리처드 파인만 양자역학 명언 - licheodeu painman yangjayeoghag myeong-eon

[5] '일반인을 위한 파인만의 QED 강의'

   그림 작업을 마치고

파인만은 강의에 앞서 이렇게 이야기합니다. 

내가 여러분에게 말하게 될 내용은 대학원에서 3~4년 정도 공부한 박사 과정 학생들에게 강의하던 내용과 별로 다를 것이 없다. 이것을 여러분이 이해할 수 있다고 생각하는가? 아니다. 여러분은 결코 이해하지 못할 것이다.”

그 다음 이어지는 파인만의 한 문장은 양자역학을 배우려는 사람들에게 많은 위안을 주었습니다.

왜냐하면 나 자신도 이해하지 못하기 때문이다. 이해하는 사람은 아무도 없다!”

사실 이해하지 못한다는 것은 이론이 불확실하다는 의미는 아닙니다. 단지 양자역학이 상식적이지 못하다는 것입니다. 양자전기역학이 터무니없는 방법으로 자연을 서술하고 있다는 것이죠. 그러나 이론과 실험이 정확하게 일치합니다. 그럴 땐 어떻게 해야 할까요? 파인만의 답은 이렇습니다.

그러니까 여러분도 자연 자체가 터무니없는 존재라는 사실을 받아들이는 게 좋을 것이다.”

윤진 & 이솔 | 도시계획가/일러스트레이터   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   

좌우명 추천

리처드 파인만(1918 ~ 1988)은 미국의 물리학자로서 과학의 대중화를 이끈 중요한 인물입니다. 아인슈타인과 함께

20세기 최고의 물리학자로 일컬어집니다. 양자역학과 입자 물리학 분야에 기여를 했고 양자저기역학의 공로로 

노벨 물리학상을 받았습니다. 파이만은 유대인 가족에서 태어났습니다. 아버지는 군인들의 제복을 맞춰주는 

옷가게에서 일을 하며 파이만도 그 모습을 많이 보고 자랐는데요, 아버지는 항상 군인을 만나며 권위에 대한 

불신이 강해졌다고 합니다. 한번은 파인만이 아버지와 함께 군인들이 경례하는 모습을 보며 아버지가 "너는 왜 저 사람

들이 상관에게 경례를 하는줄 아니?"라고 물었고 아버지가 대답 해 주기를 "왜냐면 상관이란 사람은 잘빠진 제복과 권위

를 가지고 있기때문이지, 그냥 그것뿐이야"라고 이야기를 들었다 하네요. 이런 영향을 받아서 인지 파인만은 직설적인

화법으로 보수적인 사람들을 자주 당황시키곤 했다고 합니다. 자 그럼 이제 파인만의 Quote들을 볼까요?

The first principle is that you must not fool yourself and you are the easiest person to fool.

삶의 첫번째 원리는 자신을 속이지 않는 것이다 그리고 너는 항상 속기 쉬운 사람이다.

What I cannot create, I do not understand.

만들지 못하는 것은 이해도 하지 못한다.

Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that's not why we do it.

물리학은 성관계와 비슷하다, 여러 실제적인 결과를 주기때문이다. 그러나 그것이 우리가 하는 이유가 아니다.

For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for Nature cannot be fooled.

더 성공적인 기술을 위해, 현실은 대중의 관계를 넘어서 이루어져야 한다, 자연은 속일수 없기때문이다.

Physics is to math what sex is to masturbation.

물리학은 섹스가 자위와 무엇이 다른지 계산하는 것이다.

I was born not knowing and have had only a little time to change that here and there.

나는 무지의 상태로 태어났고 그것을 바꿀수 있는 아주 작을 시간을 가졌다.

I believe that a scientist looking at nonscientific problems is just as dumb as the next guy.

나는 과학자가 과학적이지 않은 문제를 바라보는 것을 아주 멍청하다고 생각한다.

