자연과학을 이해하는 언어 '양자역학'
자연과학을 이해하는 언어 '양자역학'
  • 김승원 기자
  • 승인 2019.11.27 11:04
  • 댓글 0
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-우리가 자연과학을 배워야 하는 이유

여러분은 지금 어디에 있나요? 잠깐 눈을 멈추고 10초 동안 고향을 찾아 보세요. 맞아요. 바로 여기가 당신의 고향, 지구입니다.

-이 기사는 <나침반 36.5도> 매거진 10월호 'Sci&Tech'에 10p분량으로 실린 내용의 일부입니다. 
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자연과학은 인문학이다
우리의 존재는 우주에서 시작됐다. 지구에서 시작된 인문학은 이제 한계를 보인다. 더 이상 인문학만으로는 설명이 불가능한 것들이 많아지면서 세상의 천재들은 인류를 수학과 과학의 세계로 인도했다. 그렇게 인류는 ‘물화생지’로 대표되는 자연과학에 눈을 뜨기 시작한다.

그러나 자연과학은 인문학과 마찬가지로 우리가 필수적으로 알아야 하는 교양인데도 불구하고 이해하기 어렵다는 이유로 외면한다. 하지만 우주와 자연을 이해하는 것이 곧 과학이자 인문학이다. 아리스토텔레스, 갈릴레이, 레오나르도 다빈치 모두가 인문학에서 출발한 수학과 과학을 연결한 천재들이었다. 인문학과 과학은 별개가 아니라는 말이다.

경희대 물리학과 김상욱 교수의 유튜브 강의는 학교에서 배우기 어려운, 아니 학교 교육을 초월한 강의로 흥미를 끌고 있다. 이 자료는 영상의 일부분을 발췌한 내용이다. 양자역학이 나오기 전까지 인류가 아는 우주는 어떤 모습이었을까. 

박테리아부터 인간까지 지구의 생명체는 모두가 평등하다
지구의 생명체는 모두 똑같이 진화했다. 유인원이 사람이 되지 않는다. 이미 진화했기 때문이다. 그와 나는 동일한 레벨이다. “그래도 우리는 지구에서 최고야. 지구는 조그마한 행성이지만 나한텐 이게 다고 여기에서는 내가 최고야.”라고 생각한다면 오해다. 그게 아니라는 거다.

지구상에 있는 수많은 생명체는 동일한 시간 동안 진화한 똑같은 생명체다. 여러분이 결혼해서 아이를 낳고 DNA가 쪼개지고 붙고 하는 그 작용은 박테리아부터 인간까지 모두 똑같다. 주변에 보이는 모든 생명체가 모든 번식하는 생명체의 레벨은 겉모습은 전부 다르지만 가장 기본적인 레벨에서 마지막 레벨로 내려갔을 때, DNA가 단백질을 만드는 과정은 지구상에 있는 모든 생명체가 공유하고 있다.

그러한 레벨에서 우리는 생명체는 동일하다고 보고, 그 레벨에서 인간이 동등하고 그 레벨에서 흑인과 백인이 평등하고 남녀가 평등하다고 말할 수 있는 것이다. 여러분과 대통령이 평등한 것은 생물학적인 이유 때문에 그렇다. 우리 모두는 평등한 거다. 다리가 하나 없어도, 어디가 부족해 보여도 인간은 누구나 생물학적 레벨에서는 똑같다.

우주의 모든 현상은 ‘운동’으로 설명 가능하다!
물리학을 이해하는 가장 중요한 매커니즘은 ‘모든 현상은 운동으로 이해된다’라는 것이다. 물리학에서 운동(運動)은 시간에 따라 물체의 위치가 변하는 것이다. 물리학을 배우는 학생들은 질문이 많다. “태양은 왜 안 떨어지나요?”, “사람은 왜 아래로 안 떨어지죠?”, “왜 밥을 안 먹으면 배가 고프죠?”, “왜 배가 고프면 운동을 못하죠?”… 물리학자는 놀랍게도 이 모든 것들을 운동으로 설명이 가능하다.

