[1주차] Introduction to Quantum Physics 1

현재 매주 화요일마다 양자역학 세미나를 진행중입니다. 저 외에 3명, 그리고 교수님 한 분이 이를 지도해 주고 계신데, 정말 유용하고 배우는 것이 많아 여기에도 기록하고자 합니다.

 

매주 한 챕터의 소절을 논하는데(새 챕터는 2소절씩) 깊이부터가 남다릅니다. 교재는 우리에게 다소 생소한 Asher Peres 의 "Quantum Theory : Concepts and Methods" 입니다. 대학원 사람들을 위해서 쓰인 교재로 Sakurai 의 Modern Quantum Mechanics 보다 조금 더 어려운 교재로 들었습니다. 어휘 수준이 높다는 특징도 가지고 있는 것으로 알고 있습니다.

 

Asher Peres 의 양자역학 책 표지

앞으로 1년 동안 이 교재로 교수님께 사사받을 생각을 하니 벌써부터 기대가 됩니다. 이런 기회가 또 어디 있겠습니까?

 

첫 시간의 Introduction 에 해당하는 내용을 지금부터 요약 정리하도록 하겠습니다.

현재 우리가 아는 살아 있는 물리학자들 중에는 '고전 역학의 대가' 라던가, '전자기학의 대가' 는 없습니다. 이들은 이미 체계화에 대한 논의가 끝났기 때문입니다. 뉴턴, 라이프니츠, 오일러, 라그랑주, 해밀턴, 맥스웰 등의 대가의 손을 거치면서 말입니다.

 

그런데 양자역학의 경우에는 체계화가 아직 끝나지 않았기 때문에 '대가'라는 것이 아직 존재합니다. 우리가 흔히들 말하는 '코펜하겐 해석' 등이 이 '체계화'의 한 종류입니다. '코펜하겐 해석' 이 가장 널리 받아들여지는 해석이긴 하나, 아직 드 브로이/봄 해석, 서울 해석(...) 등의 여러 체계화에 대한 시도가 남아 있습니다.

 

과학사를 살펴보면 고전역학/전자기학이 정립되던 시기의 학자들이 지금의 관점에서는 잘 이해되지 않는, 당연한 것을 가지고 싸우는 듯한 이상한 논쟁들이 보이곤 합니다. 이것이 바로 체계화에 대한 논쟁이 아니었을까 생각합니다. 

 

각설하고, 이 책은 그 중에서도 코펜하겐 해석을 기반으로 한 책입니다. 코펜하겐 해석은 기본적으로 Operationalism 에 기반을 두고 있습니다.

Operationalism 은 한국말로 번역하면 '조작주의' 라고 알려져 있어, 다소 좋지 않은 어감을 주지만, 실제 의미는 훨씬 유용한 정보를 담고 있습니다. 조작주의란, 실험 장비에 대한 체계가 기술돼 있어야 한다는 원칙입니다. 다시 말하면 직접 측정하는 것이 매우 중요하다는 내용을 담고 있습니다.

우리가 아는 Albert Einstein, Mach, Neels Bohr 등의 물리학자들이 바로 이 조작주의에 기반해서 물리학을 연구하던 학자들입니다. 그래서인지 우리는 물리학 하면 실험을 떼어 놓고 생각할 수 없습니다.

 

Einstein은 물었습니다.
"시간을 측정한 적이 있는가?"

이는 Michelson - Morley의 실험으로 인해서 측정이 되었고, 그래서 시간은 조작주의를 위반하지 않는 물리량이 되었습니다.

 

그런데 똑같이 조작주의에 기반한 생각을 하면서도 Einstein과 Bohr는 서로 의견이 크게 갈렸습니다. Einstein이 불확정성 원리를 매우 싫어했던 것은 바로 이 때문이었습니다. 

Bohr는 Copenhagen 해석을 내놓았지만, 양자적인 '실체' 가 없다는 이유로 아인슈타인은 이를 받아들일 수 없었던 것이죠.

 

조작주의에서는 전기장, 자기장에 대한 실체도 없다고 하였습니다. 그런데 그리피스 양자역학 4단원에도 등장하는 'Aharonov-Bohm effect'에 의해서 Potential energy 역시 실체가 있으므로 조작주의에서 이를 인정하게 되었습니다.

 

조작주의는 이처럼 머릿속 관념에 존재하는 idea(이데아), 그러니까 Platonism에 기반한 주장과 정 반대되는 개념입니다. 이렇게 물리적 실체가 있는 것들만 인정하는 체계이므로 생각의 차이가 생깁니다.

 

 

현재 양자 물리학을 연구하는 분들이나 학생들은 copenhagen 해석을 대부분 인정한다고 합니다. 다만, 양자 정보 이론의 경우는 Multiverse Theory에 기반한 해석을 선호하는 사람이 60%, Copenhagen 해석을 선호하는 사람이 20 %, David Bohm 해석을 선호하는 사람이 10% 정도 된다고 합니다.

 

여기까지가 첫 인트로 내용이었고, 이후부터 1주에 2~4개 정도의 모르는 것, 아는 것을 준비해 오게 되었습니다.

뒷 내용은 훨씬 더 흥미진진합니다.