[물리학 이야기] 상대성 이론과 양자 역학

상대성 이론과 양자 역학에 대한 이야기를 해보겠습니다.

[물리학 이야기] 상대성 이론과 양자 역학

다양한 이론이 존재한다

상대성이론은 "4차원적인 시공간에서의 모든 운동은 상대적인 운동으로 치부할 수 있다"라는 기본 원리로 이루어지며 통일장 이론은 모든 우주의 행동 방침을 하나로 통일시킨 만물의 이론입니다. 아직 없는 이론입니다. 빅뱅론은 우주의 시초를 빅뱅이라는 큰 폭발로 시작되었다는 이론이며 초끈이론은 양자역학과 상대성이론의 미시적인 세계와 시간과 공간의 상대성의 충돌로 인한 것을 1차원적이 끈이 최소 단위로 해결한 이론입니다. 양자역학은 모든 자연은 확률적인 근거로 해석할 수 있으며 '"모든 것은 작은 아날로그가 아니라 디지털처럼 끊어져있는 양자화 되어있다"라고 하는 이론입니다. 더 자세히 상대성이론 하고 양자역학에 대해서 설명드리겠습니다.

상대성이론과 양자역학

상대성이론은 우리가 공간에서 행 할 수 있는 모든 운동을 "나는 정지해있다"라고 가정하고 표현할 수 있는 이론입니다. 더 넓혀 말하자면 본질적인 4차원 시공간에 대해 설명한 이론입니다. 뉴턴의 절대적인 시공간 역학에선 가상적인 힘 관성력을 등장시키며 가속 운동에 대해 설명했지만 이를 아인슈타인은 관성력과 중력은 본질상 같다고 하므로 가속 운동과 등속 운동 모두를 관성계에 포함시켰습니다. 또한 우주의 최종 단속도를 정의 내리므로 그에 따라 시간과 공간이 변할 수 있으며 이것으로 우주가 본질을 알아내었습니다.

양자역학은 한 사람의 노력이 아닌 여러 사람의 노력으로 만들어졌으며 가장 작은 단위가 존재한다 라고 알려줍니다. 이 말은 에너지이건 다른 물리량이건 연속적인 양 즉 "우리가 어떠한 에너지파를 쏘았을 때 이 에너지파의 에너지가 끊김 없이 연속적인 것이 아니라 불연속적인 딱딱 끊어져있는 작은 단위로 구성되어있다" 그리고 "이것을 양자화되어있다"라고 알려주며 "단순히 너무 작은 단위이기에 우리가 이때까지 관측할 수 없었다"라고 알려줍니다. 이런 이치로 볼 때 상대성이론의 시간과 공간의 왜곡 현상이 빛의 속도에 비해 우리의 속도가 너무 작기 때문에 관측이 불가했던 것과 같은 이치입니다.

어찌 되었건 저렇게 작은 단위로 나눠져 있는 양자화된 물리량들의 행동 방침을 설명한 것이 바로 양자역학입니다. 하지만 재미있는 것은 양자화된 작은 물리량들이 너무 작기에 행동하는 것들이 우리가 눈에 보이는 물체와 다르게 행동하게 됩니다. 예를 들어 "우리가 본다"라고 하는 것은 빛의 입자 즉 광자를 쏘아서 튕겨 나오는 광자를 우리 눈으로 보고 물체가 어디쯤 있다고 인식하는 것입니다. 즉, 우리는 실질적으로 물체를 보고 있는 것이 아닌 반사된 광자를 보는 것입니다. 우리가 어떤 물체를 보고 있다면 그 물체에 힘이 가해져있지 않는 이상 그대로 있을 것입니다.

하지만 그 물체가 너무너무 작다면 예를 들어 광자만 해진다면 어찌 될까요? 즉, 그 물체를 보려고 광자를 맞추는 순간 그 물체는 광자에 맞고 어디론가 날아가버릴 것입니다. 즉, "본다"라고 하는 그 행동만 했을 뿐인데 작은 세계에서는 영향을 미친다는 것입니다. 그래서 작은 물체들을 관측할 때 두 가지 물리량을 완벽히 알 수 없습니다.