사람이 말을 한다. 말을 하는 것도 운동이다. 말하면 목이 떨린다. 목이 떨리면 우리 눈에 보지 않는 공기가 진동한다. 그렇게 진동된 공기는 고막에 전달돼 고막을 진동시킨다. 고막은 이소골을 움직인다.

이소골 안의 액체를 진동시키고 액체가 진동하면서 액체를 감싸고 있는 유모세포가 움직인다. 유모세포의 패턴이 그대로 뇌로 전달이 되는데 패턴을 보면서 어떤 주파수로 뇌로 전달이 되었는지 뇌가 인식하는 것에 따라 소리는 다르게 들린다.

이 모든 과정이 다 운동이다. 심지어 우리의 의식도 뇌 안에서 전기 펄스가 이동하면서 생기는 것이다. 전기펄스는 이온, 나트륨 이온 같은 것들이고 그게 다 전류도 되고 의식도 된다. 지금까지 자연과학 연구 결과 덕분에 300년 동안 물리학자는 이렇게 우주를 운동으로 설명해올 수 있었다. 강의실 주위에 보이는 프로젝터, 형광등, 핸드폰, 이 모든 것이 운동에 기반한다.

이제 마지막 남은 것은 우리가 이해하고 싶어하는 인간의 의식에 관한 연구다. 학자들은 인간의 의식이 일어나는 메커니즘을 ‘모든 인간을 운동으로 이해된다’로 연구하고 있다. 여러분의 세포, 좀 더 들어가서 원자와 분자들의 운동으로 여러분의 의식과 기쁨과 슬픔을 설명하려고 하는 게 뇌과학이다. 실패할 수도 있다. 자연과학자들은 미리 예견하지는 않는다.

지금까지는 성공적으로 해왔다. 그래서 우리가 항상 운동 얘기로 과학 얘기를 시작한다. 어떤 의미에서 보면 스타크래프트라는 게임에서도 우주의 법칙을 발견할 수 있다. 우선 새로운 우주를 만드는 데 프로그래머에게 필요한 것은 유닛들이다. 프로그래머는 유닛들이 매순간 어디에 있는지를 지정해주면 된다. 그러면 유닛은 명령대로 움직인다.

이것은 우리가사는 우주와 다르지 않다. 이것을 내게 적용해 보면, 지금 움직이면서 위치를 바꾸고 있는 유닛이 나고, 유닛을 설명하는 게 양자역학인데 그 다음 운동을 기술하면 끝이다. 이걸 누군가 할 수 있으면 그게 곧 우주가 된다. 우주는 운동의 집합체이다.

운동이 중요하니까 운동을 기술하는 문제만 남았는데, 운동을 기술하기 위해서 위치가 중요하다. 위치를 기술할 때는 x(t)라는 것으로 나타낸다. 위치를 x라고 한다. t는 시간의 함수이다. 시간의 함수는 이해하기 쉽지 않다. 지금도 물리학자들은 시간이 뭔지 알지 못한다. 위치가 왜 3차원인지도 모른다.

우스운 이야기이지만 이렇게 기술하는데도 불구하고 왜 가능한지는 모른다. 철학하는 사람들이 해줘야 한다. 어쨌든 선험적으로 알고 있는 거다. 확실한 건 뉴턴이 처음으로 가정한 것이라는 점이다. 뉴턴이 우주를 x(t)로 기술할 수 있다고 했다.

이제 기술이 끝났다. 쉽지 않은가? 우주를 위치와 시간의 함수로 나타내면 된다. 그런데 우주는 이것만 가지고 굴러갈까? 그렇지 못한다. 이는 우리가 순간을 정지한 모습으로 포착해 둔 사진을 보는 것과 마찬가지다. 사진만 가지고는 사진 속 상황의 다음 순간을 예측할 수 없다. 만약 예측할 수 있다고 한다면 자연과학을 전공한 사람이 아니다. 여기에 있는 차량들이 모두가 짜고 뒤로 갈수도 있다.

