양자라니. 물리라니.

학창 시절 내가 좋아했던 과목은 지구과학이다. 점수도 가장 잘 나왔지만 우리가 밟고 서 있는 이 땅이 궁금했다. 그다음은 화학을 좋아했다. 역시 점수가 잘 나오기도 했지만 무척 신비로운 과목이었다.

보통 고등학교에서 이과, 문과를 고를 때 수학을 기준으로 고르곤 했다. 하지만 나는 과학이 좋아서 이과를 택했다. 아이러니하게도 과학 다음으로 점수가 잘 나오던 건 국어였다. 국어와 과학이라니. 이 연결되지 않는 과목에서 좋은 점수를 받던 나는 결코 한국 교과 과정에서 좋은 평가를 받을 수 없는 학생이었다.

어쨌거나 대학교 입학 후 나는 과학 과목을 들여다보지 않았다. 내가 좋아하던 지구과학이며, 화학 따위는 금세 잊혀졌다. 그런데 양자라니. 물리라니. 소프트웨어 개발자가 돼 버린 내게 이제 과학은 그저 무지한 세계였다.

우리는 사실 아무것도 모른다

양자 세계. 평소 양자 세계에 관심을 두는 사람이 얼마나 될까. 우리를 구성하는 대부분이 양자로 구성돼 있다고 한들. 아니 사실 우리는 우리 몸 70%인 물에도 그다지 관심이 없지 않은가?

우리 시대의 과학이 알아낸 가장 심오하고도 중요한 발견은 모든 것이 원자로 구성되어 있다는 것이다.

저자는 양자를 거창하게 소개하며 책을 시작한다. 그리고 혹여나 독자가 책을 덮어버릴까 조심조심 설명을 이어간다. 너무 어렵지 않게, 너무 본질에서 벗어나지 않게. 저자가 정말 양자를 좋아해서 양자를 모르는 사람들에게도 양자의 매력을 알려주고 싶은 게 느껴졌다. 그 점은 참 좋았다.

그렇게 양자에 관한 이야기를 하나씩 들려줬다. 책 뒷부분에는 저자가 잡지 등에 기고한 내용을 묶어 보완해서 낸 책이라 했다. 그래서인지 각 챕터에서 하나의 이야기가 끝나는 것이 지루하지 않았다.

책을 덮고 난 뒤 생각나는 양자 세계는 이렇다.

가장 먼저 ‘슬릿 실험’이 떠오른다. 책 앞부분에 나오는 슬릿 실험은 텍스트만으로는 머릿속에 그려지지 않더라. 그래서 유튜브에서 영상도 찾아봤다. 텍스트 설명과는 꽤 다른 내용의 영상이 보였고 그제야 어떤 실험인지 이해했다. 그림을 좀 더 여러장 그렸다면 어떨까 싶다.

슬릿 실험을 영상으로 보며 ‘이게 도대체 무엇인가’ 싶더라. 양자라는 놈이 구멍(슬릿) 2개를 통과하는데, ‘측정’하면 한 곳만 통과하고 ‘측정’하지 않으면 두 곳을 동시에 통과한다. 도대체 이게 뭔가 싶어 좀 더 들여다보고 싶지만 그럴 수 없다. 다시 말하지만 ‘측정’하면 안 된다. ‘측정’에 따라 결과가 다르다니 정말이지 신비롭다.

자, 사기가 아니니까 조금만 기다려 보시라. 사진을 보면 전자는 왼쪽 또는 오른쪽, 분명 하나의 구멍만을 지난다. 하지만 이런 식으로 사진을 찍으면서 이중 슬릿 실험을 하면 스크린에는 2개의 줄무늬가 생긴다. 입자니까 하나의 구멍만을 지나고, 따라서 입자의 성질인 2개의 줄무늬가 생긴다. 여기서 모순이라고는 전혀 없다. 그렇다면 어태 떠들어 대던 여러 개의 줄무늬는 뭐냐고? 여러 개의 줄무늬를 얻으려면 사진 찍기를 중단해야 한다. 과학적인 용어로 하자면, 측정을 중단해야 한다.

이 실험으로 포문을 연 양자 세계는 이어진 이야기에서 더 현실감을 잃게 했다. ▲양자는 특정 속도만을 낼 수 있도록 ‘연속성이 없다’던가 ▲정확히 이해는 되지 않지만 입자인 동시에 파동이라던가 ▲갑자기 순간이동 하는 양자 도약이라던가 등 각 개념은 어떤 물리학자 평생의 결과였다.

