총알과 같은 입자처럼 덩어리의 형태로 도달하지만, 특정 위치에 도달할 확률은 파동의 경우처럼 간섭무늬를 그리며 분포된다. 이런 이유 때문에 전자는 '어떤 때는 입자였다가, 또 어떤 때는 파동처럼 행동한다.'

고전적인 파동이론을 공부할 때, 우리는 파동의 진폭을 시간적으로 평균하여 파동의 세기를 정의했으며, 계산상의 편의를 위래 복소수를 사용했었다. 그러나 양자역학에서 진폭은 '반드시' 복소수로 표현되어야만 한다. 실수 부분만 갖고는 아무것도 할 수 없다.

두 개의 구멍을 모두 열어놓은 실험에서는 간섭현상이 일어났는데, 전자들이 통과한 구멍의 위치를 알아내기 위해 약간의 장치를 추가했더니 간섭 패턴이 사라져버린 것이다. 광원의 전원을 차단하면 간섭패턴이 다시 나타난다. 대체 뭐가 어떻게 돌아가는 것일까!

빛은 전자에 커다란 영향력을 행사한다. 전자를 '보려고'했던 우리의 시도 자체가 전자의 운동을 바꾸어 놓은 것이다.

빛의 조도가 너무 약하면 전자를 아예 '놓쳐버리는' 경우가 생기는 것이다. 왜 그럴까? 그렇다. 우리는 믿는 도끼에 발등을 찍힌 셈이다. 전자뿐만 아니라 빛까지도 '덩어리'처럼 행동하고 있었던 것이다! 파동이라고 믿어왔던 빛이 지금은 입자적 성질을 발휘하여 우리를 실망시키고 있다.

광자가 전자를 교란하는 것을 원치 않는다면, 빛의 세기를 줄이는 게 아니라 빛의 진동수를 줄여야 하는 것이다.

아주 가까이 있는 두 개의 점을 구별하는 것은 '빛의 파동성' 때문에 한계가 있다고 말했었다. 이 한계는 어느 정도일까? 빛의 파장이 바로 그 한계이다. 즉, 두 점 사이의 거리가 빛의 파장보다 가까우면, 그 빛으로는 두 개의 점을 구별할 수가 없다.

빛의 파장이 두 구멍 사이의 간격보다 길어지면 빛이 전자에 의해 산란될 때 커다란 섬광이 발생하여 전자가 어느 구멍을 통해 나왔는지 알 수가 없게 된다!

빛의 파장을 계속 늘여나가면 광자에 의한 전자의 교한이 아주 작아져서 간섭무늬가 거의 완전하게 재현된다.

전자가 어느 쪽 구멍을 통해 나왔는지 알면서, 동시에 간섭무늬까지 볼 수 있는 방법은 이 세상에 존재하지 않는다.

불확정성원리를 피해 가는데 성공한 사례는 단 한번도 없었다. 그러므로 우리는 이 원리가 자연계에 원래 존재하는 특성임을 받아들여야 한다.

우리가 만일 전자를 '쳐다본다면', 즉 전자가 어느 쪽 구멍을 통해 나왔는지를 알려주는 어떤 장치를 만들어 놓았다면, 우리는 개개의 전자가 지나온 구멍을 알 수 있다. 그러나 전자가 가는 길을 전혀 교란시키지 않는다면(전자를 쳐다보지 않는다면), 그것이 어느 구멍을 통해 나왔는지 알 수가 없게 된다.

전자를 비롯한 모든 물질들이 파동적 성질을 갖는 게 사실이라면, 앞에서 총알을 대상으로 했던 실험은 어찌된 것일까?

총알의 파장이 너무 짧아서 이들이 만드는 간섭무늬가 너무 적게 나타났기 때문에 우리에게 감지되지 않았던 것이다. 즉, 최대점과 최소점이 매우 촘촘하게 붙어있기에 우리가 사용하는 둔감한 감지장치로는 총알의 간섭무늬를 확인할 길이 없다.

하나의 사건이 여러 가지 방법으로 일어날 수 있는 경우, 이 사건에 대한 확률진폭은 각각의 경우에 대한 확률진폭을 더하여 얻어지며, 이때 간섭현상이 일어난다.

하나의 사건이 여러 가지 가능성 중 어떤 방법으로 일어났는지를 알아내는 실험을 한다면, 그 사건이 발생할 전체 확률은 개개의 방식으로 일어날 확률들을 더하여 얻어지며, 간섭은 일어나지 않는다!

실험기구의 주변환경을 아무리 이상적으로 만든다 해도 개개의 전자가 어디로 도달할 것인지를 정확하게 예측하는 방법은 없다. 우리는 오직 가능성(확률)만을 예측할 수 있을 뿐이다.

우리는 주어진 상황에서 앞으로 벌어질 일을 정확하게 예측할 수 없다.

우리가 알 수 있는 것은 오로지 확률뿐이다.

지금의 우리는 그저 확률을 계산하는 것만으로 만족해야 한다. 사실 '지금'이라고 말은 하고 있지만, 이것은 아마도 영원히 걷어낼 수 없는 물리학의 굴레인 것 같다. 불확정성원리는 인간의 지적능력에 그어진 한계가 아니라, 자연자체에 원래부터 내재되어 있는 본질이기 때문이다.

