천체물리학과 우리 매일의 삶

 

구 자 문 

요즈음 거실의 대형 TV를 통해서 보는 것이 뉴우스며 드라마가 아니고 유튜브를 통해 역사, 문명, 과학사, 물리학 등 분야의 다큐멘터리를 보며 시간을 보내는 경우가 많아졌다. 그중 관심 있는 것은 고대 한국의 역사, 세계의 고대도시 및 건축물, 천체물리학, 양자역학 관련 다툼 등이다. 과거에는 이러한 다큐멘터리들은 장시간 비행할 때 일부러 찾아보기도 했었는데, 요즈음은 유튜브를 통해 보고 있다. 특히 TV 큰 화면을 이용할 수 있게 되면서 즐겨 보게 된 것 같다. 물론 핸드폰이나 데스크탑 컴퓨터로도 보지만 화면이 작아 눈이 아프고 의자에 오래 앉아있기 힘들기도 해서 요즈음 좀 심각한 다큐멘터리들은 거실의 TV를 통해 감상한다.

 

천체물리학(Astrophysics)은 물리학과 화학의 원리들을 응용하는 천문학 및 물리학의 한 분야로, 항성·은하·성간물질 등 천체의 리적 성질 (광도·밀도·온도·화학 조성 등)이나 천체 간의 상호작용 등을 연구하는 학문이다. 이는 이론·실험·관측을 모두 활용하는 종합적/융합적 학문으로서 천문관측 분야를 포함한다면 다양한 물리학 분야 중에서 가장 긴 역사를 지니고 있으며, 그 이론 및 관측 연구성과는 인류의 과학 문화 발전에 크게 기여해 왔고, 인간의 종교관 및 세계관의 변화와 우주에 대한 이해를 넓히는데 선도적으로 기여해 왔다고 할 수 있다. 현대 사회에서도 블랙홀, 빅뱅, 가속우주팽창 등 천체물리학의 주요 주제들에 대한 대중들의 관심이 크다.

 

양자론에 대한 ‘보어’와 ‘아인슈타인’의 세기의 이론 다툼도 재미있게 보았다. 보어에 의하면 양자 세계에서는 상대성이론 세계와 다르게 물리량은 하나로 결정되어 있지 않고, 우리가 그 물리량을 관측하는 순간에 하나로 결정된다는 것이다. 아인슈타인은 확률에 근거한 새로운 양자역학보다 결정론적인 고전 물리학을 더 선호했는데, 자신도 모르게 양자역학 탄생에 기여한 사람 중 하나가 되었다. ‘슈뢰딩거’도 양자역학을 비평하기 위해 나섰지만 그의 이론이 역으로 양자역학 설명에 크게 기여하고 있다.

 

한 입자의 운동량(속도)과 위치를 동시에 알 수 없다는 ‘하이젠베르크의 불확정성 원리’, 빛은 파동이면서 동시에 입자, 고양이는 죽어 있으면서 동시에 살아 있다는 ‘슈뢰딩거의 고양이’, ‘네가 보지 않을 때는 파동이 존재하다가 볼 때는 입자가 존재’ 등이 양자역학을 설명하는 것들이다. 양자적 실체들이 인과성 없이 서로 얽히고 겹쳐져 분리할 수 없으며, 심지어 관찰자의 관찰 행위에 따라 실재가 바뀐다 (관찰되기 전까지는 개별적인 존재가 아니다)는 양자론에 대해 아인슈타인은 터무니없다며 이렇게 말했다고 한다. “아무도 보지 않으면 달이 존재하지 않는단 말인가?” 하지만 최근 양자역학은 아인슈타인 논리가 절대적일 수 없음을 밝히고 있다.

 

뉴욕대 양자물리학자 ‘미치오 카쿠’는 2011년 출간한 ‘Physics of the Future’에서 컴퓨터혁명을 이끌어 온 ‘반도체에 집적하는 트랜지스터 수는 1~3년마다 2배 또는 그 이상 증가한다는 무어의 법칙’을 뒷받침해 온 실리콘 기판 위 트랜지스터 회로의 소형화·집적화가 2020년이면 한계에 도달할 것을 예측했었다. 그 시점은 트랜지스터의 크기가 원자 하나의 크기까지 줄어드는 때로서, 트랜지스터가 원자 차원으로 작아지면 도선을 따라 움직이는 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없고, 가둬둘 수도 없게 되므로, 어차피 양자컴퓨터로 갈 수밖에 없는데, 그 여파가 상상을 초월할 것이라고 했다. 양자컴퓨터는 반도체를 사용하는 기존 컴퓨터와 달리 원자를 기억소자(Memory Element)로 활용하며, 슈퍼컴퓨터의 한계를 크게 뛰어넘는다.

 

현재 개인용컴퓨터나 슈퍼컴퓨터는 정보 단위로 비트(bit)를 사용하는데, 모든 데이터가 0 혹은 1의 값을 갖는 이진법을 따른다. 반면 양자컴퓨터는 양자정보 기본단위 큐비트(quantum bit)를 정보 단위로 사용하며, 0과 1이 공존할 수 있기 때문에 4개의 정보(00, 01, 10, 11)를 처리할 수 있다. 그러므로 병렬 계산이 가능한 양자컴퓨터는 이론상 슈퍼컴퓨터보다 30조 배, 기존 컴퓨터보다 1경 배 이상 빠른 속도로 연산처리가 가능하다고 한다. 구글이 2019년 10월 개발한 53큐비트급 양자컴퓨터 ‘시커모어 (Sycamore)’는 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 연산문제를 200초 만에 풀어냈으며, 이러한 초고속 연산능력을 활용하면 신약 개발이나 암호 해독, 금융·교통·전력 분배 문제 등 모든 영역에서 혁신적인 해법을 찾아낼 수 있다고 한다. 양자컴퓨터를 ‘4차 산업의 완성자’, ‘꿈의 컴퓨터’ 등으로 부르는 이유가 그 때문이다.

 

필자의 경우에도 별들이나 우주에 대한 관심은 중고교시절만이 아니라 그 이전 유아시절 부터라고 생각된다. 하지만 누구나 가지는 우주의 신비함에 대한 호기심 정도였을뿐 대학진학 및 전공분야 선택에는 큰 영향을 끼친 것 같지 않다. 우주는 광대하고, 우리 인간들과는 차원이 다른 그러한 공간이라고 생각했었다. 이는 일상을 살아가는 다른 이들도 마찬가지였을 것이며, 1977년에는 ‘달과 슬럼 (Moon and Ghetto)’이라는 공공정책 관련 유명한 에세이가 나오기도 했었다. 천문학적 비용들이며 달나라까지 방문하면서 도시의 슬럼 문제는 왜 해결하지 않느냐 (내지 왜 해결하지 못하느냐)는 항의 섞인 반문이었다. 다툼과 전쟁이 끊이지 않고 환경오염문제, 빈곤문제, 인종/종교문제 등 전통적인 문제들이 여러 다른 형태로 대두되는 게 우리 사회이기도 하니 그럴 만도 하다. 하지만 우리 일반시민들은 인식하지 못하는 사이에 현대 과학은 빠르게 발전하고 있고, 알게 모르게 우리 의식주 및 편의시설만이 아니라 사회문제들도 점진적으로 해결해 주고 있다고 본다.

 

2024년 3월 10일