한편으로는 이 세상 어떤 구조를 평생에 걸쳐 구해내는 게 멋져 보이기도 하다가 그래서 그런 삶이 뭐가 재밌나 싶기도 했다. 게다가 모두가 뉴턴이나 아인슈타인처럼 이름을 남기는 것도 아닌데 말이다.

그럼에도 이들이 보여준 논리는 참 놀라웠다. 나는 논문을 써야만 졸업할 수 있는 학과도 아니었고, 꼭 논문을 읽을 줄 알아야 하는 직업도 아니다. 때문에 논문은 내게 꽤 먼 존재이지만 학자들의 논리를 들어보니 이 분야도 꽤 흥미로운 부분이 보였다.

양자 역학, 아니 모든 과학은 이 세상을 최소한 둘로 나눈다. 관심 있는 대상과 그 대상이 아닌 것. 대상이 아닌 것을 ‘환경’이라 부른다.

굉장히 먼 자세로 책을 읽고 있었지만 서서히 내 자세가 책 속으로 당겨졌달까. 이게 무슨 의미냐 싶던 내가 어떤 개념을 만들어내는 그들의 인생이 꽤 궁금해졌다. 왜냐면 내 인생에도 이미 양자가 들어와 있다는 것을 알게 됐거든.

우리는 양자를 벗어날 수 없다

양자 컴퓨터. 내가 몸담은 IT 분야에 양자가 들어왔다는 걸 깨닫자 글이 술술 읽히기 시작했다. 양자 컴퓨팅은 이름만 들었지 사실 개념을 잘 몰랐다. 앞으로 유망한 분야이며 양자 컴퓨터가 발전한다면, 어쩌면 이 세상 모든 시스템을 뒤엎어야 할지도 모른다는 이야기만 알고 있었다.

저자가 양자 컴퓨터를 소개하자 그제야 깨달았다. 아, 저자가 글을 참 쉽게 잘 썼구나 하는 깨달음. 앞서 써온 양자도 무척 쉽게 쓴 것인가 보다 하는 깨달음.

현대 소프트웨어에서 RSA 암호화는 빼놓을 수 없다. 가장 쉽게는 회원가입부터 주요 개인정보를 처리하는데 RSA 암호화를 굉장히 많이 사용한다. 한 번 이해하면 무척 쉽게 사용하는 암호화 기법 중 하나다.

RSA 암호화는 더 이상 나뉘지 않는 두 소수 값을 찾는 게 핵심인데 양자 컴퓨터가 연산 속도를 지금과 차원이 다를 정도로 끌어올리면 이 RSA 암호화가 풀릴 수 있는 가능성이 대폭 늘어나는 것이다. 현재 RSA 암호화는 ‘절대 안 풀린다’가 아니라 ‘풀릴 수 있다. 다만, 그 기간이 현실적으로 불가능하다’ 등의 결론이다.

즉, 양자 컴퓨터가 IT 세상을 모조리 뒤흔들 수 있다는 것이다. 이는 곧 전 세계가 흔들릴 수 있다는 것이다.

양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 무엇이 다른가? 양자 역학은 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용한다. 이것을 퀀텀 비트(quantum bit), 줄여서 큐비트(qubit)라 부른다. 하나의 전자가 동시에 2개의 구멍을 지날 수 있는 것과 같은 원리다. 양자 역학의 핵심 원리인 양자 중첩이다.

다행인 것은 양자 컴퓨터가 아직 갈 길이 멀고 그동안 암호학도 발전을 한다면, 양자 컴퓨터 보급 전 암호학이 보완되지 않을까 하는 게 내가 이해했던 업계 의견이었다.

그런데 구글 등 IT 공룡이 빠르게 양자 컴퓨터를 발전시키고 있다니 앞으로도 내가 속한 IT 세계는 많은 일이 벌어지겠구나 싶더라. 그런데 양자로 인해 내 업이 변화될 수 있다니… 전혀 다른 세상이라 생각했는데 나도 별수 없이 양자를 벗어날 수 없구나 싶었다.

어휴… 양자라니…

다시 한번 겸손의 길

양자 세계가 무엇인지 가볍게 이야기를 한 번 들었다. 그리고 그 세계 속 사람들 이야기를 들었다. 이야기를 들었으니 나도 어떤 생각을 해야겠다. 그 이야기를 보며 또 다른 이야기를 만들어야 하겠다.

