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작성일 : 25-07-10 00:14

[김범준의 옆집물리학]입자도 파동도 없는 양자의 세상

글쓴이 : 이성중

책상 위 탁구공을 떠올려보라. 우리는 저곳에 탁구공이 있다고 말할 수 있다. 탁구공 같은 물리학의 입자는 위치를 특정할 수 있다. 다음에는 퐁당퐁당 던진 돌이 만든 물결이 호수 위로 퍼져나가는 모습을 떠올려보라. 물결 같은 물리학의 파동은 넓게 펼쳐져서 위치를 딱 잘라 말할 수 없다. 입자와 파동은 정말 다르다.
탁구공 하나 옆에 하나를 더 두면 두 개다. 하나, 둘, 셀 수 있는 물리학의 입자는 1+1=2를 만족한다. 파동은 다르다. 오르락내리락 위아래로 진동하며 움직이는 파동에서 가장 높은 곳을 마루, 가장 낮은 곳을 골이라고 한다. 마루와 마루 사이의 거리가 파장, 마루와 골 사이 수직 방향 거리의 절반이 진폭이다. 파장과 진폭이 같은 두 파동이 한 곳에서 만날 때 마루와 마루가 만나면 둘이 더해져 진폭이 두 배가 되지만, 마루와 골이 만나면 서로 상쇄해 진폭이 0이 된다. 이처럼 파동은 1+1이 2가 되는 보강간섭을 보여줄 수도 있고, 1+1이 0이 되는 상쇄간섭을 보여줄 수도 있다. 요즘 인기 있는 소음 제거 헤드폰도 상쇄간섭을 이용한다. 헤드폰 밖 소음을 잠깐 녹음했다가 위아래가 뒤집힌 꼴로 출력해서 소음의 크기를 크게 줄인다. 소리가 입자가 아니라 파동이라 가능한 일이다.
눈으로 직접 입자와 파동의 차이를 확인할 수 있는 실험이 있다. 네모난 판에 위아래로 두 개의 길쭉한 틈을 낸 것이 이중슬릿이다. 탁구공이 지나갈 정도의 틈을 내고 탁구공을 던지면 위아래 두 틈 중 하나를 통과해 건너편 벽에 도달한다. 위를 통과한 탁구공과 아래를 통과한 탁구공은 각각 벽의 다른 높이에 도달한다. 잉크를 묻힌 탁구공을 하나씩 계속 던지면 벽에는 딱 두 개의 띠가 만들어진다.
파동을 이중슬릿에 보내면 어떤 일이 벌어질까? 하나의 파동은 두 슬릿에 동시에 도달해 통과하면서 각 슬릿을 중심으로 한 동심원 모양의 두 파동으로 나뉘어 진행한다. 건너편 벽에는 두 파동의 마루와 마루가 만나 보강간섭이 일어나는 위치도, 마루와 골이 만나 상쇄간섭이 일어나는 위치도 있다. 빛으로 이중슬릿 실험을 하면 보강간섭이 일어나는 밝은 곳과 상쇄간섭이 일어나는 어두운 곳이 세로 방향으로 여러 번 반복되는 모습을 볼 수 있다. 여러분도 쉽게 머리카락 한 올과 레이저포인터로 실험할 수 있다. 가로 방향으로 머리카락 한 올을 놓고 레이저 불빛을 비추면 머리카락 위아래로 나뉘어 진행한 빛은 건너편 벽에서 간섭해 밝고 어두운 여러 띠를 만든다. 파동과 입자의 이중슬릿 실험 결과는 확연히 다르다. 입자로 실험하면 두 띠, 파동으로 실험하면 여러 띠가 나타난다.
아주 작은 물리학의 입자인 전자로 이중슬릿 실험을 하면 어떤 결과가 얻어질까? 두 슬릿이 있는 지역을 통과한 전자 하나는 형광물질이 발려 있는 벽에 도착해 반짝 흰빛을 낸다. 두 번째 전자를 보내면 다른 위치에서 반짝. 여기까지의 실험에서 한 전자는 딱 한 곳에 도달하니 탁구공과 다를 것 없는 입자로 보인다. 하지만 이 과정을 여러 번 계속하면 전자가 도착해 흰빛을 내는 위치가 두 띠가 아닌 여러 띠로 나타난다. 전자는 파동처럼 보인다. 전자가 입자라면 여러 띠 간섭무늬를 설명할 수 없고, 전자가 파동이라면 처음 던진 몇개 전자가 구별되는 위치에서 흰빛을 낸 결과를 이해할 수 없다.
