5장 1 ; 무한한 장 (場)

 전자가 파동이면서 입자라구요? 잠시 입자로 움직이고 다음에는 파동으로 움직인다고요?

 처음엔 아무도 이게 진짜 사실이라고 믿을 수가 없었습니다. 사람들은 틀림없이 뭔가 잘못되었다고 생각했습니다.

 그래서 과학자들은 단 하나의 전자가 이중 슬릿을 지날 때도 입자가 아니라 파동처럼 움직이는지 보기로 했습니다.

 그러나 전자를 관찰하는 순간 아주 이상한 일이 생겼습니다. 화면 위에는 비비탄을 쏜 것처럼 정확히 "입자"의 행태가 나타났습니다. 

 전자를 그저 "관찰"했더니 파동이 아니라 입자로 돌아간 것입니다. 즉 전자가 비비탄처럼 두개의 슬릿이 아니라 한개의 슬릿만 지나간 것입니다.

 그러면...결론은 자연상태에서 관찰되지 않으면 전자는 입자가 아니라 파동이지만 관찰을 하면 시간과 공간에 자리잡은 입자가 된다는 것입니다.  

 "전자는 관찰하지 않을 때는 여기에 있을 수도 있고 저기에 있을 수도 있고 저 넘어 있을 수도 있다는 의미에서 아주 특별하다...말하자면 방 안에 어디든 있을 수 있다. 그러나 관찰할 때마다 방안을 가이거 계수기로 꽉 채운다 할지라도 가이거 측정기상 특정한 위치에서 잡힌다. 이것이 전자에 대해 근본적으로 중요한 사실이다.(아미트 고스와미)"

"양자는 관찰될 때만 입자로 나타난다는 강력한 증거가 있다. 전자가 관찰되지 않으면 그것은 언제나 파동이다.(마이클 탤보트)"

 [1900년대 초에 과학자들은 "양자"라는 말을 안정적인 원자에 묶여 있는 전자와 관련된 에너지를 가리키는 말로 썼는데 그로 인해 원자는 안정성을 가지며 물질도 전반적으로 안정되는 거라고  설명했다. 그래서 "양자 물리학"은 전자와 그 에너지 연구와 관련된다. "양자란 말은 '파동/입자'와 비슷한 말이고 파동성과 입자성을 가진 것에 쓰는 말이다.(마이클 탤보트)"]

 전자가 관찰되기 전까지는 파동이고 그 이후는 입자라고 하는 것은 참으로 급진적인 일입니다. 

 그 파급효과는 엄청납니다. 그것은 우주를 구성하는 기본 요소가 입자로 된 물질이 아니라 확률로만 알 수 있는 파동이란 말이기 때문에 이제까지 물질 우주가 견고하고 예측가능한 것이라 생각한 것이 그렇지 않다는 것을 의미하기 때문입니다. 

 하지만 누가 "관찰자"란 말인가요? 그리고 관찰자가 어떻게 전자를 파동에서 입자로 바꾸는 것일까요?

 첫번째 질문에 지금 완전한 답을 얻기는 어렵습니다. "관찰자"란 무언가를 보고 있는 사람이 될 수도 있고 관찰하고 기록하고 측정할 수 있도록 만든 도구일 수도 있습니다. 그것은 물질계의 무언가를 보려고 하는 것은 무엇이라도 좋다는 것입니다. 그러나 그 의미를 파악하기 전에 더 많은 정보를 필요로 하는 또 다른 차원의 문제가 있습니다. 그것을 살펴보겠습니다.

 이제 다시 이중 슬릿 실험의 결론을 되풀이해 봅니다. 양자 물리학에 따르면 우리가 견고한 실상이라고 생각하는 물질계를 구성하는 원자(중성자와 전자)는 관찰될 때만 견고한 실체로 드러납니다. 관찰되지 않으면 어디에든 있을 수 있는 무한한 가능성을 가진 파동으로 돌아갑니다(이중 슬릿 실험 영상을 보실 것).

 이제 관찰자가 어떻게 전자를 파동에서 입자로 바꾸는지에 관해 논해 봅시다.

 전문가들은 다음과 같이 생각합니다.

 "입자는 보이는 것과 같지 않다. 그것은 순간적인 현상이다. 입자가 없는 양자 파동 함수가 순간적으로 '튀는 것'이다. 즉 순간적으로 입자로 튀어나오는 파동만 있는 것이다.(프레드 앨런 울프)"

 다른 말로 하면 관찰자가 전자를 보면 확률을 가진 파동이 "튀었다가" 시공 속에서 특정 자리를 차지하는데 그것이 우리가 보는 "실상"입니다. 이것을 일러 "파동 함수의 붕괴"라 합니다.

 "파동함수의 붕괴"는 수학적으로 아주 잘 풀고 예측할 수 있습니다. 그러나 말로 간단히 묘사하는 건 매우 어렵습니다. 기본적인 뜻은 전자가 보통은 파동 상태(파동 함수)로 있는데 입자로서 어디든지 있을 수 있다는 얘기입니다. 그리고 전자를 관찰하면 그 복잡한 파동상태는 "붕괴되어" 한가지 상태 즉 특정한 자리를 차지하는 입자 상태가 된다는 것입니다. 

 물리학자 닉 허버트는 다음과 같이 상상한다고 합니다. 즉 우리가 관찰할 수 없는 등 뒤에 "확정할 수 없고 끊임없이 흐르는 양자 수프"가 있다고 말입니다. 그러나 우리가 돌아서 그 수프를 보려 하면 그것은 마치 얼어붙듯 "실체"가 되는 것입니다. 허버트는 우리 모두가 마치 만지는 것마다 금으로 만들어버리는 미다스 왕과 같은 상황에 놓이는 거라고 믿습니다. 

 그러면 그 누구도 전자를 관찰해서 파동함수를 붕괴시켜 입자로 바꾸지 않을 때 전자는 그저 확률을 가진 파동으로서 어디에 존재하는 걸까요? 

 그 답은 수년간 연구를 거듭하면서 수많은 수정을 거쳐 다음과 같이 많은 답을 낳았습니다.

  ~ 플랑크 척도(막스 플랑크)

  ~ 보이지 않는 질서(데이비드 봄)

  ~ 진공 상태

  ~ 양자 파동함수

  ~ 영점 장

  ~ 초끈

  ~ M 장

  ~ 통일장

 오늘날은 주로 '무한한 장(The Field)'이라 합니다. 린 맥태거트는 그의 책에서 '무한한 장'이란 "모든 가능성의 장"이라 정의했습니다.  

 우리가 생각할 수 있는 모든 것과 생각할 수 없는 모든 것과 아무도 생각하지 않은 모든 것이 확률을 가진 파동으로서 이미 이 '무한한 장'에 존재합니다.