이런저런 생각을 하며 읽었지만 나는 과학자들의 모습이 흥미로웠다. 이 세상을 부정해야 하는 상황. 내가 단단히 한 개념이 어떤 과학자 놈에 의해 산산이 부서지는 상황. 이를 방어하지 못하면 내 개념이 아니, 내 인생이 무너지는 상황. 때문에 나는 더 나은 생각을 해야 하고, 더 강한 방어를 해야 하고, 그래서 생각 또 생각해야 하는 상황.

나는 그토록 강력한 개념을 만든 적도 없고 때문에 그런 개념이 무너진 적은 없다. 하지만 커리어를 이어오며 몇몇 지점에서는 다시 시작해야 했다. 내 능력을 의심해야 했고, 내 캐릭터를 버려야 했고, 내 커리어를 버려야 했고, 내 스타일도 버려야 했다. 그 상황이 올 때마다 꽤 괴로웠고, 힘겨웠다. 하지만 그 시기를 지나 지금의 모습이 됐고 그럼에도 나는 여전히 나로서 살아간다.

가볍게 들어본 양자 이야기 중 나는 기존 물리학 법칙에서 자유로운 세계라는 게 마음에 들었다. 판타지 아닌가? 어벤저스가 나올 것 같고, 마법사와 소드마스터가 나올 것 같다. 어쩌면 정말 그 세계에는 에네르기파를 쏘는 사이아인이 있을지도 모른다. 심지어 이런 내용도 나오더라. 우리가 사용하는 단어로 설명하지 못하는 세계라고.

그런데 이 세상 모든 것이 원자로 구성돼 있다고 한다. 세상에. 그렇다면 우리는 도대체 무슨 세상에 살아가는 걸까? 우리가 알고 있는 것은 정말 알고 있다고 할 수 있을까?

아는 것이 힘이라 했는데, 모르는 게 약일 수도 있겠다. 아차, 어쩌면 둘 다일지도 모른다. 그게 양자 중첩 아닌가.

결국 이 세상도 똑같다. 내가 경험했다며 다 아는 세상이라 자만하면, 이 세상 자체를 부정할만한 일이 터진다. 결국 우리네 인간이 할 수 있는 거라곤 겸손 또 겸손뿐일까.

마무리

매달 한 권 읽고 쓰는 스튜 독서소모임이 어느 순간부터 다소 벅차다. 할 일이 많다는 건 내가 하고 싶은 일이 많았다는 것도 될까? 내가 만든 스케줄임에도 소화하기가 참 어렵다.

그래서 언젠가부터는 휴가를 내고 책을 읽는다. 이번 책은 1/3을 틈틈이 읽어뒀고 2/3를 오늘 휴가와 함께 다 읽었다. 그래서인지 매달 마지막즘에 휴가를 내고 읽는 이 시기가 때로는 싫다. 나도 놀고 싶다고.

하지만 이게 참 묘하다. 결국 휴가를 이렇게 보낸 탓에 내 머릿속에 양자가 들어오지 않았는가? 어쩌면 이 세상 모든 게 가짜일지도 모른다는 거대한 상상력이 들어오지 않았는가? 어쩌면 나는 아무것도 모른다는 겸손이 들어오지 않았는가? 아니, 어쩌면 이 모든 게 진실이라는 말도 안 되는 거대함을 마주하지 않았는가?

이러니 이 마약을 내가 끊을 수 있겠는가. 그저 늘 이렇게 읽고, 쓰고, 생각하며 배우는 것만이 우리가 할 수 있는 것 아니겠는가.

한줄평

양자라니… 물리라니!!

