불연속적인 양자와 연속적인 변화는 존재할 수 있을까?

질량이 변해서 에너지가 바뀐다는 공식이 있다. 만약에 이 공식에 따라서 물질양자가 에너지양자로 변환할 때에 물질양자의 크기가 점진적으로 줄어들면서 새로운 에너지양자가 생성된다면 최소한의 기본 단위라고 정의한 양자의 개념이 사라지게 된다. 그러므로 양자이론과 에너지이론이 동시에 성립되려면 물질양자가 변화의 과정이 없이 곧바로 에너지양자로 변해야 가능하다. 그런데 양자는 불연속적이고 변화는 연속적이어야 하므로 양자와 변화는 공존할 수 없다. 양자이론에 부합하려면 물질양자가 변하는 과정이 없이 에너지양자로 변해야 하는데 과정이 없는 변화가 발생할 수 있을까?

먼저 단어들을 정리해보면 물질양자, 에너지양자, 불연속, 연속, 공존할 수 없다. 등이다. 조금 더 이해가 쉽도록 이 용어들을 다른 말로 바꿔보면 물질양자는 질량이 있는 물체로, 불연속은 디지털로, 연속은 아날로그로 대치가 가능하다. 질량을 가지고 있는 물체가 자기 자신의 질량에는 변화 없이 어떤 에너지를 발휘하는 일을 했는데 그것이 가능하냐는 말이다. 임의의 어떤 물체가 질량 변화 과정 없이 어떤 에너지를 발생시키는 것은 불가능하다. 이는 에너지보존법칙에 위배되기 때문이다. 즉, 물질양자 하나가 변화라는 과정 없이 에너지양자를 생성하는 것은 불가능 하다. 하지만 여기서 의외의 단초가 있다. 물질양자가 하나가 아니고 두 개가 된다면 이는 또 다른 문제이다.

좀 더 구체적으로 알아보면 두개의 물질양자가 상호작용할 때에는 물질의 질량변화 없이도 에너지작용을 할 수 있다. 이는 우리 주변에서도 흔하게 볼 수 있는 현상이므로 쉽게 이해가 갈 것이다. 2가지 예를 들어 설명해보면 첫째는 가위질이고, 둘째는 시소게임이다. 먼저 가위로 종이를 자를 때 가위질 하는 힘이 종이를 잘라 낸 것이라는 사실은 여러분도 잘 알 것이다. 가위질을 할 때 물질양자는 양 고리에 손가락이 얹히는 양이라고 할 수 있고, 에너지양자는 가윗날이 종이를 자르게 하는 힘이라고 할 수 있다. 이때 가위질 하는 두 개의 손가락의 힘은 연속적인 아날로그 운동이라고 할 수 있으며, 잘려나가는 종이는 불연속적인 디지털 양이라고 할 수 있다. 이와 같이 가위질로 종이가 잘려나가는 현상을 물질양자와 에너지양자라는 물리현상으로 설명하면, 두 물질의 연속적인 상호작용이 다른 하나의 물질에 불연속적인 일을 하게 하는 에너지양자를 발생시킨 결과가 된다.

다음은 시소게임을 통해서 물질양자의 변화과정없이 에너지양자를 생성시키는 현상을 설명하면 시소의 양편에 두 사람이 올라타면 무게중심에 따라 아래위로 교대로 운동을 한다. 시소에 한사람만 올라가면 절대로 시소는 연속적인 운동을 할 수 없다. 그런데 두 명이 올라서면 시소는 저절로 운동을 하게 된다. 시소가 교대로 움직이면 여기서 에너지가 발생한다. 그렇다고 시소가 운동할 때 위에 올라탄 사람의 무게가 변화하는 것은 아니다. 이처럼 두 개의 물질양자가 상호작용을 하게 되면 물질양자의 변화과정 없이도 에너지양자가 발생할 수 있다. 이는 불가능이 가능으로 바뀔 수 있음을 의미하기도 한다. 이처럼 가위질이나 시소게임에서 에너지가 생기는 현상은 물질이 변화과정을 통해서 에너지를 내는 것이 아니라, 상호작용에 의해서 자기 자신은 변하지 않으면서도 에너지를 생성시킬 수 있다는 것을 의미한다. 여기서 물질양자를 연속적인 개념으로 볼 수 있는 것은 왕복운동에 의한 에너지 생성 활동이 가능하기 때문이다. 왕복운동은 절반의 두 배이지만 이를 분리할 수 없는 아날로그 양이다. 가위질 한번이나 시소게임 한번은 모두 왕복운동을 의미한다. 즉, 한번이지만 같은 값의 절반을 두 번 운동하기 때문에 연속되는 양이다. 반면에 종이가 잘려나가는 양은 한번 왕ㄴ복한 가위질의 총 길이에 절반만큼만 잘려나가기 때문에 잘려나가는 종이의 변화는 불연속적인 디지털 양이 된다. 가위질은 물질양자의 연속적인 왕복운동이 불연속적인 종이 잘림 에너지 양자의 생성을 보여주는 실재의 모습이다.

