Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 무화과는 어떻게 수정을 하는지 궁금합니다.
안녕하세요. 무화과의 수정과정은 특별한 종류의 벌레인 무화과나방과의 공생 관계를 통해 이루어집니다. 무화과 식물은 암수가 구분되어 있으며, 수컷 무화과(capos)와 암컷 무화과(syconia)로 나뉩니다. 수컷 무화과는 꽃가루를 생산하고, 암컷 무화과는 씨앗을 만드는 데 필요한 꽃을 품고 있습니다. 무화과나방은 무화과의 꽃에 꽃가루를 전달하는 데 중요한 역할을 합니다. 암컷 무화과나방은 수컷 무화과에서 태어나며, 태어나자마자 꽃가루가 있는 수컷 무화과를 떠나 암컷 무화과로 이동합니다. 이 과정에서 무화과나방은 자신의 몸에 붙은 꽃가루를 암컷 무화과의 꽃에 전달하게 됩니다. 꽃가루가 암컷 무화과의 꽃에 도착하면, 꽃은 수정을 시작하고 씨앗을 형성합니다. 이 과정은 무화과나방의 암컷이 암컷 무화과 내부에 알을 낳으면서 동시에 진행됩니다.
Q. 랍스터가 이론적으로는 영생이 가능하다는데 실질적인 수명은 얼마나 되나요?
안녕하세요. 랍스터는 텔로미어라는 DNA 시퀀스가 손상되는 것을 방지하는 효소인 텔로머레이즈(telomerase)를 지속적으로 활성화시키는 능력을 가지고 있습니다. 대부분의 동물에서는 나이가 들면서 텔로머레이즈 활성이 감소하고, 이로 인해 세포의 분열 능력이 저하되어 노화가 진행됩니다. 하지만 랍스터는 이 효소를 통해 자신들의 세포가 계속해서 건강하게 유지되고 분열할 수 있기 때문에, 생물학적으로는 노화 과정이 거의 없다고 할 수 있습니다. 하지만 실제로 랍스터의 수명은 무한하지 않습니다. 랍스터는 계속해서 성장하며, 이로 인해 몸집이 커지고 껍질을 교체하는 과정인 탈피를 반복하게 됩니다. 각 탈피 과정은 많은 에너지를 소모하며, 몸집이 클수록 그 과정이 더 위험하고 에너지 소모가 큽니다. 결국, 대부분의 랍스터는 탈피 과정 중에 에너지 부족이나 포식자에 의해 사망하게 됩니다. 랍스터의 실제 수명은 그들이 사는 환경, 포식자의 존재 여부, 질병, 인간의 어업 활동 빈도 등에 크게 영향을 받습니다. 일반적으로 랍스터는 약 30년에서 50년 정도 살 수 있습니다. 그러나 일부 보고에 따르면 특히 크고 오래된 랍스터는 100년 이상 생존할 수도 있다고 합니다. 그러나 이러한 사례는 드물며, 대부분의 랍스터는 그보다 훨씬 더 짧은 생을 마감합니다.
Q. 양자역학을 부정한 아인슈타인이 구상해온 사고실험은 정확히 어떤 내용인가요?
안녕하세요. 알베르트 아인슈타인은 양자역학의 초기 형성 과정에서 핵심적인 과학적 토론에 깊이 관여했으며, 특히 코펜하겐 학파의 확률적 해석과 불확정성 원리에 대해 심각한 의문을 제기했습니다. 아인슈타인은 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다(God does not play dice)"라는 유명한 말로 그의 양자역학에 대한 불만을 표현했습니다. 그는 양자역학의 기본 원칙들이 우주의 근본적인 법칙들을 완전하고 정확하게 설명하지 못한다고 믿었습니다. 이러한 그의 견해는 여러 사고실험을 통해 구체화되었습니다. 아인슈타인의 가장 유명한 사고실험 중 하나는 1935년 보리스 포돌스키(Boris podolsky)와 네이선 로젠(Nathan Rosen)과 공동으로 발표한 EPR 패러독스 입니다. 이 사고실험은 양자역학의 완전성에 도전하며, 양자얽힘(quantum entanglement)과 측정에 대한 근본적인 질문을 제기합니다. EPR 패러독스는 두 개의 입자가 상호작용 한 후에 서로 떨어진 거리에서도 그 상태가 즉시 서로에게 영향을 줄 수 있다는 양자얽힘의 개념을 이용합니다. 예를 들어보면, 두 입자 A와 B가 서로 상호작용하고 나서 각각 다른 방향으로 날아간다고 가정합니다. 양자역학에 따르면, 이 입자들은 측정되기 전까지는 특정 상태에 있지 않습니다. 그러나 입자 A의 위치를 측정하는 순간, 입자 B의 위치도 즉시 결정됩니다. 이 현상은 입자들 사이의 즉각적인 "비국소적(non-local)" 상호작용을 암시하는 것으로 보이며, 이는 상대성 이론이 주장하는 정보의 전달 속도가 고아속을 초과할 수 없다는 원칙과 모순됩니다. 아인슈타인은 이 패러독스를 통해 양자역학의 기술이 현상의 전체적이고 실재적인 물리적 상태를 제공하지 않는다고 주장하면서, 양자역학이 완전한 이론이 아니라는 점을 강조하려 했습니다. 그는 이런 종류의 "spooky action at a distance"가 실재할 수 없다고 믿었습니다. EPR 패러독스는 이후 수십 년간 물리학자들에 의해 연구되었고, 1964년 존 벨(John Bell)의 벨의 불평등(Bell`s theorem)과 그 이후의 실험들을 통해 양자역학의 예측이 정확하다는 것이 입증되었습니다. 이 실험들은 양자얽힘과 즉각적인 상태 결정이 실제로 발생함을 보여주었으며, 아인슈타인의 지역적 실재론(local realism)에 대한 도전으로 여겨졌습니다.