인상 깊은 문구

• 우리 시대의 과학이 알아낸 가장 심오하고도 중요한 발견은 모든 것이 원자로 구성되어 있다는 것이다.
• 전자는 음전하, 원자는 양전하를 띠는데, 양전하와 음전하의 양이 정확히 일치하여 전체적으로 중성의 상태를 형성한다. 음양의 조화랄까? 원자핵은 원자 무게의 대부분을 차지하지만, 그 크기가 원자 반지름의 10만분의 1에 불과하다. 무지무지 작다는 뜻이다. 전자가 그 주위를 돌아다니고 있는데, 이 녀석이 어떻게 돌아다니고 있는지를 기술하는 것이 양자 역학이다.
• “전자가 쪼개지지 않는 한, 어느 구멍이든 분명 하나의 구멍을 지났을 것 아닌가?”
• “전자가 지나갈 때 사진을 찍어 보면 되지 뭐.” 실제 어떻게 사진을 찍는지 설명하려면 ‘천일야화’를 해야 하니, 일단 찍을 수 있다고 가정하자. 두근거리며 사진을 찍었더니 안타깝게도 2개의 구멍을 동시에 지나는 전자 사진은 없다. 모든 사진에서 전자는 하나다.
• “이런! 이거 사기 아닌가요? 전자가 동시에 2개의 구멍을 지난다고 했잖아요!”
• 자, 사기가 아니니까 조금만 기다려 보시라. 사진을 보면 전자는 왼쪽 또는 오른쪽, 분명 하나의 구멍만을 지난다. 하지만 이런 식으로 사진을 찍으면서 이중 슬릿 실험을 하면 스크린에는 2개의 줄무늬가 생긴다. 입자니까 하나의 구멍만을 지나고, 따라서 입자의 성질인 2개의 줄무늬가 생긴다. 여기서 모순이라고는 전혀 없다. 그렇다면 어태 떠들어 대던 여러 개의 줄무늬는 뭐냐고? 여러 개의 줄무늬를 얻으려면 사진 찍기를 중단해야 한다. 과학적인 용어로 하자면, 측정을 중단해야 한다.
• 다수의 물리학자가 이런 말도 안 되는 설명을 거부했다. 여기에는 알베르트 아인슈타인, 루이 드 브로이뿐만 아니라 파동 함수의 창안자 슈뢰딩거까지 포함된다.
• 실험 결과를 보면 전자가 마치 의식을 가진 생명체처럼 보인다. 누군가 자신을 관측하면 입자와 같이 행동하고, 관측하지 않으면 파동과 같이 2개의 구멍을 동시에 지나 버린다는 것이다.
• 우주가 실제 존재하기 위해서는 측정이 필요하므로, 우주는 그 자신의 존재를 위해 의식을 가진 생명체를 필요로 한다는 지적까지 나오게 된다. 황당한 말 같지만 1963년 노벨 물리학상 수상자 유진 위그너의 말이다.
• 과학의 역사는 분리된 지식을 통합하는 과정을 통해 발전해 왔다.
• 원자는 양자 역학적으로 행동할 수 있으니 A와 B의 중첩 상태, 그러니까 A이면서 동시에 B일 수 있다. 독약병이 멀쩡하면서 동시에 깨져 있을 수도 있다는 말이다. 그렇다면 고양이도 살았으면서 동시에 죽어 있다는 이야기다.
• 그런데 원는 미시 세계에 속하니까 그렇다 쳐도 고양이는 거시 세계에 속하는 존재 아닌가? 고양이는 절대 이럴 수 없다. 그렇다면 독약병도 이럴 수 없고, 원자도 이럴 수 없다. 즉 중첩 상태는 존재할 수 없다. 양자 역학은 틀렸다! 이것이 바로 그 유명한 슈뢰딩거 고양이의 역설이다.
• 측정의 주체는 인간이 아니다. 아니 지능을 가진 어떤 존재도 아니다. 적어도 C60이 어느 슬릿을 지났는지 ‘공기 분자가’ 알 수 있으면 측정이 일어난 것이다.
• 양자 역학, 아니 모든 과학은 이 세상을 최소한 둘로 나눈다. 관심 있는 대상과 그 대상이 아닌 것. 대상이 아닌 것을 ‘환경’이라 부른다.
• 첫 실험에서 공기 분자가 측정의 주체다. 공기 분자는 물론 환경의 일부다. 두 번째 실험에서는 C60 주변의 공간이다. 빛이 C60에서 환경으로 이동한 것이다. 누군지 정확히는 말하기 힘들지만 환경은 C60의 위치를 안다. 이처럼 환경이 주체가 되는 관측을 ‘결어긋남’이라 부른다.
• 온도를 가진 물체는 빛을 낸다. 용광로의 쇳물이 붉은빛을 내는 이유다. 이런 빛을 흑체 복사라 한다.