전자의 이중슬릿 실험에 대한 유일한 설명은 실로 기묘하다. 전자 하나는 파동처럼 두 틈을 동시에 통과해 자신과 자신이 간섭하지만 벽에서 측정되는 순간 입자로 돌변한다. 전자의 이중슬릿 실험은 놀라운 자연의 비밀을 알려준다. 아주 작은 양자역학의 세상은 우리가 익숙한 큰 것들의 세상과는 무척 다르다는 사실이다.
전자는 입자도 아니고 파동도 아니며, 동시에 전자는 입자면서 파동이다. 입자와 파동은 우리가 익숙한 큰 것들의 세상에서만 명확히 구별된다. 양자역학을 따르는 전자는 탁구공과 같은 입자로도, 머리카락 실험의 레이저 빛과 같은 파동으로도 분류할 수 없다. 전자는 전자일 뿐, 입자와 파동 둘 중 하나를 고르라고 전자를 윽박지를 수 없다. 기존의 물리학이 현상을 설명할 수 없다면 물리학을 바꿀 일이다. 100년 전 6월의 어느 밤, 작은 섬 헬골란트에서 하이젠베르크가 해낸 일이다. 양자역학은 작은 세상의 기이한 모습을 보여준다. 아무리 이상해도 그것이 자연의 참모습이다. 인간의 이해가 자연과 다르다면 바꿀 것은 자연이 아니라 우리의 이해다.
소년은 학교를 마치고 교복을 입은 단정한 복장으로 보호관찰소에 출석했다. 소년의 반소매 사이로 언뜻 문신이 보였다. 소년원에서 1년4개월 동안 생활하고 임시 퇴원한 후 일반고에 입학한 17살 소년이다.
“정말로 학교에 다니고 싶었어요.” 보호관찰 담당자인 나와 면담하면서 소년은 아버지의 가정폭력과 부모님의 이혼, 가출, 비행으로 경찰서와 법원을 드나들었던 과거를 담담하게 이야기했다. 가정과 학교보다는 청소년쉼터와 소년분류심사원, 소년원에서 사춘기를 보내 교복이 어색했지만, 그리웠다고 수줍게 웃으며 말했다.
소년은 그저 또래 친구들과 좋은 추억을 만들며 평범한 학창 시절을 보내고 싶었다. 가끔 늦잠을 자서 지각을 했지만, 학교에 잘 갔다. 그런데 방과 후 학교 근처에서 담배를 피우다 학생부장 교사에게 적발됐다.
면담 중 학교 교감에게서 전화가 왔다. 소년원 출신인지 몰랐고, 보호관찰을 받는 학생도 처음이라고 했다. 교감은 보호관찰 중인 학생이 학교에서 문제를 일으키면 다시 시설처분을 받을 수 있는지 물어봤다. 개학한 지 불과 두 달 만에 학생생활교육위원회는 소년의 퇴학을 결정했다. 이유는 흡연과 불손한 언행, 교사 지도 불응이었다.
소년과의 면담이 끝난 뒤 중학교 3학년 여학생이 출석했다. 소년분류심사원에 4주 위탁된 후 장기보호관찰(2년) 처분을 받았다. 초등학교 때 학교폭력 피해로 우울증 진단을 받고 치료 중이었다. 오랜만에 학교로 돌아온 소녀는 교복과 교실이 낯설었다. 급식실에서 함께 밥 먹을 친구가 없어 점심을 굶었다. 무단결석과 지각을 반복하며 점점 학교에 부적응했다. 무단외출을 하고 학교 기물을 파손하는 등 폭력적인 행동도 보였다. 갑자기 손목에 자해하고 교실을 뛰쳐나가기도 했다. 결국 출석정지 징계를 받았다.
학교에 공문을 보내 출결상황과 생활태도 관련 서류를 의뢰했다. 담임교사가 의견서를 첨부했다. 학교의 규칙과 징계만으로는 소녀의 일탈행동을 통제할 수 없고 정상적인 교육이 불가능한 상황이니, 시설에서 정신과 치료를 받으며 생활할 수 있도록 처분을 변경해주기를 부탁한다고 했다.