Physicists like to think that all you have to do is say, these are the conditions, now what happens next?

물리학자를 만난다면 너는 "자 여기 이런 조건이 있으니, 어떤일이 벌어질까요?" 라고 만 말하면된다.

Nature uses only the longest threads to weave her patterns, so that each small piece of her fabric reveals the organization of the entire tapestry.

자연은 오직 긴 실로만 자신의 무늬를 만든다, 그렇기 때문에 자연의 작은 조각들을 보면 그 전체를 알수있다.

Philosophers say a great deal about what is absolutely necessary for science, and it is always, so far as one can see, rather naive, and probably wrong.

철학자가 말하길, 과학에 필수적인 것은 사람이 볼수 있고, 멍청해야되고, 또 틀려야된다

“You can know the name of a bird in all the languages of the world, but when you’re finished, you will know absolutely nothing whatever about the bird…So let’s look at the bird and see what it’s doing –that’s what counts. I learned very early the difference between knowing the name of something and knowing the something.”

“여러분은 세상의 모든 언어를 동원해 한 새의 이름을 알 수 있을 겁니다. 그러나 그게 끝났을 때(새가 없어졌을 때), 여러분은 새에 대해 어떠한 것도 아는 게 없습니다. 자 그래서 새를 보면 그 새가 무엇을 하는지를, 즉 새가 주는 설명이 무엇인지를 이해하기 바랍니다. 저는 아주 일찍부터 사물의 이름을 아는 것과 사물을 아는 것과의 차이점이 무엇인지를 배웠습니다.”

대단한 이야기입니다. “진리란 무엇입니까?”라고 묻는 제자의 질문에 스승은 달을 가리킵니다. 제자는 달을 보지 않고 달을 가리키는 스승의 손가락만 보고 있었습니다. 그러자 스승은 “실상(實像)은 보지 않고 허상만 보고 있다”며 갖고 있던 지팡이로 제자를 후려쳤다고 합니다.

“허상을 보지 말고 실상을 보시오”

비단 옛 고승들의 일화에만 나오는 이야기로 덮어 둘 게 아닙니다. 학문에서 중요한 자세입니다. 지금 파인만이 들려주는 명언도 바로 그런 겁니다. 이름이라는 허상에 집착하지 말고 그 사물이 어떠한 의미를 전달하고 있는지, 무엇을 설명하고 있는지 그 실상을 알아야 IQ나 암기력에 관계없이 천재가 될 수 있다는 이야기가 아닌가요? 또 물리학에 입문해서 학자의 길을 걸어야 하는 사람들의 자세라는 이야기입니다.

아인슈타인은 상대성이론(theory of relativity)이라는 새로운 과학이론으로 자연현상을 규명해 천재 과학자라는 명칭을 얻었습니다. 그러나 파인만은 양자역학에서의 불확정성 원리(uncertainty principle)로 유명합니다.

양자역학은 상대성 이론과 더불어 현대 물리학의 2대 축을 이루고 있습니다. 양자역학에서 입자는 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 동시에 가지고 있습니다. 이러한 파동입자 이중성(wave-particle duality)을 고전적 입장에서 이해하기 위해 독일의 유명한 물리학자 하이젠베르크(Werner Karl Heisenberg)가 도입한 원리가 불확정성 원리입니다.

“In quantum physics, the outcome of even an ideal measurement of a system is not deterministic, but instead is characterized by a probability distribution. 양자물리학에 있어서 한 시스템을 아주 이상적으로 측정했다 해도 그 결과는 결정적으로 맞다고 할 수 없다. 대신 확률에 의해서만 (어느 정도) 가능할 뿐이다.”

양자역학의 백미는 불확정성 원리

양자역학의 창시자로 알려진 막스 보른(Max Born)은 전자는 측정할 수 없으며, 만약 측정했다면 그것은 확률에 의한 측정일 뿐이라고 생각했습니다. 그가 바로 하이젠베르크를 자신의 조수로 임용한 물리학자입니다. 불확정성 원리는 양자역학의 백미로 그의 제자인 하이젠베르크가 도입한 것이죠.

