EBS 다큐 - 빛의 물리학

EBS 빛의 물리학 6부작

1부 빛과 시간 특수상대성이론 (2013.09.23)

2부 빛과 공간 일반상대성이론 (2013.09.24)

3부 빛의 추적자 (2013.09.25)

4부 빛과 원자 (2013.09.30)

5부 빛과 양자 (2013.10.01)

6부 빛과 끈 (2013.10.02)

오랜만에 정말 잘 만들어진 다큐멘터리를 봤다.

"빛의 물리학"은 아인슈타인으로부터 시작한 20세기의 새로운 물리학의 시작을 조명한 것으로서 현대 물리학을 쉽게 설명한 다큐멘터리다.

총 6부작으로 되어있고, 1~2부는 아인슈타인의 특수상대성이론, 일반상대성이론에 대해 설명한다.

3부에서부터 본격적으로 빛의 본질을 설명하면서 갈릴레오, 뉴턴을 통해 성립된 고전물리학과 맥스웰로부터 시작된 전자기파가 빛임을 알게되는 것을 설명한다.

그리고 4~6부는 빛의 본질을 알아내기 위해 수많은 물리학자들이 시행착오를 거치면서 만든 원자, 전자의 모델이 나온다. 그리고 양자역학을 탄생시킨 베르너 하이젠베르크(Heisenberg)도 등장하게 된다.

제5차 솔베이 회의 - 아인슈타인과 보어, 로렌츠, 플랑크, 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 드브로이, 보른 , 에렌페스트, 퀴리 등이 보인다.

하이젠베르크의 불확정성의 원리(Uncertainty Principle)는 현대 물리학 및 각종 사회 현상에도 적용되며 많은 영감을 불어넣어주는 중요한 원리다. (심지어 리눅스의 Fedora 20은 릴리즈명이 Heisenbug이다. 하이젠 베르크의 불확정성의 원리에 의해서 발생하는 버그를 말한 신조어다.)

또한 특수상대성, 일반상대성 이론은 많은 과학, 공학에 영감을 주는 중요한 이론이다. 주변의 스마트한 사람들을 보면 상대성 이론에 대해 무지(無知)한 사람을 신뢰하지 않는 사람들도 많다. 어느 공학, 과학 분야든지 깊이 들어가다보면 언젠가는 상대성 이론과 마주하기 때문이 아닐까?

누군가에는 동시(同時)에 발생하는 사건이 누군가에는 동시가 아닐 수 있다는 점. 즉 시간과 이벤트는 절대적이지 않다는 것은 많은 가르침을 주는 화두이기 때문에 이에 대한 고민을 하지 않았다면 깊은 고민을 해본 경험이 없다는 것을 뜻하는 척도라고 생각되기도 한다.

아래 사진은 지상에서 바라본 관찰자에게는 동시에 일어난 번개가 우주선에서 바라볼 때는 시간차를 두고 일어난 사건일 수도 있다는 것을 보여준 예이다.

우리가 보는 번개와 천둥소리도 같은 맥락이다. 번개라는 이벤트는 한 번 발생하지만 그 소리만 관측한다면 번개의 속도(초속 30만킬로)와 소리의 속도(초속 약 340미터)의 차이때문에 번개, 천둥의 두가지의 이벤트를 감지하게 된다. 즉 시각적 측정과 청각적 측정 중 하나만 택해서 관측한다면 오차가 발생할 수 있다. 우리가 아는 모든 시간순서라는 것은 관측 방법, 거리, 차원에 따라서 달라질 수 있다는 중요한 이야기를 해준다.

실제로 컴퓨터 공학에서도 이런 문제 때문에 어떤 시스템을 side effect을 최소화 하기 위한 노력이 행해지고 있다. 자세한 정보를 알려고 모니터링을 촘촘히 할 수록 오히려 시스템은 더 느려지고 오류가 발생할 소지도 생기는 것이 바로 그것이다.

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이 다큐멘터리는 복잡한 수식을 사용하지 않고 다양한 그림과 비유, 은유로 설명하기 때문에 전공이 물리학이 아니더라도 쉽게 이해할 수 있다. 심지어 문과 출신이라고 하더라도 이해하는데 어렵지 않을 것이다. 혹시라도 이해가 안간다면 두번, 세번 보기를 권한다.

정말 꼭 봐야 할 유익한 다큐다.

* 하이젠베르크의 불확정성의 원리

원래 불확정성의 원리는 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 것이다.

즉 전자의 위치를 정확하게 측정하고자 하면 운동량을 알 수 없고, 반대로 운동량을 정확하게 측정하고자 하면 위치를 알 수 없게 되는 것을 의미한다.

이런 결과가 발생하는 것은 전자를 찾기 위해 긴 파장(에너지가 낮은)을 비춰보면 운동량은 알 수 있지만 정확한 위치를 찾기 힘들어진다. 그래서 정확한 위치를 알기 위해 짧은 파장을 사용하면(=에너지가 높은) 이번엔 위치는 정확해지지만, 전자가 너무 빨라져서 운동량을 측정하기 힘들어진다.

결국 관찰 대상과 관측을 위해 사용되는 에너지의 차이가 작다면 관측이라는 행위가 가진 에너지가 결과에 영향을 준다는 것이다. (즉 관찰이란 행위가 결과를 왜곡한다.)

불확정성의 원리에서는 극히 미시적인 세계에서 칸트의 인식론 자체가 허물어질 수 있음을 의미하는 것이지만, 이것을 응용하면 거시적인 세계에서도 현상과 관측 및 참여는 side effect을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.*

예를 들어 어떤 작업자가 3시간마다 작업량을 보고한다고 치자. 그 결과 3시간에 평균 3000의 작업량을 보고했다.

그런데 boss가 좀 더 자세한 작업량을 알기 위해 1시간마다 보고를 요구하면 어떻게 될까?

1시간마다 평균 1000의 작업량이 보고되었다면 여기서 2가지를 알 수 있다. 1시간이란 시간에서 작업량은 평균적으로 고른 분포를 나타낼 수 있는 시간이며, 보고하기 위한 행위가 1시간의 인터벌에서 큰 시간을 잡아먹지 않는다는 것이다.

하지만 1분마다 보고한다면? 정확하게 1000/60이 되어 평균 16.7 정도가 나올까? 실제로는 보고에 걸리는 overhead때문에 16보다 작은 값이 나올 수 있다. 또한 작업량이 급격하게 높아지는 시점이 있고, 낮아지는 시점이 있기 때문에 불특정한 분포를 띄게 될 수도 있다.

즉 boss가 관측하고자 하는 행위가 결과에 영향을 미치거나 부정확한 결과를 가지게 된 것이다.

물론 현재는 일본 나고야대의 오자와 마사나오 교수팀이 위치, 운동량을 어느 한계까지는 측정할 수 있다는 결과를 내놓았기 때문에 불확정성의 원리도 수정되었으나, 기본적인 틀은 유지되고 있다.

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* 칸트는 우리가 인식하는 대상은 결정되어있기 때문에 그 존재를 인식할 수 있다고 하였다. 하지만 코펜하겐 학파는 전자의 상태는 결정되어있다고 볼 수 없지만 인식할 수 있다고 했다. 즉 칸트의 인식론에서는 우리가 보고 있지 않다고 해도 결과는 이미 나와있는 것이다. 축구경기를 보지 않았다고 그 결과가 바뀌는 경우는 없기 때문이다. 하지만 전자의 세계는 다르다는 것이다. 우리가 관찰할 때와 관찰하지 않을 때가 다르다니... 칸트의 철학을 하는 사람들은 이것을 이해하기가 매우 애매했을 것이다.