[일어날 일은 일어난다]

 

[ 지은이 ]

 

박권 - 이론 물리학자

 

[ 들어가며 ]

 

양자역학은 언젠가부터 나를 매료시켰습니다 과학에 문외한인 나의 흥미를 끌었던 양자물리학에 관한 책을 함께 읽어보겠습니다 박권 교수님의 [일어날 일은 일어난다]입니다 유감스럽게도 이 책의 1/4 정도만 이해했습니다 그 정도에 만족하고 옮겨봅니다

 

[ 내용 ]

 

1. 우리는 왜 존재하는가

철학과 종교가 아닌 과학에서는 이 질문을 '왜'가 아닌 '어떻게'라고 묻습니다 예를 들어 과학에서는 부모의 형질이 자식에게 어떻게 유전되는지를 물었을때 이 질문에 대한 답을 유전자라고 말합니다 그리고 나서 과학이 유전자가 개별 생명체의 형질을 어떻게 담아내는지  묻는다면 DNA라고 답합니다 그 다음으로 과학이 DNA가 애초에 어떻게 발생할 수 있었는지를 묻는 질문에 대한 답에은 '생명의 기원'이라고 답합니다 우리는 아직 생명의 기원에 대해 정확히 알지 못합니다 그럼에도 생명의 기원이라는 질문을 던지는 이유는 우리가 왜 존재하는가에 대한 답에  한 걸음 더 다가설 수 있기 때문입니다 이런식으로 '어떻게'라는 질문을 타고 내려가다 보면 결국 우리는 물리학 특히 양자역학을 만나게 됩니다 양자역학에 따르면 모든 것은 파동입니다 엄밀히 말하자면 모든 것은 파동이면서 입자입니다 이러한 현상을 전문적으로  '파동-입자 이중성'이라고 부릅니다 파동-입자 이중성과 같은 이상한 현상이 어떻게 그리고 왜 나타나는 것일까요

 

2. 사람에 관하여

모든 물질은 보편적인 물리 법칙을 따르는 원자로 이루어져 있습니다 같은 종류의 원자는 모두 정확하게 동일합니다 장미와 같은 복잡한 물질도 원칙적으로는 모두 똑같은 원자들로 이루어져 있습니다 서로 다른 장미는 원자의 조성이 조금 다르거나 동일한 조성이라도 약간만 다르게 조합되어 있을 뿐입니다 사람들은 모두 별에서 왔습니다 우주는 대략 138억 년 전 밀도가 매우 높고아주 뜨거운 작은 점이 폭발하면서 태어났습니다 이것이 바로 빅뱅인데 빅뱅만으로 우주에 존재하는 모든 원소가 생긴 것은 아닙니다 그때 생긴 원소들은 첫 번째와 두 번째로 가장 가벼운 원소인 수소와 헬륨 그보다 약간 무거운 리튬, 베릴륨, 붕소뿐입니다 수소는 우리 몸을 구성하는 중요한 성분이지만 헬륨, 리튬, 베릴륨, 붕소는 우리 몸을 차지하는 비중이 작을뿐만 아니라 생명 유지에 아무런 역할도 하지 않습니다 우리 몸의 99%는 질량 기준으로  산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인이라는 여섯 가지의 무거운 원소로 구성되어 있습니다 이러한 무거운 원소들은 어떻게 생겨난 것일까요 
답은 별입니다 별은 기본적으로 가벼운 원소를 무거운 원소로 만드는 용광로입니다 빅뱅 직후에는 양성자와 중성자가 만들어집니다 빅뱅이 일어나고 3분이 흐르면 우주는 팽창으로 인해 온도가 급격히 떨어집니다 이때 무거운 원소를 만들기 위해서 별이 필요한데 별은 성간 가스와 먼지들이 중력으로  수축되어 생성됩니다 수축하는 별의 중심부는 밀도가 높아지고
그에 따라 온도도 같이 올라갑니다 별의 중심 온도가 올라가면 수소들은 서로 결합해 헬륨으로 바뀌는 핵융합 반응을 일으킵니다 이러한 핵융합 과정이 우리에게는 필수적입니다 태양이 바로 이 방식으로 에너지를 발생시키기 때문입니다 무거운 원소는 별의 대기층을 구성하다가 결국 일종의 바람의 형태로 우주로 방출됩니다 이렇게 만들어진 '별 바람'은 별에서 만들어진 원소들을 우주로 퍼트립니다 아니면 초신성의 폭발로 원소들이 흩뿌려지기도 합니다 그리고 이러한 다양한 원소들은 적절하게 모여 우리 몸을 구성합니다 그러니 우리는 모두 별에서 왔다고 말할 수 있습니다 우리의 몸을 구성하는 가장 중요한 원소는 탄소, 수소, 산소입니다 수소와 산소는 물을 구성하니  우리 몸의 대부분은 탄소와 물입니다
탄소의 핵, 수소의 핵, 산소의 핵은 각각을 구성하는 양성자와 중성자의 개수만 다를 뿐 모두 크기가 매우 작고 밀도가 굉장히 높습니다 핵 안에도 내부 구조가 있지만 보통 원소의 성질은 핵의 직접적인 성질이 아닌 전자가 핵 주변에서 어떤 궤도를 도는지에 달려있습니다 핵은 전자들을 붙잡은 다음에야 진정한 원소가 됩니다 예를 들어 탄소 원자핵은 양성자 6개와 2개에서 16개 사이의 중성자로 이루어져 있습니다 따라서 원자핵은 보통 전자핵 6개를 끌어당깁니다 이렇게 끌어당겨진 전자 6개가 탄소 원자핵 주위에서 조화로운 공명을 일으킬 때 탄소 원자가 만들어지는 것입니다 사람은 축축한 탄소 덩어리입니다 사람의 몸 대부분이 물과 탄소로 이루어져 있기 때문입니다 물을 빼버리면 사람은 기본적으로 탄소 덩어리입니다
탄소를 잘 이해하면 사람도 잘 이해할 수 있을 것 같지만 그렇지는 않습니다 탄소와 다른 원자들을 적절히 조합해서 만들 수 있는 물질의 상태는 무궁무진합니다 레고 몇 조각으로 엄청나게 다양한 작품들을 만들 수 있는 것과 마찬가지입니다 순전히 탄소만으로도 성질이 다른 물질 상태를 만들 수도 있는데 그것이 바로 흑연과 다이아몬드입니다 온도와 압력에 따라 똑같은 탄소가 흑연이 되기도 하고 다이아몬드가 되기도 합니다

 

 

[ 나가며 ]

1. 양자역학은 반도체와 레이저에 응용되어 사용하고 있습니다
 
2. 양자역학을 응용한 예로 초전도체가 있습니다 초전도체를 이용하는 분야는 초전도 자석입니다 초전도 자석은 병원에 있는 자기공명영상(MRI)에 이용됩니다

3. 양자역학을 응용한 양자컴퓨터가 개발되고 있습니다 고전적인 컴퓨터에 비해 엄청나게 빠른 연산이 가능합니다 이것은 현대 온라인 통신의 보안에 도움을 줍니다

 

[ 책 내용이 담겨 있는 동영상 ]

https://youtu.be/kYkVqWbqXQU?si=lpjNZlaLMVHmZM6s