그 다음 순간에 대한 정보가 바로 속도 v(t)다. 속도라는 것은 고등학교 때 미분으로 배웠지만 어렵다. 하지만 그 뜻은 별거 아니다. 시간이 조금 변했을 때 위치도 조금 변하는데 그 변화하는 정도를 얘기하는 것이다.  여러분이 초항을 주고 점화식을 주면 수열이 무한대까지 만들어진다. 그게 우주다. 점화식이 다음 위치에 대한 정보를 갖고 있다.

x(t), v(t) 이 두 개로 우주는 스스로 굴러간다. 뉴턴이 만든 고전역학은 매 순간 주어진 어느 시간에 위치와 속도를 동시에 알 것을 요구한다. 이것이 우주를 기술하는 방법이다.

지금까지 수십만 명의 과학자가 수백 년을 관찰한 결과를 보면 우주가 굴러가는 매뉴얼이 있은 것 같다. 어떤 사람의 매뉴얼은 5천장, 어떤 사람은 10페이지 정도라면 10페이지가 좋다. 매뉴얼은 짧을 수록 좋다는 뜻이다.

그런데 놀랍게도 뉴턴이 발견한 우주 매뉴얼은 단 한 줄로 설명이 가능하다. ‘일정한 속도로 움직이는 것은 자연스러운 운동이다’ 일정한 속도로 움직이면 자연스러운 거니까 설명할 필요가 없다. 그런데 속도가 변할 경우에는, 자연스러운 것이 아니니까 관찰하면 된다. 이를 관성의 법칙으로 칭하고 있다.

우리는 이런 사실을 알아내는데 수천 년이 걸렸다. 갈릴레이 이전에 가장 위대한 과학자였던 아리스토텔레스는 “정지해 있는 것은 자연스럽다”라고 얘기했다. 우리 주위에 있는 것들은 정지해있다. 가만히 두면 다 정지한다. 내가 볼펜을 굴려도 정지해 있는 게 자연스럽다. 인간이 수천 년 동안 믿었던 것이다.

갈릴레이는 이를 두고 “등속운동을 하고 있던 물체는 계속 등속운동을 해야 하는데 마찰력 때문에 정지한 것”이라고 말한다. 정지는 오히려 특수한 상태다. 이건 굉장히 큰 도약이다. 이렇게 도약한 순간 인간이 이제 드디어 자연과학문에들어섰다고 말할 수 있다. 하지만 갈릴레이가 아무리 물리학의 아버지라고 불렸어도 이건 너무나 직관적이지 않기 때문에 사람들은 갈릴레이의 말을 믿지 못 했다.

‘지구는 돈다’라는 말을 들은 사람들은 갈릴레이에게 이렇게 질문했다. “도는데 왜 몰라? 마차를 타봐. 마차를 타고 움직이면 흔들리는데 움직이는 사람은 바로 알잖아.” 이것에 대한 답은, 지구에 있는 모든 물체는 지구와 같이 움직이고 있기 때문에 잘 모른다는 것이다. 즉, 여러분은 지금 움직이고 있다는 말이다.

지구는 24시간에 한 바퀴씩 비행기보다 빠른 속도로 자전하고 있다. 그런데 우리는 모른다. 당시의 사람들은 더 그랬다. 이 말을 받아들이지 못하고 갈릴레이를 죽이려 했다. 재판정에 선그는 지구는 돌지 않는다고 했다. 그리고 나오면서 “그래도 지구는 돈다”라는 말을 남겼다.

■ 고전세계의 운동법칙

① 일정한 속도로 움직이는 것은 자연스러운 운동이다.
② 속도가 변하는 것은 자연스럽지 못하다.
③ 따라서 운동법칙은 속도의 변화를 기술한다.

■ <나침반 36.5도> 10월호 해당 페이지 안내 

*에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=32010


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