2024년 기준, 소년 보호관찰 대상자의 정신질환자 비율은 20.9%, 소년원생의 정신질환 비율은 32.2%다. 우울장애, 분노조절장애, 주의력결핍과잉행동장애(ADHD), 충동조절 장애가 대부분이다. 주된 원인은 가정폭력과 학대, 학교폭력 피해로 인한 트라우마와 후유증이다.
과거 소년원에 근무할 때, 가장 교육하기 힘들다는 특수반을 맡았던 담임교사가 생각났다. 소녀는 정신연령이 낮고 정신과 약을 복용하고 있어 일반적인 교육과 생활지도로는 교화하기 힘든 학생이었다. 선생님이 소녀가 생활하는 호실에서 상담하고 지도한 후 나가려고 하면, 소녀는 항상 옷자락을 붙잡고 따라가려고 했다. 그때마다 선생님은 문제행동을 개선하고 공동체 규칙을 지켜야 한다는 사실을 교육하기 위해 문을 닫고 한참을 서 있었다. 부드러우면서 단호한 모습으로 똑같은 질문을 되풀이하며 학생에게서 올바른 행동과 대답을 이끌어내기 위해 반복 교육했다. 때로는 화도 나고 답답할 법도 했지만, 선생님은 언제나 “가르쳐야죠”라고 말하며 실천했다.
국가가 보호처분을 결정한 청소년의 상당수는 부모의 이혼과 사망, 투병, 알코올 중독 등으로 결손가정에서 성장하거나 보육시설이나 쉼터에서 생활한다. 학교가 이들을 외면하고 포기한다면, 위기 청소년의 사회적 기본권과 생존권은 누가 지켜줄 것인가. 헌법 제31조는 ‘모든 국민은 균등하게 교육받을 권리가 있다’고 규정한다. 물러설 곳 없는 위기 청소년 선도 현장에서, 아이들이 돌아갈 교실이 차별과 경쟁, 소외와 편견이 없는 교실이 되기를 바란다. 공교육이 사회적 불평등과 양극화를 극복하는 진정한 교육 공동체로 거듭나기를 희망한다.
강유정 대통령실 대변인은 9일 이진숙 방송통신위원장의 국무회의 참석 배제 조치에 대해 “고려할 수 있다”고 밝혔다. 강 대변인은 이 위원장을 향해 “지시와 의견 개진이 헷갈린다면 국무회의에 참석해 발언할 자격이 없다”고 말했다.
강 대변인은 이날 용산 대통령실 브리핑에서 ‘이 위원장을 국무회의에서 참석 배제하는 조치를 검토하느냐’는 질문에 “검토를 한다, 안 한다 논의조차 없었다”면서도 “개인적인 생각이지만 (배제를) 고려할 수 있다는 생각이 든다”고 말했다.
앞서 이 위원장은 지난 7일 국회에 출석해 “이 대통령으로부터 (방송3법과 관련한) 방통위의 안을 만들어 보라는 업무 지시를 받았다”고 주장했다. 이에 대통령실은 “(이 대통령의 당시 발언은) 지시가 아니라 의견을 물었던 것”이라고 반박했다.
이 위원장은 이날 페이스북에 ‘자기정치는 없다’는 제목의 글을 올리며 이재명 대통령이 전날 국무회의에서 자신을 향해 “비공개회의 내용을 개인 정치에 왜곡해 활용해선 안 된다”고 질책했다는 대통령실의 설명을 반박했다.
이 위원장은 “언론에 보도된 기사가 사실을 왜곡할 우려가 있을 때 정정해 준 적은 있다”며 “대통령실은 이 대통령이 ‘지시’한 것은 아니며 방송3법과 관련한 방통위의 ‘의견’을 물었다고 설명했는데, 지시한 것과 의견을 물은 것이 어떤 차이가 있는지는 모르겠다”고 적었다.
강 대변인은 이 위원장의 페이스북 글과 관련 “두 가지 오류 사항을 개인적으로 짚어주겠다”며 “잘못된 부분을 정정했다는 표현을 했는데 올바르지 않다. 그리고 지시와 의견 개진이 헷갈린다면 더더구나 국무회의에 참석해 발언할 자격이 없다고 개인적으로 생각한다”고 말했다.