양자역학의 역사와 철학(룩스문디 4)

1. 스마트 혁명의 토대, 양자역학



오늘날 대부분의 사람이 스마트폰을 가지고 있다. 이제 우리는 스마트 혁명 시대에 살고 있는 것이다. 스마트폰은 언제, 어디서든지 원하는 곳으로 필요한 정보를 보낼 수 있고, 동시에 어디에 있든지 정보를 받을 수 있는 융합 기술로 정보통신 시대의 상징이다. 엄청난 계산량을 처리해야 하는 이 정보통신 혁명의 배후에는 고체 증폭기인 트랜지스터의 발명이 있었다. 이 트랜지스터의 이론적 토대가 바로 양자역학이다.

과학의 역사 중에서 20세기 물리학 혁명만큼 흥미로운 때는 없었다. 그 중심에 바로 양자역학이 있다. 양자역학만큼 현대 과학기술을 혁신적으로 발전시킨 물리학 이론도 없다. 하지만 플랑크, 아인슈타인, 보어, 드 브로이, 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 파울리 등 천재적인 물리학자들이 양자역학을 어떻게 형성해왔는지 그 정확한 역사를 아는 사람은 몹시 드물다. 이 책은 바로 이 역사를 알고 싶은 사람에게 단비와 같다. 1900년에서 1930년대까지 양자역학 형성의 역사에는 인류 과학사의 위대한 순간들이 빽빽이 들어차 있다. 나아가 당시 천재 물리학자들을 당황시키고 그들을 때때로 반목하게 했던 철학적 물음은 아직도 여전히 풀리지 않은 채 우리에게 계속 질문을 던지고 있다. 이 역사와 철학에 도전해보고 싶은 사람이라면 이 책과 함께 그 여정을 떠나보기를 추천한다.



2. 양자역학의 전모를 한눈에 파악한다



아직 한국에서는 양자역학의 역사와 철학에 관한 저술이 한 권도 출판되지 않았는데, 이 책은 이 분야에서는 한국에서 처음 나오는 학술서이다. 일반적으로 양자역학의 역사를 다룰 때는 철학을 놓치는 경우가 많다. 그리고 양자역학의 철학을 다룰 때는 반대로 역사적 조망을 놓치는 경우가 많다. 이에 비해 이 책은 양자역학의 통사를 다루면서도 철학적 논쟁 부분을 놓치지 않고 함께 다루었다는 점에서 학문적으로 의의가 크다.

양자역학의 기이함과 신비함은 많은 사람의 관심을 끈다. 예를 들면 보어와 아인슈타인 논쟁에서 등장하는 아인슈타인의 질문, "내가 달을 보지 않으면 달은 존재하지 않는가?"라든지 입자는 궤적을 가지지 않는다는 것을 함축하는 하이젠베르크의 불확정성원리, 물질이 입자이면서 파동이라는 이중성 등은 많은 사람들이 관심을 가진 매우 신비한 문제이다. 이 책은 이러한 것에 관심 있는 사람들이면 누구나 읽을 수 있도록 고전역학의 붕괴와 양자역학의 탄생 과정을 논리적으로 역사적인 흐름을 추적하며 설명하고, 동시에 양자역학이 지니는 심오한 철학적 문제를 다룸으로써 복잡하고 어려운 양자역학의 전모를 일목요연하게 파악할 수 있게 해준다. 이 책은 물리학, 철학, 역사를 한 권에 버무리면서 융합적 연구의 새로운 도전을 보여준다. 이러한 점은 이 책이 기존의 양자역학의 철학이나 역사를 다룬 책들과 구분되는 중요한 지점이다.



3. 양자역학의 역사와 철학



양자역학은 상대성이론과 더불어 현대물리학의 양대 기둥이다. 양자역학은 그 내용이 기이하여 상대성이론과는 달리 발전 과정에서 끊임없이 해석이 문제가 되었고 지금도 문제가 되고 있다. 양자역학은 물리학적, 역사적, 철학적 측면에서 복잡하게 얽힌 많은 내용을 담고 있다.