• 흑체 복사를 설명하는 과정에서 막스 플랑크는 빛의 에너지가 띄엄띄엄하다는 사실을 깨닫게 된다. 정확히 말해서 빛의 에너지는 그 빛의 진동수에 적당한 상수를 곱한 것의 정수배로만 존재한다.
• 우선, 이것이 얼마나 이상한 생각인지 예를 들어 생각해 보자. 속도를 가진 물체는 운동 에너지를 갖는다. 운동 에너지가 띄엄띄엄 하다면 자동차의 속력이 시속 50킬로미터, 60킬로미터는 가능하지만, 이 두 속도 사이에 존재하는 다른 모든 속도는 가질 수 없다는 말이다. 즉 시속 51킬로미터나 52킬로미터로 달리는 것을 우주가 허용하지 않는다 우리는 우리의 사심으로 이해할 수 없다. 사실 양자 역학의 ‘양자’는 영어로 ‘quantum’인데, 띄엄띄엄한 ‘양’을 의미하는 라틴어다.
• 에너지가 띄엄띄엄한 성질은 입자를 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 야구공의 무게가 150그램이라고 해 보자. 이 야구공을 몇 개 상자에 넣었다고 하면 그 상자 안에 든 야구공들의 무게는 300그램이나 450그램일 것이다. 375그램은 불가능하다. 누군가 야구공을 반으로 잘라 2개 반만 넣지 않았다면 말이다. 즉 빛의 에너지가 특정한 값의 배수로만 존재한다는 것을 이해하는 가장 쉬운 방법은 빛이 어떤 입자들의 집합으로 되어 있다고 생각하는 것이다.
• 빛의 입자성은 양자 역학의 탄생 과정에서 물리학자들이 만난 첫 패러독스였다.
• 빛은 이중 슬릿 실험에서 파동으로 행동하고 흑체 복사나 광전 효과에서 입자로 행동한다.
• 전자는 오직 정상 상태의 궤도에만 존재할 수 있다. 이웃한 두 궤도를 넘나들 때, 그 사이의 공간에 존재하지 않으면서 지나가야 한다는 말이다. 태양계로 예를 들자면 지구 궤도에 있던 전자가 사라져서 화성 궤도에 짠 하고 나타나야 한다. 이런 운동은 기존의 물리학에서는 불가능하므로 역시 새로운 이름이 필요하다. 우리는 이것을 ‘양자 도약’이라 부른다. 빛의 입자성보다 더 심각한 문제로 느껴지지 않는가?
• 파동이면서 입자다. 하나의 정상 상태에서 다른 정상 상태로 전자가 도약한다.
• 행렬은 하나의 수가 아니라 수들의 배열로 되어 있다. 행렬은 곱하는 순서를 바꾸면 같지 않다. 위치 X와 운동량 P의 경우 XP != PX라는 말이다. 이것이 핵심이다. 보통, 위치나 운동량은 그냥 숫자다. 숫자는 곱하기의 순서를 바꿔도 결과가 같다. 2X3이나 3X2나 똑같이 결과는 6이다. 하지만 행렬 역학에서는 곱하기 순서를 함부로 바꾸면 안 된다.
• 행렬 역학의 경우 오로지 관측 가능한 물리량만을 바탕으로 물리학을 재구성한 결과 얻어진 것이며, 파동 역학은 전자가 파동이라는 가정 하에 얻어진 것이다.
• 문제는 이 두 상이한 이론이 똑같은 답을 내놓는다는 것이었다.
• 우리는 보이는 것만 가지고 이론을 만들지 않는다.
• 측정은 반드시 교란을 수반할 뿐 아니라, 위치나 운동량의 오차 중 한쪽을 줄이는 것이 다른 쪽을 늘이게 된다. 이것을 하이젠베르크의 불확정성 원리라 부른다. 본질적으로 완벽한 측정은 존재할 수 없다는 이야기다.
• 계단 하나를 오를 수 있는 기계는 아무리 높은 계단도 오를 수 있다.
• 프랙털 구조란 아무리 확대해도 자신의 모습이 반복되는 기하학적 구조를 말한다.
• 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 무엇이 다른가? 양자 역학은 하나의 비트가 동시에 0과 1을 갖는 것을 허용한다. 이것을 퀀텀 비트(quantum bit), 줄여서 큐비트(qubit)라 부른다. 하나의 전자가 동시에 2개의 구멍을 지날 수 있는 것과 같은 원리다. 양자 역학의 핵심 원리인 양자 중첩이다.
• 이제 양자 역학이 어떻게 작동되는지 조금 느낌이 오지 않는가? 여전히 잘 모르겠다면 안심하시라. 당신은 정상이다.