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과학

‘양자역학’에서 산타 오시네

나노 크기 우리 상식과 전혀 다른 세계 … 크리스마스 때 전 세계 동시 존재 가능한 이야기

‘양자역학’에서 산타 오시네

‘양자역학’에서 산타 오시네
산타클로스는 어떻게 하루에 전 세계를 여행할까?’

할인항공권을 판매하는 한 여행사의 광고홍보 문구가 크리스마스 시즌을 알리고 있다. 물론 ‘빠른 세계 여행을 위해서는 항공권 구입이 필수적이다’는 홍보가 주목적이지만, 자칫 산타클로스의 존재를 부정하는 위험한(?) 사상을 전파할 수도 있겠다. 실제로 이제 막 과학적 사고를 시작한 아이라면 이 문구를 접하고 산타클로스의 존재를 더는 믿지 않을지도 모르겠다.

크리스마스이브에 전 세계 어린아이들을 찾아가 착한 일을 한 만큼 선물을 주고 간다는 하얀 수염의 마음씨 좋은 산타클로스 할아버지. 문제는 그가 찾아가야 할 아이들이 너무 많다는 점이다. 1000만 가구에 달하는 대한민국의 가정뿐 아니라 멀리 미국과 아프리카 대륙까지…, 그 좁은 굴뚝을 비집고 들어가 선물을 전달한다는 얘기는 웬만큼 머리가 굵어진 다음부터는 허황되게 들린다.

누군가 농담처럼 “산타클로스가 분신술을 써서 동시에 전 세계에 나타난다면 가능할지 모르겠다”고 말할지도 모른다. 성인이라면 누구나 ‘과학적으로 생각한다면 산타클로스는 없다’고 생각하겠지만, 오히려 21세기의 과학은 산타클로스의 존재를 과학적으로 설명하는 게 가능해지고 있다. 바로 한 물질이 동시에 여러 곳에서 존재하는 것이 가능하다는 의미다. 물론 현실 세계가 아닌 양자의 세계에서만 가능한 얘기다.

머리카락 10만분의 1이라는 작은 크기의 세상에서는 우리가 눈으로 보고 피부로 느끼는 것과 전혀 다른 세계가 펼쳐진다.



일반인의 상식 세계라면 고양이는 살아 있거나 혹은 죽어 있는 두 가지의 상태로만 존재할 수 있다. 반쯤 죽거나 살아 있는 고양이란 있을 수 없다. 그러나 슈뢰딩거는 그 유명한 고양이 실험에서 밀폐된 상자 속에 들어 있는 고양이는 관찰자가 고양이의 상태를 확인하기 전까지 죽음과 삶의 중간 상태에 놓여 있다고 설명한다. 확률적으로 고양이는 살아 있기도 하고, 죽어 있기도 하다는 것이다. 도저히 이해하기 힘든 이 철학적 이야기를 과학자들은 양자의 세계에서 오히려 더욱 보편적인 현상이라고 거들고 있다.

머리카락 10만분의 1 … 물질이란 형체 아닌 확률

또한 나노 크기에 지나지 않는 양자 세계에서는 동일한 물질이 동시에 여러 곳에서 존재하는 일이 가능하다는 것이다. 마치 상자 속에 들어 있는 고양이가 살아 있을 확률과 죽어 있을 확률이 동시에 존재하듯, 양자 현상에서 다른 곳에 동시에 존재하는 게 가능해진다. 양자 세계에서는 물질이 눈에 보이거나 손으로 잡히는 형체가 아닌 철저하게 확률론적으로만 존재하기 때문이다.

‘양자역학’에서 산타 오시네

양자의 존재는 확률적으로만 존재하는 불확정성의 공간이다.

나노 영역에서는 물질의 정확한 위치와 운동량을 파악하는 것이 불가능하고, 단지 ‘어디에 있을 확률이 얼마’라는 식의 확률만 분포하게 된다. 따라서 어떤 장소에 물질이 ‘존재한다’ 혹은 ‘존재하지 않는다’고 단언할 수 없는 것이다. 즉 한 물질이 여러 곳에서 동시에 존재하는 것 또한 가능하다는 설명이다.