캐비티(상자) 내부에서 복사하는 진동자는 파동이기 때문에 에너지는 연속적이어야 한다는 것이 고전물리학의 가정이다. 그러나 이 캐비티 내에서 진동자의 에너지는 불연속적이다. 양자역학의 문을 최초로 연 막스 플랑크 자신도 이러한 현상을 의아하게 생각했음에도 불구하고 1900년에 일련의 가정을 제안하면서 양자혁명을 촉발시켰다. 에너지가 양자화되어 있다는 제안은 빛이 파동이면서 입자라는 이중성을 가진 광양자라는 것이 밝혀지면서 더욱 미궁 속으로 빠져들었다. 이러한 어려움을 해결하면서 새로운 돌파구를 만들어 양자혁명을 다듬은 사람은 닐스 보어다. 보어는 원자 내에서 운동하는 전자의 궤도가 불연속적이라는 가정을 하여 원자의 안정성과 원자의 복사에너지 방출을 설명하는 양자 이론을 제안한다. 여기서 양자혁명은 본격적으로 시작된다.

이 책은 이러한 양자혁명의 배경을 설명하며, 고전역학이 어떻게 붕괴되기 시작하는지 그리고 양자혁명이 어떻게 탄생하고 발전하는지 그 전개 과정을 상세하게 기술하고 있다. 그러면서 체계적인 양자 이론인 하이젠베르크의 매트릭스역학이 어떻게 탄생하는지를 역사적으로 다룬다. 이와 더불어 불확정성원리, 슈뢰딩거의 파동역학 등이 어떻게 출현했는지를 추적하면서 확률적인 세계 해석은 무엇이며 또 세계를 이해하는 우리의 시각이 어떻게 바뀌게 되었는지 등도 함께 다루고 있다. 무엇보다도 가능한 한 수식을 적게 쓰는 대신에 개념 설명을 충분히 하여 접근성과 가독성을 높였기 때문에 양자역학에 관심이 있는 일반 독자들도 충분히 읽어낼 수 있을 것이다.



제1부는 양자역학의 형성 과정과 해석의 역사이다. 일종의 통사처럼 고전역학으로 설명할 수 없는 현상들이 어떤 것이 있는지, 또한 이 현상들을 왜 고전역학의 수정을 통해 해명하지 못했는지를 살펴보았다. 그리고 그것들이 고전역학의 붕괴로 이어져 새로운 역학의 출현으로 나타난 과정을 밝혔다. 즉 양자역학의 시작부터 보어의 상보성의 출현까지를 다루었다. 그리고 이 양자역학을 형성하는 데 중요한 역할을 했던, 양자역학의 주류 해석인 코펜하겐 해석을 최근의 연구 결과를 고려하여 다루었고, 대안적 해석도 다루었다. 특히 제1부에서는 양자역학 전체 역사를 일목요연하게 보여주고 있다.

제2부는 양자역학을 둘러싼 보어와 아인슈타인의 논쟁을 다루었다. 이 논쟁은 과학사에서는 라이프니츠-클라크 논쟁에 비길 만한 거대한 논쟁이다. 이 논쟁은 물리학적인 세부 논쟁이 아니라, 이론의 본성, 인과론, 결정론-비결정론, 물리적 이해의 의미, 물리적 존재자의 본성 등 양자 이론의 철학적 해석에 대한 논쟁이었다. 이 논쟁에서 우리는 두 거인이 물리학에 대해 가진 철학적 태도가 양자역학을 서로 다르게 보게 했다는 것을 발견할 수 있다. 이 논쟁은 우리에게 과학과 철학의 관계를 잘 보여준다. 두 거인이 타계하고 난 이후 벨은 벨 정리를 유도하면서 교착 상태에 있던 그 논쟁에 새로운 지평을 열었다. 여기서는 결정론, 비결정론보다는 국소성, 비국소성, 전체론 등이 중요한 주제가 되는 벨 실험의 철학적 해석을 다루었다. 이것은 세계의 본성의 이해에 대한 새로운 국면을 제공하는 흥미로운 분야이다.

