고전 물리와 양자 물리의 전환점에 서서.
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EBS 다큐프라임 “빛의 물리학”
하늘이 파란색인 이유가 무엇일까? 우주가 파란색이라서? 아니면, 풀잎의 색이 녹색이듯 공기의 색은 파란색이기 때문이라서? 이 물음에 대한 답은 공교롭게도 19세기가 되어서야 나왔다. 유전율의 공간적인 교란으로 인해 발생하는 Rayleigh scattering. 하늘에 분포하고 있는 공기입자들이 공간적인 유전율의 변화를 주고 이 때문에 마치 먼지가 낀 방안에 햇살이 드러나듯 빛을 발하게 되고, 높은 주파수의 빛이 더 많이 산란(scattering)된다는 점 때문에 하늘이 짙은 파란색으로 보이게 된 것이다.
인류의 시작 이래로 하늘은 매일 그 파란색을 밝게 비추었을 것이고, 사과 역시 매일 땅으로 떨어졌을 텐데, 인류는 그 역사에 비해 아주 최근에야 사소한 실마리를 하나씩 풀어나가고 있는 형국이다. 달에 사람을 보내고 고집적화된 반도체 소자를 만드는 지금 이 순간에도 우리 주변에서 빈번하게 일어나는 일에 대해서는 아직 그 원인과 물성이 명확히 밝혀진 것이 드물다. 본 프로그램에서는 “빛의 물리학”이라는 제목으로 익숙하지만 그 원인과 현상이 정확하게 규명되지 않은 것들을 현대 물리학의 관점에서 다루고 있다.
20세기초 닐스 보어는 원자 모델을 선보이면서 만물을 구성하고 있는 기본 물질의 탐구에 대한 장을 열어놓았다. 이후 하이젠베르크와 슈뢰딩거는 각기 전자의 입자성과 파동성을 논리적으로 해석해 내었고 파동과 입자의 양면성을 갖는 전자라는 물질을 해석하기 위해 많은 물리학자들이 파를 나누어 논쟁을 벌이고 있다. “전자의 이중 슬릿 실험” 등과 같이 이름만 대면 알법한 유명한 실험들이 진행되었고 실험을 진행하면 할수록 복잡해 지는 전자의 본질에 물리학자들은 조금씩 고전역학대신 새로운 관점(양자역학)으로 미시세계를 보는 노력이 필요하다는 쪽으로 그 관점이 이동하게 된다.
양자역학은 “제대로 이해하는 사람은 전세계에서 손에 꼽을 정도”라는 말이 있을 정도로 난해함으로 가득한 학문이다. 고전 역학처럼 간단한 방정식으로 뚝딱 정의되지도 않고 때로는 사칙연산이 아닌 새로운 연산으로 접근해야 하는 경우도 있다. 때문에 고전 역학에 길들여진 우리에게는 어렵게 느껴질 수 밖에 없는 것이 당연하다. 하지만, 현재의 비약적으로 빠른 과학기술의 발전 속도를 보았을 때, 나는 머지않아 이 양자물리가 지금의 고전물리와 같이 대부분의 사람이 기본적으로 쌓아야할 기본 소양으로 자리잡게 될 것으로 믿어 의심치 않는다. 이르면 우리 다음 세대, 즉 우리 자식들이 고등학교에서 양자역학을 배우게 되지 않을까? 그때 우리에게 자식들이 나름 카이스트를 졸업한 아버지라고 자기들이 궁금한 문제들을 들고 오면 어떻게 설명을 해줘야 할까? 그래서 나는 고전역학과 양자역학의 전환점에 서있는 우리는 양자역학에 대한 기본 개념 정도는 갖추어야 하지 않을까 하고 생각해 본다. 비단 아이들에게 부끄럽지 않은 아버지가 되기 위해서만이 아니라 시간이 갈수록 양자역학을 기반으로 한 연구가 그 세를 넓혀갈 것이고, 이들을 정확하게 파악하고 그 흐름을 따라가기 위해서는 당연한 길이라 생각하기 때문이다.
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