QED / 일반인을 위한 파인만의 QED 강의

QED: The Strange Theory of Light and Matter Richard P. Feynman

일반인을 위한 파인만의 QED 강의, 리처드 파인만 저, 박병철 옮김, 승산

며칠전 회사에서 점심먹다가 방사능, 핵, 이런 이야기를 하다보니 빛의 이야기가 나오게 됐다. 빛이 입자이지만 파동이 아닌가, 그런데 왜 우주에서 전파될 수 있는 것일까? 라는 질문이 나왔는데 최근에 물리책을 수 권 보았음에도 대답이 나오지 않는 것이다. 역시 사색을 통해 온전히 제 것으로 받아들이지 않는 독서는 '그거 어디서 들어본 것이데' 수준의 참으로 얄팍한 지식만을 전해준다는 것을 새삼 통감했다.

회사로 돌아와서 잠시 생각 후에 다음 답변을 그룹웨어에 올렸다.

"빛은 입자이며 파동적 성질을 가지고 있습니다. 예전에는 회절 및 간섭이 빛으로부터 관측되었기 때문에 빛이 파동이라는 설이 있었는데, 파동이 되려면 매질이 있어야하고, 빛의 매질을 에테르라고 했죠. 그런데 이 에테르가 관측되지 않았고, 진공속에서도 빛이 지나가기 때문에 매질쪽은 미스테리로 남아있었는데, 20세기 양자역학에서 저 파동적 성질이라는 것이 매질로 전파되는 파동이 아니라 존재의 확률이 파동함수로 나타나는것에 불과하다. 결국 빛은 결국 입자(광자)다. 라고 얘기합니다. 그래서 빛이 우주에서 전파될수 있는 것입니다."

정말 빛이 입자인지? 존재의 확률이 파동함수로 나타난다는 것은 무엇인지? 등의 의문이 꼬리를 무는 것이 당연하다. 그러한 의문에 대한 답변을 가장 잘 얻을 수 있는 책이 바로 이 "일반인을 위한 파인만의 QED 강의"이다. 리처드 파인만이 QED에 대해 UCLA에서 강연한 내용을 출판한 내용으로 설명 자체는 어렵지 않다. 책을 읽는 도중, 파인만 다이어그램을 사용해 물리법칙들이 간단히 설명되는 것을 보며 "역시 파인만!"하면서 감탄하기도 했다. 멋진 이론이다.

하지만 이 책, 아니 이 책이 설명하는 대로의 자연 법칙의 이해에는 강한 거부감을 갖게 된다. QED의 기반인 확률 파동이라는 것이 평범한 우리의 사고의 틀 바깥에 있기 때문이다. QED자체는 실험으로 수 십 년 동안 검증되었다 쳐도, 정말 세상이 QED가 설명하는대로의 세상일까 하는 의문이 지금 이 순간까지도 강하게 밀려온다. 그래서 편집자는 뒷 표지에 "눈에 보이는 것(만)이 실재라면 이 세상은 당장 와해된다"라는 캐치를 크게 배치하였다. 그것이 우주의 본질이라는 것이다.

QED가 말하는 것이 정말일까? 파인만은 이 질문, "양자 역학이 정말일까?" 에 대해 이렇게 답했었다. "정말일지 아닐지, 그것이 중요한 것이 아니다. 모든 것이 양자 역학으로 설명된다는 것이면 충분하다." 파인만이 이 이야기를 하기까지는 나름대로의 고민이 많았을 것이다. 어떻게 보면 과학자가 저런 답을 낸다는 것은 백기 투항이라고 볼 수도 있으니까. 그러나 QED가 모든 것을 설명한다고 가정한다면, QED는 진리의 한 쪽 얼굴이다. 다른 한쪽에 훨씬 더 간결하고 아름다운 해답이 존재한다고 해도 QED는 그 것의 다른 얼굴인 것이다. "아름답지 못하긴 해도 진리임에는 틀림없다," 라고 생각했으므로 저렇게 말 한 것이라고 나는 확신한다.

• 빛은 거울 모든 부분에서 반사한다. 어떻게? 입사각과 반사각이 다를 수 있기 때문이다.
• 빛은 직선 경로만을 따라가지 않는다. 가장 짧은 편에 속하는 경로들을 '집중 공략'할 뿐.
• 돋보기의 원리는 빛이 사방팔방 가다가 한 점에서 모였는데 마침 그 때에 파동 위상이 합쳐졌기 때문이다.
• 우리가 관측하는 자연현상이란, 결국 (확률상의) '하나의' 사건일 뿐이다.
• 자연을 이해하기 위한 전제, 거기에는 합리성이나 논리성 같은 것은 존재하지 않는다. 여러분이 자연을 이해하고자 한다면, 이 점을 명심해야 할 것이다.
• 관찰자에 의해 실험결과가 변하는 이중 슬릿 실험. 관찰자는 아무 것도 안했다. 그냥 보고만 있었을 뿐.
• 빛은 광속c로만 움직이지 않는다. c보다 느리게 가거나 빨리 움직이는 빛도 있다. 비록 그 확률이 대단히 작기는 하지만.
• 광자 여러 개가 시공상의 동일한 위치에 도달한 확률은 갯수가 많아질 수록 커진다. 이것이 레이저laser의 원리. 전자는 스핀이 있기 때문에 전자 두개가 시공상의 동일한 위치에 도달할 확률이 0이다. 이것이 파울리의 배타원리exclusion principle이다. 배타원리로 인해 우주의 만물은 다양성을 가지게 되었다.
• 우리가 날마다 경험하는 다양한 현상의 배후에는 단지 세 가지의 기본행위만이 존재한다: 단순한 결합의 숫자 j와 2개의 함수 P(A->B), E(A->B)
• 책들마다 과학이란 단순한 것이라고 말한다. 이론을 만들어서 그것을 실험과 비교하면 그만이라고. 이때 실험과 일치하지 않으면 그것을 버리고 새 이론을 만들면 되는 것이라고들 한다. 그러나 우리는 지금 수많은 실험값과 그것을 설명할 확실한 이론을 갖고 있지만, 정작 그들을 서로 비교할 방법을 모르고 있다. 이런 묘한 상황은 과거의 물리학에는 결코 존재하지 않았다. 우리는 일시적이나마 벽에 막혀버렸다. 작은 화살표들에 파묻혀버린 것이다.

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I came across with this question, "what's the thing called truth?", while reading Richard Feynman's QED.

Imagine you see an elephant. You touch it and then you even talk with it. Finally, you're know that it's surely an elephant. Then some people appear and say that "What're you doing, strange man? You're talking to the shadow of an elephant!" Now your firm belief is in danger. "Hey Mr.Ele, Are you really a shadow? I can see you, feel you, and even talk to you! But everyman says that you are mere a shadow, the real body of which couldn't be seen." What can you do in this situation?

Richard Feynman's opinion is that, "Human has limited ability of thinking. If you think that universe should follow your way of thinking, You're bragging. If you see an elephant and it's not against to anything you might think of, it's an elephant." Is his opinion right? It's a kind of opinion like the famous Chuang Tzu's Dream; In his dream, he became a butterfly. But, it's possible that the butterfly was dreaming of becoming him then. What's the real truth? Feynman says that what can't be counter-exampled is true, no matter what it seems to be. Though our universe might be a butterfly's dream or not, it's not important. Either way can be a different viewing angle of a single truth. This is a piece of thought I've  developed during reading QED.