제3부는 보어를 둘러싼 실재론-반실재론 논쟁이다. 실재론-반실재론 논쟁은 이론과 세계의 관계를 다루는 논쟁이기 때문에 과학철학에서 중요한 부분일 뿐만 아니라, 철학, 문학, 역사, 사회과학 등 학문 전반과 관련된 유의미한 쟁점이다. 보어의 상보성의 철학을 둘러싼 실재론-반실재론 논쟁은 기존의 세계 이해와 다른 독특한 관점을 보여줌으로써 우리의 인식에 큰 자극을 준다.



4. '융합'의 새 지평을 열다



양자역학은 물리학에서 매우 특별한 위치를 차지한다. 지금까지 물리학이 결정론적 인과율을 따른다는 것에 아무런 의심도 없었지만, 양자역학이 등장하면서 사정이 바뀌었기 때문이다. 심지어 대부분의 물리학자조차도 물리적 개념만으로는 양자역학의 함축을 이해할 수 없다고 고백한다. 특히 인문학적 상상력이 필요한 만큼 오늘날 양자역학이 함축하는 바를 탐구하기 위해 철학자들을 비롯한 인문학자들도 양자역학 연구에 참여하기에 이르렀다. 하지만 양자역학은 너무 전문적인 지식을 요구하기 때문에 인문학자들이 접근하기에는 결코 쉽지 않은 분야이다. 결국 양자역학이 함축하는 바를 이해하기 위해서는 과학자들과 인문학자들이 모여 자신들이 이해한 바를 소통해야만 하는 융합연구가 절실히 필요하다.

이 책을 통해 우리는 자연과학에 대한 좁은 이해 방식―자연과학은 단지 자연의 법칙의 결합이다―을 벗어나 자연의 신비함을 더 깊이 깨달을 수 있다. 사실 고전역학이 들어맞는 세계는 우리가 머릿속에서 상상할 수가 있다. 그러나 양자역학의 세계는 그렇지 않다. "만약 양자역학이 세계에 대해 참이라면, 세계는 어떠해야 할까?" 당연한 질문이지만 아무도 답할 수 없기 때문에 이 질문은 파인만에 의하면 금지된 질문이다. 이러한 양자역학에 대한 반성은 그 자체로 철학적이며, 인문학적인 것이다. 양자역학의 역사 및 철학은 인문학과 자연과학의 융합적 사고를 할 수 있는 지평을 넓혀주는 영역이다. 이 영역은 인문과학과 자연과학이라는 두 문화의 장벽을 낮추어 두 분야 간에 소통을 원활하게 하는 데 중요한 장이 될 수 있다. 요즘 학계 및 교육계에서는 '융합'이 화두인바, 이 책은 인문-자연의 두 문화를 융합시키는 중요한 융합 지평을 열고, 자연과학의 발전은 물론 과학기술 시대에 인문학적 사유가 풍성해지는 일에 크게 기여할 수 있을 것이다.

우리는 이 책에서 자연과학과 인문학이 어떻게 상호작용하고, 서로의 한계를 드러내고, 서로를 자극하고 고무하는지를 실감나게 이해할 수 있을 것이다. 인문학, 자연과학, 기술, 예술 등의 주제들이 어떻게 긴밀하게 얽혀 있는지 확실히 경험하고자 한다면, 양자역학의 역사와 철학을 탐구해야 할 것이다. 이 책은 융합 연구 또는 통섭 연구로 가는 중요한 선례를 보여주고 있다.