이런 현상을 이용한 것이 바로 미래의 컴퓨터라 칭송받고 있는 양자컴퓨터다. 이 상태에서는 0이 1일 수도 동시에 1은 0일 수도 있기 때문에, 지금까지의 2비트 연산방식은 무너진다. 대신에 퀀텀 비트(quantum bit)를 의미하는 새로운 연산 단위인 큐빗이 등장하는데 3큐빗 컴퓨터의 경우 2승의 3승, 즉 여덟 가지 상태를 한번에 계산하는 것이 가능하다. 따라서 기존의 컴퓨터로 300년이 걸려야 풀 문제를 56비트 양자컴퓨터는 단 4분 만에 계산할 수 있다고 한다.

아직 양자컴퓨터는 실험실의 초기 단계에 머물러 있지만, 최초의 컴퓨터 애니악으로부터 펜티엄 수준의 퍼스널 컴퓨터(PC)가 등장하기까지 50여년의 시간밖에 걸리지 않았다는 사실에 비춰보면 양자컴퓨터가 책상 위에 올라올 날이 그리 멀지만은 않다.

세상만사를 구성하는 원자도 마찬가지다. 우리가 흔히 보는 원자 모형은 아주 단순하다. 이 모형은 나가오카 한타로라는 일본인 물리학자가 만들었는데, 커다란 공 주위를 한두 개의 전자가 한가롭게 궤적을 그리며 돌고 있는 모습이다. 그러나 사실 원자는 이것과 상당히 다르다. 실제로 핵의 주위를 돌고 있는 전자는 한가롭지 않고 격렬하기 그지없는 과격한 모습이다.

양자와 디지털 세계 현실 불가능 뛰어넘어

과학저술가인 빌 브라이슨은 이것을 선풍기에 비유하는데, 선풍기가 힘차게 도는 동안에는 빈틈을 찾아볼 수 없어 커다란 원처럼 보이는 것과 같이 핵 주위를 도는 전자도 핵을 한 치의 빈틈도 없이 에워싸고 있다는 것이다. 게다가 이 전자들은 선풍기의 날개처럼 단순한 착시현상에 그치지 않고 실제로 핵 주위 어디에나 있다는 것이다. 전자가 핵 주위의 여러 곳에서 동시에 존재한다는 설명이다. 각설탕만한 정도의 바닷물에 270억개의 10억 배에 달하는 분자들이 들어차 있고, 다시 그 분자들은 수소와 산소 원자들로 이루어져 있다는 점을 상기할 때 우리 세계가 인간의 상식으로 이해할 수 없는 현상이 벌어지고 있음은 놀라운 일이 아니다.

이같이 다중으로 존재하는 양자 세계는 IT(정보기술) 혁명의 꽃이라고 할 수 있는 인터넷 세계에서 더욱 비슷하게 펼쳐진다. 이른바 디지털의 속성이 바로 ‘무한복제’에 있기 때문에 원본과 똑같이 복제된 디지털 자료는 사이버 공간을 배회하며 존재의 범위를 무한대로 확장하고 있다. 실제 우리는 이미 월드와이드웹(www)으로 묶인 세상에서 공간을 극복하고 전 세계 어디에서든 동시에 있을 수 있지 않은가.

최근 모바일 인터넷이 보편화되며 자주 쓰이고 있는 단어인 유비쿼터스(Ubiquitous)란 ‘어디에나 편재(遍在)하는, 즉 물과 공기처럼 어디에나 존재한다’란 뜻이다. 마치 전 세계 각지에서 갑자기 출몰하고 사라지는 산타클로스처럼 양자와 디지털의 세계는 현실 세계의 불가능함을 뛰어넘으며 존재의 새로운 가치를 부여하고 있는 셈이다.

산타클로스는 마치 양자 세계에서처럼 서울과 런던 워싱턴에 동시에 등장하고 사라진다. 그의 크리스마스이브는 다분히 양자역학적이다. 이제 아이들에게 산타클로스는 분명히 존재하고 있다고 말해줘도 괜찮을 듯싶다. 물론 산타클로스 역시 양자와 비슷하게 확률적으로 존재하기 때문에 이왕이면 우리 가까이에 더 자주 나타날 수 있게 노력해보는 것이 가장 좋은 생각일 듯싶다.



주간동아 2004.12.30 466호 (p82~83)

  • 유지영/ 과학신문 기자 pobye2002@yahoo.co.kr
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