2-4. 보어와 하이젠베르크: 미시세계의 새로운 규칙

"양자역학에 충격받지 않은 사람은, 양자역학을 이해하지 못한 것이다." — 닐스 보어

원자 속으로 — 상식이 무너지는 세계

앞 절에서 우리는 아인슈타인이 시간과 공간의 상식을 뒤집는 것을 보았다. 빠르게 움직이면 시간이 느려지고, 길이가 줄어들며, 질량이 에너지로 바뀐다. 충분히 충격적이었다.

하지만 적어도 상대론에서는, 물체의 위치를 알 수 있고, 그 궤적을 추적할 수 있었다. 행성이 어디에 있는지, 로켓이 어디로 날아가는지 정확하게 계산할 수 있었다. "물체는 특정한 장소에 존재하고, 확정된 경로를 따라 움직인다" — 이 상식만큼은 여전히 안전했다.

그런데 20세기 초, 물리학자들이 원자보다 작은 세계를 탐구하기 시작하면서, 이 마지막 상식마저 산산이 부서졌다.

잠깐, 아래의 사실들을 읽어 보자. 모두 실험으로 확인된 사실이다:

• 전자는 동시에 여러 곳에 있을 수 있다. 하나의 전자가 "여기에도 있고, 저기에도 있는" 상태가 가능하다.
• 관측하기 전까지, 전자가 어디에 있는지는 정해져 있지 않다. "우리가 모르는 것"이 아니라, 정말로 "정해져 있지 않은 것"이다.
• 전자의 위치를 정확히 알면, 속도를 정확히 알 수 없다. 그리고 이것은 측정 장비의 한계가 아니라, 자연의 근본적인 법칙이다.
• 전자가 벽을 뚫고 통과할 수 있다. 에너지가 부족해서 넘을 수 없어야 할 장벽을 마치 유령처럼 통과한다.

"말도 안 돼!" 라고 생각했다면, 정상이다. 아인슈타인조차 양자역학의 여러 결론에 평생 불편함을 느꼈다. 양자역학의 창시자 중 한 명인 닐스 보어는 이렇게 말했다: "양자역학에 충격받지 않은 사람은, 양자역학을 이해하지 못한 것이다."

이 절에서는 이 기이한 세계가 어떻게 발견되었는지, 그리고 왜 물리학자들이 이런 결론을 받아들일 수밖에 없었는지를 따라가 보자.