머리말



제1부 양자역학의 형성



1장 양자역학의 시작

1절 고전역학과 낙관의 시대

2절 붕괴하기 시작하는 고전역학

1. 전환기에서의 빛

2. 흑체복사의 문제

3. 플랑크의 복사파 공식과 양자

3절 새로운 과학을 위한 증거들의 출현

1. 광전효과

2. 광양자가설과 입자-파동의 이중성: 1905~1912년

3. 보어의 초기 원자 이론

4. 자발적 방출

5. 콤프턴효과



2장 보어의 양자 이론과 대응원리

1절 보어의 대응원리

2절 아인슈타인 광양자가설에 대한 보어의 태도

3절 보어-크라메르스-슬레이터 이론



3장 합리적 양자역학의 출현

1절 하이젠베르크 버전의 새로운 양자역학

1. 하이젠베르크의 새로운 운동학

2. 보른, 하이젠베르크, 요르단의 매트릭스역학

3. 하이젠베르크의 불확정성원리

2절 슈뢰딩거의 파동역학

1. 아인슈타인의 특수상대성이론

2. 드브로이의 입자-파동 이중성

3. 슈뢰딩거의 파동방정식

4. 슈뢰딩거의 파동방정식의 수소 원자에의 적용과 성공

3절 파동함수의 해석

1. 슈뢰딩거의 해석

2. 보른의 확률적 해석

3. 파동역학과 매트릭스역학의 등가성



4장 보어와 상보성

1절 보어와 매트릭스역학

2절 상보성의 논변

1. 인과적 기술과 시공간적 기술의 상보성

2. 입자와 파동의 상보성

3. 두 가지 상보성의 관계

4. 상보성의 기본 구조

3절 코펜하겐 해석

1. 양자역학과 해석

2. 하이젠베르크와 코펜하겐 해석

3. 코펜하겐 해석의 긴장: 하이젠베르크와 보어

4. 코펜하겐 해석의 실용주의적 성격

5. 코펜하겐 해석에 대한 비판과 다른 대안적 해석



제2부 보어와 아인슈타인의 논쟁



5장 보어와 아인슈타인의 논쟁

1절 서론

2절 양자 이론의 출현부터 솔베이학회(1927년) 이전까지

3절 솔베이학회(1927년)부터 EPR 논문 출현 직전까지

1. 5차 솔베이학회(1927년)

2. 6차 솔베이학회(1930년)



6장 EPR 논증과 보어와 아인슈타인 논쟁

1절 물리적 실재에 대한 고전적 개념과 양자역학

1. 물리적 존재론

2. 세계의 개념화

3. 완전성, 인과성, 통계

4. 측정과 지식

2절 EPR 논증

3절 EPR 논증에 대한 보어의 답변

4절 아인슈타인의 반론

5절 보어와 아인슈타인 논쟁의 평가

6절 보어와 아인슈타인 논쟁 이후: EPR-Bohm-Bell 사고실험의 철학적 함축

1. 서론

2. 벨 상관관계와 머민 장치

3. 벨 상관관계, 국소성, 완전성

4. 전체론, 비국소성, 불완전성



제3부 보어에 대한 실재론-반실재론 논쟁



7장 보어는 반실재론자인가?

1절 파이에의 보어 해석: 객관적 반실재론

2절 머독의 보어 해석: 도구주의적 실재론

3절 경험적 가설로서 실재론과 독립성 논제

4절 보어의 전체론적 독립성



8장 보어와 실재론 논쟁

1절 보어와 신의 관점

2절 벨러와 파인의 보어 해석

3절 폴스의 보어에 대한 실재론적 해석



맺는말: 과학적 지식의 객관성

[보론] 양자역학, 특이점 그리고 불확정성원리의 물리적인 의미



참고 문헌

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김유신 저자 김유신은 서울대학교 전자공학과를 졸업하고, 미국 버클리대학교(UC Berkeley)에서 전자공학을 스탠포드대학교 대학원에서 전자재료를 공부하였다. 그후 부산대학교 전자공학과 교수로 있으면서 미국 코넬대학교 대학원에서 과학철학으로 철학 박사학위를 받았다. 현재 부산대학교에 재직하면서 전자전기공학부, 과학기술학 협동과정, 국제학부에서 전기자기학, 과학철학, 사회과학철학 등을 가르치고 있으며, 한국과학철학회 회장, 한국통신학회 정보사회연구회 회장 등을 지냈다. 주요 관심 분야는 전자공학에서는 영상처리, 신경회로망, 인공지능 등이고, 철학에서는 과학철학, 양자역학 철학, 실재론-반실재론 논쟁, 사회과학철학, 문화철학 등이다. 지은 책으로는 『현대 과학철학의 제 문제』(공저), 『과학적 지식과 인간다운 삶』(공저) 등이 있고, 논문으로는 「보어와 실재론 논쟁」(2008), 「닐스 보어의 상보성과 과학적 지식의 객관성」(2009), 「문화 다원주의, 문화적 정체성, 공약불가능성」(2011) 등이 있다.