그 두 가지 물리량은 운동량의 변화량과 위치의 변화량인데 이 말은 물체의 속도와 위치를 동시에 정확히 알 수 없다는 거죠 더 작은 세계로 갈수록 그렇다는 것입니다. 하지만 커다란 세계로, 거시적 세계로 올수록 그런 효과는 미세하게 나타나 결국에는 뉴턴의 역학과 양자역학은 거시 세계에서 동등해지는 것입니다.

상대성이론과 양자역학은 왜 합쳐지지 못하는가?

이 두 가지 이론은 설명하는 것은 우주를 설명하는 것으로 같습니다. 상대성이론은 본질적인 시공간에 대한 이론이며 양자역학은 작은 미시세계서부터 큰 세계까지 확률론적 세계관을 확립했습니다.

양자역학과 상대성이론이 충돌하는 이유는 다음과 같습니다.

양자역학에선 에너지와 그 에너지를 측정하는 시간 사이에서의 불확정성의 원리란 것이 존재합니다. 이 말은 어떤 에너지를 측정하는 측정시간을 짧게 할수록 그 에너지는 널을 뛰듯 오르락내리락합니다. 더 놀라운 점은 아무것도 없는 무의 공간 즉 진공에서도 측정시간을 짧게 가지면 아무것도 없는 공간에서도 에너지가 생겼다 사라졌다 한다는 것입니다. 그리고 이것을 상대성이론에 접목시키면, 상대성이론에선 에너지는 곧 질량이며 질량은 중력을 존재하게 하며 중력은 주변의 공간의 휘어짐과 같다고 표현하므로 "에너지가 생겼다 없어졌다" 하는 것은 "질량이 생겼다 사라졌다" 하는 것이고 그에 따른 "중력이 생겼다 없어졌다" 하는 것이고 "주변 공간이 휘어졌다 펴졌다" 하는 것입니다. 그런데 이것이 더욱 작은 세계로 갈수록 심해지는데 플랑크 상수보다 작은 미시세계에서는 그 에너지가 널을 뛰는 현상 즉 양자적 요동 현상이 극에 달하며 그에 따라 공간도 널을 뛰는데 공간이 부드럽게 되어있는 것이 아니라 요동에 의해 공간이 뾰족뾰족하게 된다는 것입니다. 하지만 상대성이론에선 공간은 부드러운 곡률을 유지하여야 하기에 두 이론은 합칠 수 없는 이론이 되는 것입니다.

두 가지 이론을 합친 초끈 이론

"플랑크 상수 이하는 관측할 수 없다" "최소 단위는 1차원적인 끈이다"라고 하므로 자연히 상대성이론과 양자역학의 양자적 요동 자체를 없는 것처럼 만든 이론입니다. 그래서 "빅뱅의 특이점에 대해 설명할 수 있게 된다"라는 말도 맞지만 그렇게 어렵게 생각할 것이 아니라 "우리가 관측할 수 있는 블랙홀입니다" "블랙홀의 중심은 부피는 0에 가까우며 질량은 무한대입니다" 즉 양자역학에서 보면 부피는 0에 가까우니 블랙홀 중심은 아주 작은 미시세계이므로 양자역학이 관여해야 하며, 반대로 질량은 어마어마하고 블랙홀 행동 방침 즉 중력에 의한 모든 현상은 상대성이론으로 풀어야 하니 블랙홀을 완벽히 설명하려면 상대성이론과 양자역학이 합쳐져야 할 필요성이 있는 것입니다. 즉 초끈이론이나 여타 트위스터 이론 등 통일장 이론의 될 만한 이론들이 실험으로 밝혀진다면 분명 모든 것이 설명될 것입니다.

상대성 이론과 양자역학에 대한 이야기를 해보았습니다. 물리학은 어렵긴 하지만 재미있는 학문임은 틀림없습니다.