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수리·과학 논술은 이렇게

양자역학 발전 이끈 아인슈타인 vs 보어 논쟁

  • 김정금 JK 수리논술연구소장·제일아카데미 대표

양자역학 발전 이끈 아인슈타인 vs 보어 논쟁

1927년 10월24일 벨기에의 수도 브뤼셀에서 제5회 솔베이 회의가 열렸다. 1911년부터 개최돼온 이 회의는 물리·화학계의 주요 쟁점들을 다룬 과학계의 ‘빅 이벤트’였다. 회의 주제는 ‘전자와 광전자’. 당시 급격히 발전한 양자역학을 토론하는 자리였다.

아인슈타인은 양자역학을 하는 사람들에게 “신은 주사위놀이를 하지 않는다”고 준엄하게 말했다. 여기서 신이란 자연 혹은 물리 법칙이고, 주사위놀이란 확률을 말한다. 그런데 보어는 아인슈타인에게 “신이 주사위놀이를 하든 말든 당신이 상관할 바 아니다”라고 반박했다. 보어는 오히려 “신이 왜 주사위놀이를 하지 않는지 생각해보라”고 아인슈타인에게 충고했다. 양자역학을 연구하는 후배들에게 점잖게 충고하려고 했던 아인슈타인으로서는 당황하지 않을 수 없었다. 결국 아인슈타인은 양자역학의 흠을 찾아내보라고 후배들에게 말했다.

아침마다 아인슈타인은 양자역학이 부적절하다는 것을 보여주는 문제를 냈다. 그런데 저녁쯤이면 보어는 어김없이 그 문제의 해결책을 찾아냈다. 아인슈타인은 계속 문제를 냈고, 보어는 조금도 물러섬 없이 문제를 해결하거나 아인슈타인의 논리적 오류를 지적했다. 이런 논쟁은 솔베이 회의가 열린 6일 동안 계속됐다고 하이젠베르크는 회고했다. 물론 이 논쟁은 여기서 끝나지 않고 이후 30여 년 동안 계속됐다. 하지만 승리자는 보어와 양자역학을 지지한 수많은 ‘다윗들’이었다.

양자론이 꽃피게 된 데는 보어의 공이 크다. 1916년 영국에서 덴마크로 돌아온 그는 1921년 정부와 민간으로부터 기부금을 받아 코펜하겐대학에 이론물리연구소(닐스보어연구소)를 세웠다. 지상 3층, 지하 1층의 작은 연구소였지만 이곳은 그 후 전 세계 이론물리학자들이 모이는 사랑방 역할을 톡톡히 했다.

‘양자역학(quantum mechanics)’이란 말은 1924년 독일 이론물리학자 막스 보른이 처음 썼다. 그는 확실성이 아니라 확률이 전자 측정을 지배한다고 본 최초의 인물이었다. 1921년 괴팅겐대학 이론물리학연구소 소장에 부임한 그는 이른바 ‘괴팅겐 학파’라고 불리는 과학자군을 이끌며 양자역학의 발전과 핵물리학 개척에 공헌했다. 물리학계는 보른의 양자역학에 대한 기여도를 인정해 1954년 노벨 물리학상으로 보답했다. ‘괴팅겐 학파’에 속하는 대표적인 학자로 오펜하이머, 콤프턴, 수소폭탄의 아버지 에드워드 텔러, 유진 폴 위그너(1902~1995, 1963년 노벨 물리학상), 엔리코 페르미(1901~1954, 1938년 노벨 물리학상) 등이 있다.



베르너 하이젠베르크 역시 괴팅겐 학파다. 보른의 지도를 받은 그는 1922년 보어를 처음 만났다. 보어가 괴팅겐대학에 찾아와 양자론과 원자구조에 대한 특강을 했는데, 이때 하이젠베르크는 1924년 닐스보어연구소에서 보어의 지도를 받았다. 하이젠베르크의 총명함에 감탄한 보어가 그를 초청한 것이다.

하이젠베르크는 보어의 원자모델에 관심이 많았다. 그러나 하나의 에너지 준위(상태)에서 다른 하나의 에너지 준위로 이전할 때만 빛이 방출하는 것을 설명하는 그의 이론에 한계를 느꼈다. 그래서 하나의 에너지 준위에서 여러 개의 에너지 준위로 넘어가는 것을 동시에 설명할 수 있는 방법을 찾았다.

1927년 하이젠베르크는 새로운 사실을 깨달았다. 전자와 같은 입자들의 위치와 속도(속력과 방향)를 동시에 알 수 없다는 것이다. 전자가 어디에 있는지 알면 그 속도를 알 수 없고, 속도를 알면 위치를 알 수 없다. 이를 ‘불확정성의 원리’라고 한다. 그의 불확정성 원리는 특정 위치에서 전자를 발견할 확률을 파동으로 나타내며, 오랫동안 논란을 일으켜왔던 입자설과 파동설 사이에 이해의 다리를 놓는 것과 같았다.

‘입자이면서 파동이다.’ 이러한 생각은 당시나 지금이나 상식으로 받아들이기 힘든 내용이다. 그런 이유로 양자역학을 철학적으로 고찰하려는 움직임이 싹트기 시작했다. 대표적인 이론이 보어의 ‘상보성 원리’(‘서로 배타적인 것들은 서로 보완적’이라는 뜻)다. 그는 1927년 ‘양자이론의 철학적 기초’라는 강연에서 상보성 원리를 처음 소개했고 위치와 운동량, 입자와 파동, 에너지와 시간 등은 서로 보완적이라고 주장했다.

보어의 상보성 원리는 하이젠베르크의 불확정성 원리와 결합해 코펜하겐에 모여든 보어의 추종자들에 의해 ‘코펜하겐 해석’이라는 이름으로 세상에 전파된다. 한편 “양자역학이 측정한 것 너머에 더 깊은 실재는 없다”고 주장한 코펜하겐 해석은 아인슈타인, 막스 플랑크 등 과학계 원로의 비판에도 계속 성장해 나갔다.

문제) 원자설을 주장해온 다음 과학자들을 중심으로 특징과 내용을 서술하시오.

돌턴-톱슨-러더퍼드-보어-현대 모형(하이젠베르크)

해설은 다음 호에 게재합니다.



주간동아 2006.12.05 563호 (p99~99)

김정금 JK 수리논술연구소장·제일아카데미 대표
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