보른은 양심적인 독일 과학자들이 걸어야 했던 어쩔 수 없는 운명처럼 교수로 있던 괴팅겐 대학에서 1936년 나치스에 의해 추방당한 학자입니다. 1954년 양자역학과 그에 다른 불확정성 원리에 대한 연구 <파동함수에 대한 통계적 해석>으로 노벨물리학상을 받습니다.

아인슈타인은 자연에서 일어나는 모든 현상은 측정이 가능하며 측정만 정확하면 정확히 예측을 할 수 있다고 생각했습니다. 천체의 움직임도 그렇고, 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 물도, 당구공의 움직임 등 물리 현상은 다 측정이 가능하다고 주장했습니다. 그리고 이 기계적인 역학관계는 작은 소립자 세계까지도 적용된다고 생각했습니다.

“자연현상은 모두가 측정 가능한 게 아니다”

아인슈타인은 그래서 자연현상은 모든 게 필연적으로 일어나는 거고 우연히 생기는 것은 없다는 뜻에서 “I cannot believe that God would choose to play dice with the universe 신은 주사위 놀이를 선택해서 우주를 만들었다고는 믿지 않는다.”라는 말을 남기죠.

이에 대해 물리학에서도, 맨하탄 프로젝트에서도 한참 선배이며 양자역학의 대가인 보어(Niels Bohr)는 신을 끌어들이는 후배 아인슈타인을 나무라면서 이렇게 이야기합니다. “Einstein, don’t tell God what to do. 아인슈타인 박사, 신에게 무엇을 하느냐고 묻지 말게”

입자는 정확한 측정도 정확한 예측도 불가능합니다. “아마도 그럴 것”이라는 확률적 예측만이 가능합니다. 이에 대한 설명이 바로 불확정성 원리입니다. 결국 아인슈타인도 양자역학을 인정하게 됐고 “신은 결코 주사위 놀이를 하지 않는다.”라는 말을 철회했다고 합니다. 그러면 아인슈타인은 신이 주사위 놀이를 해서 우주를 만들었다는 걸 인정한 것 아니냐고요?

결국 불확정성의 원리는 위치와 속도와의 관계에서 볼 때 “입자(시스템)의 위치를 정확하게 측정할수록 속도는 정확하게 측정하기 어려우며 속도를 정확하게 측정할수록 위치를 정확하게 측정하기가 어렵다.”라는 의미로 귀결됩니다.

“우주 탄생은 신의 주사위 놀이가 아니다?”

상대성이론과 함께 양자역학은 우주의 현상을 규명하는 새로운 이론으로 등장합니다. 또 양자역학의 발전으로 과학자들은 자연현상에서 나타나는 각기 다른 4개의 힘들(forces)을 하나의 통합된 이론으로 설명하려는 통일장이론(unification theory)이 가능하다고 믿게 됩니다. 물론 그에 대한 연구도 활발하게 전개되고 있습니다.

양자역학은 이렇게 대단하고 어렵습니다. 하루는 보어가 한참 후배인 파인만을 만난 자리에서 이런 이야길 합니다.“Those who are not shocked when they first come across quantum mechanics cannot possibly have understood it. 양자역학을 처음 접하게 됐을 때 충격을 받지 않았다면 양자역학을 안다고 할 수 없을 걸세.”

이에 대해 파인만은 이렇게 응수했다고 합니다. “I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics. 제가 생각하건대, (충격정도가 아니라) 양자역학을 아는 사람은 (아예) 아무도 없다고 이야기하는 게 맞는 말이 아닐까요?” 조금 생각해 보면 정말 재미있는 대화입니다.

“명료한 과학을 하라, 과학의 문제는 과학자들이 해결하라!”