Q. 하이젠베르크/닐스보어 등이 제안한 코펜하겐 해석이란 어떤 의미인가요?
안녕하세요. 코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)은 양자역학의 근본적인 해석 중 하나입니다. 닐스 보어(Niels Bohr)와 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)에 의해 주창되었습니다. 이 해석은 양자역학의 비결정적 및 확률적인 특성을 중심으로 합니다. 즉, 물리적 현상에 대한 확률적인 예측만이 가능하며, 관측이 이루어지기 전까지는 물리적 시스템의 상태가 확정적으로 존재하지 않는다고 보는 것입니다. 코펜하겐 해석은 특히 파동 함수의 붕괴 개념을 도입하여, 양자 시스템이 관측될 때까지 다양한 가능성의 상태에 놓여 있으며, 관측과 동시에 특정한 상태로 "붕괴"된다고 설명합니다. 코펜하겐 해석에 따르면, 모든 양자 시스템은 파동 함수에 의해 기술됩니다. 이 파동 함수는 시스템의 가능한 모든 상태의 중첩을 나타내며, 이는 시스템이 동시에 여러 상태를 가질 수 있음을 의미합니다. 이 중첩 상태는 시스템이 관측되지 않는 한 유지되며, 관측의 순간에만 특정 상태로 결정됩니다. 관측이 이루어질 때 파동 함수는 하나의 특정한 상태로 붕괴되는데, 이는 관측 전에는 존재하지 않았던 새로운 현실을 창조합니다. 즉, 양자역학에서는 관측 자체가 시스템의 상태를 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 이 과정에서 중요한 것은, 관측 이전의 시스템은 확률적인 특성을 갖고 있으며, 관측을 통해 이 확률들 중 하나가 실현되어 직접적인 물리적 현상으로 나타난다는 점입니다. 코펜하겐 해석은 과학적 관측이 단순한 수동적 과정이 아니라, 물리적 현실을 형성하는 데 있어 활동적인 역할을 한다고 강조합니다. 이는 고전 물리학에서의 결정론적 세계관과 대비되는 관점으로, 양자역학의 기본적인 철학적 전환을 나타냅니다. 코펜하겐 해석에 대해 심도 있는 내용을 살펴보고 싶으시다면, "Quantum Mechanics and Path Integrals" (Richard P. Feynman et al.)을 추천드립니다.
Q. 양자역학에서 관측하는 순간 물질의 성질은 달라진다는게 무슨 의미죠?
안녕하세요. 양자역학의 관측 개념은 물질의 특성에 극적인 변화를 가져올 수 있는 중요한 이론적 근거를 제공합니다. 이 이론은 관측 행위 자체가 파동 함수의 붕괴(wave function collapse)를 초래하며, 결과적으로 양자 시스템의 상태가 결정되는 현상을 설명합니다. 파동 함수는 양자계의 모든 가능한 상태들의 중첩(superposition)을 수학적으로 표현한 것이며, 이는 양자체의 모든 잠재적 가능성을 내포하고 있습니다. 이중슬릿 실험에서 광자 또는 전자와 같은 입자들은 관측되지 않을 때는 두 슬릿을 동시에 통과하는 파동의 형태를 띠게 되며, 이로 인해 간섭 무늬(interference pattern)가 형성됩니다. 이러한 간섭 무늬는 입자가 아닌 파동의 특성을 드러내는 증거입니다. 그러나 특정 슬릿을 통과하는 입자를 관측하는 순간, 이 간섭 무늬는 사라지고 입자가 한 슬릿만을 통과한 것처럼 나타나 입자적 성질을 드러냅니다. 이는 관측이라는 행위가 양자 상태에 직접적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 관측이 양자역학적 시스템에 미치는 영향은 관측 장치와의 상호작용으로 인해 양자계의 상태가 하나의 확정된 결과로 붕괴된다는 것을 의미합니다. 이러한 과정은 양자역학의 비결정론적(non-deterministic) 특성을 보여주며, 이는 고전 물리학의 결정론적(deterministic) 세계관과는 근본적으로 다른 접근입니다. 즉, 양자계는 관측 전에는 여러 가능성을 동시에 지니고 있지만, 관측을 통해 그 중 하나의 상태로 결정됩니다. 양자역학의 특성은 다수의 실험을 통해 검증되었으며, 양자역학의 기본 원리와 개념들을 채계적으로 다루는 책을 추천드립니다. "Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum" (Leonard Susskind & Art Friedman) 책에서 양자역학의 복잡한 현상을 상세히 설명하고 있습니다.