간섭무늬를 소멸시키지 않으면서 전자가 어느 구멍을 지나왔는지를 확인하는 방법은 없다.

위치와 운동량을 매우 높은 정확도로 동시에 측정할 수 있다면 양자역학은 붕괴된다.

위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 방법은 단 한차례도 발견되지 않았다. 

DALL-E, 노년 파인만

💭 나의 사색

양자역학은 물질과 빛이 연출하는 모든 현상을 서술하는 도구이다. 그런데 물질과 빛은 이럴 수도 있고 저럴 수도 있다. 무슨 말인가 하면, 물질과 빛은 입자의 성질을 지닐 수도 있고 파동의 성질을 지닐 수도 있다. 그래서 우리는 주어진 상황에서 앞으로 벌어질 일을 정확하게 예측할 수 없다. 우리가 알 수 있는 것은 오로지 확률뿐이다.

성경에 기록된 말과 똑같다. 전도서 8장 7절에 <사람이 장래 일을 알지 못하나니 장래 일을 가르칠 자가 누구이랴>라고 기록되었다. 허허.. 양자역학이 성경에 기록된 말과 정확하게 똑같은 현상을 서술하고 있다. 그럼 나는 어떻게 살아야 할까. 아무것도 예측할 수 없고 다만 확률로만 알 수 있을 뿐이라면, 나는 어떻게 해야할까?

양자역학이 전도서의 말씀을 서술하고 있다면, 전도서의 말씀대로 살면 되지 않을까? 전도서에서는 먹고 마시고 하는 일에서 즐거움을 느끼고 배우자와 함께 하는 것을 하나님의 선물이라고 했다. 그렇다면 나는 예측할 수 없는 확률 속에서 위험에 대비하고 행운을 잡아내기 위한 먹고 마심과 즐겁게 일하는 것 그리고 배우자와 함께하는 것에 초점을 맞춰야 할지 않을까 싶다.

불확정성의 원리는 이해하지 못하고 그저 받아들이기만 해야겠다. 파인만도 그러라고 했다. 이해할 수 없지만 자연계에 분명히 존재하고 있는 법칙인 것 같다. 신의 섭리라고도 할까.

결국 알 수 없는 미래에 집중하는 것은 바보같은 일이다. 이미 벌어진 오늘에 집중하는 것이 자연계에 깃든 법칙이고 신이 의도한 섭리인 것 같다.

오늘 정희원 교수님의 저속노화와 관련된 책을 읽었다. 저속노화 식단이랑 느리게 나이드는 방법이었나.. 거기에서 먹는 것에 대한 경각심을 느꼈다. 아무래도 먹고 마시는 것에서 많은 변화를 이루어야 할 것 같다. 그게 양자역학이, 전도서가 그리고 저속노화가 말한 오늘을 살아내는 방법 중 하나인 것 같다.

그리고 하는 일에서 즐거움을 느끼고 배우자와 함께하는 것도 역시 중요하다고 생각한다. 알 수 없는 미래에 어떤 일을 하고 싶은지 보다는 지금 오늘 즐거운 일을 하는게 중요한 것 같다. 여자친구와 같은 시간에 같은 장소에 같이 있는 것도 지금해야 하는 것 같다. 폴 칼라니티와 랜디 포시의 책에서 공통적으로 발견한 것은 '지금 사랑하는 사람과 여행을 떠나라'였다. 지금 하지 않으면 영원히 지금할 수 없다.   

 

✍️ 마무리 생각

양자역학이 전도서의 말씀을 서술하고 있다는 사실이 좋다. 역시! 뭐 이런 느낌이 들었달까. 미래를 알 수 없다는 것이 사실이라는 것이 나에게 위안을 주었다. 더욱 오늘에 집중하는 것이 중요하다고 느껴졌다. 내가 하는 일, 먹는 것, 함께 하고 있는 사람들이 얼마나 중요하고 소중한지 느껴졌다. 앞으로 먹고 마시고 일하고 함께하는 것에 더 관심을 두고 더 많은 변화를 이뤄내야겠다.

알 수 없는 세상 속에서 내가 할 수 있는 것은 오늘은 충실히 살아내는 것 뿐이라는 게 과학적으로도, 성경적으로도 옳다. 건강한 것을 먹고 즐거운 일을 하고 행복한 관계를 맺자!

 

📚 다른 챕터로 넘어가기

(1~2장 : 움직이는 원자 / 기초물리학)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리퍼드 파인만 (1~2장) "미래를 정확히 예측하는 것은 불가능하

(3장 : 물리학과 다른 과학과의 관계)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (3장) "우리는 각자 명백하게 고유하다."

(4장 : 에너지의 보존)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (4장 에너지의 보존) "에너지 보존 법칙은 사실

(5장 : 중력)

[파인만의 여섯가지 물리이야기] - 리처드 파인만 (5장 중력) "중력은 수천만 광년의 먼 거리까지

(6장 : 양자역학)

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