물리학을 쉽게 접근하자는 면에서는 파인만이나 아인슈타인도 다를 바가 없습니다. 아인슈타인이 어느날 파인만의 강의에 참석해서 들은 이야기입니다.

“If you can’t explain a bit of science in simple terms, you don’t understand it. If you can’t explain your work’s significance in simple terms, maybe it doesn’t have significance–or maybe you just don’t understand its significance. Many scientists are not good storytellers, and that makes it harder for them to identify and articulate the central narrative of their work. Many scientists don’t even know where they stand in relation to the scientific frontiers, and even if they do, they can’t articulate it in their grant proposals. Although program officers can help with this, this isn’t a problem that NSF can solve. Solving this one is up to scientists.”

“간단한 용어로 과학을 설명할 수 없다면 과학을 이해한다고 할 수 없습니다. 또 간단한 용어로 당신의 연구의 중요성을 설명하지 못한다면, 아마도 그 연구는 중요한 것이 아니겠지요. 아니면 그 중요성을 이해하고 있지 않다는 내용도 될 수 있습니다. 많은 과학자들은 입심 좋은 이야기꾼이 아닙니다. 그래서 연구의 중요한 서술(내용)을 분명히 하고 설명하는 데 어려움을 안게 됩니다. 또 과학자들은 과학의 최첨단과 관련해 어느 위치에 있는지도 모르는 경우가 많습니다. 또 안다고 해도 명료하게 주장을 내세우지 못합니다. 아마 프로그램 관리들(과학기술 관련 공무원)이 도움을 줄 수 있지만, 그것 또한 NSF(미국 국립과학재단, 우리나라 과학기술부 상당)가 풀어야 할 문제도 아닙니다. 이 문제들은 과학자 자신이 풀어야 할 문제입니다.”

여러 가지 이야기를 지적하고 있습니다. 비단 미국의 과학기술 종사자뿐만 아닙니다. 우리나라도 마찬 가지입니다. 이렇게 요약할 수 있을 것 같습니다. 분명한 과학을 하라. 과학의 문제는 정부에 의존하려고 하지말고 과학자들 스스로 풀어라. 그리고 과학이라는 틀 속에만 갇히지 말고 때로 세상과 호흡하라.

찌든 현실에 활력소를 불어넣어 준 대단한 과학자

그가 암으로 세상을 떠났을 때 그의 한 동료가 아쉬워하면서 이런 말을 남겼습니다.“Richard Feynman is a great physicist and an extraordinarily fascinating man. He is full of fun and charm. Besides being an ingenious theoretical physicist, he is a talented ‘showman’ in the classroom, a great Bongo drummer, and established painter, an original thinker, an incredibly funny, honest and brave man. It’s a great loss to the world when he died in 1988.”

“리처드 파인만은 위대한 물리학자로 대단히 매력적인 남자다. 그는 해학과 매력이 넘쳐 흘렀다. 재능이 대단한 이론 물리학자일뿐만 아니라 강의실에서는 쇼맨십이 대단했고, 봉고 연주자, 화가, 독창적인 사상가로 재미있고, 정직하며 용감한 남자였다. 1988년 그의 죽음은 세계의 커다란 손실이다.”

아마 파인만이 알았다면 “허, 세계의 커다란 손실? 위대한 물리학자? 이봐 친구, 농담하는 거야? 제발 웃기지 마. 장난 작작하라고!”라고 충분히 하다가 남을 사람입니다.

과학기술의 발전으로 신화와 전설이 점차 메말라 가고 있습니다. 뜨거운 가슴은 사라지고 대신 차디찬 이성만이 그 자리를 대신하고 있습니다. 그런 시기에 파인만은 그의 해학과 기이한 행동으로 우리를 기쁘게 하면서 찌든 현실에 활력소를 불어 넣어 주고 있습니다. 신화와 전설의 주인공으로 말입니다. 대단한 과학자입니다.