빛의 근원을 찾아서 2, 전자는 어디로 튈지 모른다.

연속과 불연속 

오늘은 원자 내부로 들어가 보기로 하자. 원자 내부가 어떻게 생겼는지 보고, 전자가 움직이는 원리를 알아본다. 양자물리학의 세계로 입문하는 것이다. 문과 출신인 내가 양자물리학을 제대로 이해하는 것은 불가능하다. 따지고 보면 지금부터 하는 이야기는 수박의 겉을 핥는 것과 같다. 내용이 깊이가 없고 얕게 느껴진다면 그런 까닭이 있다는 것을 알아두면 좋겠다. 

 

                                 

<그림 1> 수소 원자

 

각설하고 지금부터 물질의 내부에서  빛을 나오는 과정을 살펴보자. 물질은 원자로 이루어졌다는 사실을 알았다. 지금부터 원자 내부 전자의 움직임이 빛의 근원이라는 사실을 알아보자. 그것을 위해 수소 원자를 예로 든다. 전자 한 개, 양성자 한 개인 수소 원자는 무척 단순한 구조다. 우주와 삼라만상을 구성하는 원소 중에서 가장 많은 숫자를 차지하는 것이 수소다. 빅뱅 이후 우주에서 가장 먼저 생긴 원소가 수소, 다음이 헬륨이다. 우주에서 가장 많은 원소는 수소인데 그냥 많은 것이 아니라 다른 모든 원소보다 압도적으로 많다. 질량으로 보면 70%, 원소의 양으로 보면 90%가 넘는다.     

 

물질을 이루는 원자 내부에는 핵과 전자가 있고, 핵을 중심으로 전자는 끊임없이 움직인다. 전자의 위치는 특정할 수 없고 오직 확률로만 추론할 수 있다. 우리 몸을 구성하는 원자 내부에서 전자는 어느 한 곳에 단단히 고정되어 있지 않고 지금도 움직이고 있다는 말이다. 전자가 움직이는 궤도는 특정한 에너지양(量)으로 확정되어 있어, 궤도를 이동하더라도 특정한 궤도에서만 움직인다.

 

<그림 2> 연속적 운동과 불연속 운동 사진 출처 :  https://news.samsungdisplay.com/18963

 

<그림 2>에서 비탈면을 내려오는 공은 연속적인 흐름을 보인고, 계단을 내려오는 공은 불연속적인 흐름을 보인다. 원자 내부의 전자가 움직이는 모습은 <그림 2>의 왼쪽과 같이 계단을 내려오는 것과 같다. 전자는 비탈길을 미끄러지듯 내려오지 않고, 계단과 같이 미리 정해진 위치로만 불연속적으로 이동한다.

 

전자는 늘 불연속적으로 움직이기 때문에 어느 궤도의 어느 지점에 전자가 있는지는 알 수 없다. 이것이 그 유명한 양자물리학의 불확정성 이론의 핵심이다. 이 주장의 선두에는 덴마크 출신의 천재 물리학자 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)와 미국의 천재 이론물리학자 리처드 파이만(Richard Phillips Feynman, 1918~1988)이 있었다.

 

이들이 물질 내부 전자의 위치를 특정할 수 없다는 주장을 내놓자 세계 물리학계는 발칵 뒤집혔다. 특히 노벨 물리학상을 받은 인류 역사상 가장 뛰어난 천재라 평가받는 아인슈타인은 이들의 주장을 터무니없는 궤변이라고 맹비난했다. 세상은 우연과 불확정성 그리고 확률로 이루어진 것이 아니라는 것이 그의 반박이다. 심지어 그는 “신은 주사위 놀이를 즐기지 않는다.”는 말로 양자물리학자들의 불확정성원리를 배척했다.    

  

전자는 끊임없이 불연속적으로 움직인다. 

계속된 연구를 통해 양자물리학이 주장한 만물의 근원인 양자의 세계에서 전자의 위치는 끊임없이 변한다는 것이 사실임이 밝혀졌다. 전자의 위치는 확률로 계산은 가능하지만, 그 위치를 특정할 수 없다. 따라서 양자의 세계는 고정되고 불변하는 세계가 아니라 끊임없이 변화하고 움직이는 세계라는 것이다. 전자의 부단한 움직임은 곧 사물의 끊임없는 변화를 뜻한다. 전자와 핵으로 구성된 원자는 만물의 근원이지만, 이들의 내부는 끊임없이 움직인다. 그렇지만 원자가 구성하는 세상은 흔들리거나 불안하지 않고 물체는 굳건하게 존재한다.     

 

지금도 우리 몸 내부의 전자는 핵을 이탈하지도 않고 핵에 빨려들지 않고 안정적으로 회전한다. 그렇다고 해서 우리는 전자가 정확하게 어느 지점에 있는지 꼭 집어 말할 수는 없다. 그저 확률로만 말할 수 있다. 이 얼마나 황당한 일인가? 세상 만물을 이루는 원자의 내부에 있는 전자가 끊임없이 돌고 있지만, 구체적으로 어느 위치에 있는지 정확하게 말할 수 없다니 얼핏 듣기에는 말도 안 되는 황당한 이야기다.      

 

그러나 엄연한 사실이다. 설혹 전자가 어디에 있는지 말할 수 있다 해도 우리가 그것을 보려는 순간에 전자는 저만치 어디론가로 달아난다. 전자의 위치를 관측하려면, 레이저를 쏜다든가 첨단 장비를 할 것이다. 그러나 아무리 첨단 장비를 동원해서 극초로 미세의 빛을 쏘기만 해도 전자는 어디론가로 바람처럼 사라진다. 확률로는 전자의 위치를 계산할 수 있지만, 정작 관측할 때는 그 위치에 있지 않다는 뜻이다.      

 

참으로 묘한 세상이 원자의 세상이다. 전자가 특정한 지점에 있을 확률이 분명히 있지만, 우리가 관측을 시도하기 위해 빛을 쏘는 등의 행위를 하는 순간에 전자는 자리를 옮긴다. 즉, 보려고 하면 사라지고 보지 않으면 그 자리에 있는 얄미운 존재가 전자다.