이와 같이 물질의 질량은 변화하지 않으면서 그 물질 간의 상호작용에 의해 에너지를 생성시키는 에너지에 대하여 새로운 이름을 붙여줄 필요가 있다. 그 이름은 교차에너지라고 명명하면 다소 이해가 용이해진다. 물질과 물질이 서로 작용했을 때 발생하는 에너지는 교차에너지이다. 그런데 물질과 물질이 상호 작용했을지라도 아무 때나 에너지가 생기는 것은 아니다. 교차에너지가 생기려면 여러 조건을 필요로 한다.

에너지는 일반적으로 일을 할 수 있는 능력을 말하며 종류로는 운동에너지, 위치에너지, 빛에너지, 열에너지, 전기에너지, 화학에너지, 소리에너지 등이 있다. 그 중에서도 운동에너지와 위치에너지는 운동하는 물체가 가지고 있거나 어떤 일을 할 수 있는 퍼텐셜에너지를 말한다. 그리고 교차에너지를 수식으로 표현하면 회전토크이다. 회전토크는 질량이 있는 A물체의 회전운동량이 질량이 있는 B물체로 운동량이 전달되어지는 힘이라면, 교차에너지는 그 반대로 회전하는 B물체가 회전하는 A물체로부터 힘을 전달받는 과정 중에 얻어진 힘이다.

교차에너지를 대입하여 빛이 에너지를 발생시키는 원리를 다시 검토해 보면 빛이 에너지를 발생시키는 원리는 아인슈타인에 의해 밝혀진 광전효과에의해 빛이 금속이나 유기물 등에 가해지면 전자를 이탈시켜 에너지를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 현재 지구에 쏘여지는 태양빛은 태양이 핵반응을 일으켜 발생한 빛으로, 그것이 어디론가 향해가던 중 지구에 닿는 것이고 그 빛은 지구를 지나쳐 또 어디론가 달려가고 있다. 이런 현상이 쉼 없이 일어나고 있으며 그 발생정도는 양자 진동 수 만큼 일어나고 있다.

현대 과학은 우리가 현시점에서 느끼는 이 빛은 태양이 약 8분전에 발생시킨 것으로 파악하고 있다. 따라서 만약 태양이 지금 당장 갑자기 사라진다면 8분후에 이 지구는 암흑상태가 될 것이다. 지구에 생기는 밤과 낮의 현상은 지구가 자전하기 때문에 생기는 현상이지 태양이 빛을 냈다 말았다 해서 생기는 현상이 아니다.

태양에서 발생한 빛은 어디론가 향해가고 있는데 그 경로를 태양계 행성을 기준으로 보면 수성,금성,지구,화성,목성,토성,천왕성,해왕성,태양계 밖이다. 그렇다면 태양빛이 태양계를 완전히 벗어나면 어떻게 될까? 빛은 언젠가는 소멸될까? 아니면 다른 에너지로 바뀔까? 그리고 빛이 소멸하든, 다른 에너지로 바뀌든 그 빛을 변화하게 하는 작용은 어디서 오는 것일까? 빛을 사라지게 하는 것은 어둠이다. 어둠을 물리용어로는 암흑에너지, 혹은 암흑물질이라고 한다. 과학자들에 의하면 이 우주의 95% 이상이 암흑에너지이거나, 암흑물질이라고 한다. 우리가 사는 지구에서는 빛과 어둠이 거의 50:50이지만 전체 우주에서는 빛보다는 어둠이 비율이 훨씬 높다. 그러므로 태양이 만들어 내는 빛은 어디론가 향해 가고 있는데 그 어딘가는 어둠 혹은 암흑이 될 가능성이 높다. 산꼭대기에서 발원한 강물이 바다에 다다르면 그곳이 종착역이 되듯이, 태양에서 발원한 빛은 어둠이라는 암흑에 도달하면 그곳이 종착역이 될 것이다. 산꼭대기에서 발원한 강물은 애초에 바다에서 증발한 수증기가 그 원천이 되듯이, 태양에서 발원한 빛은 애초에 암흑물질이 내는 암흑에너지가 그 원인이 될 수 있다. 흐르는 강물은 높은 산꼭대기와 낮은 바다가 만드는 상호작용에 의한 것인 것처럼, 달려가는 빛은 밝은 빛과 빛과 같은 어둠이 만드는 상호작용일 가능성이 높다. 이 빛과 암흑이 만드는 상호작용에 의해 그 중간에서 교차에너지가 물질에 존재하는 핵과 전자를 분리시키는 역할을 하는 것이 아닐까?

과정 없이 변화가 발생하는 현상인 양자이론과 에너지이론이 동시에 성립할 수 있는 원리를 설명하기 위해 이렇게 장황하게 교차에너지 원리를 도입했다. 이 교차에너지를 물체와 물체간의 상호작용성과 연결하여 태양과 지구, 빛과 암흑의 상호작용에 적용하면, 태양빛이 지구로 달려오는 것이라기보다는 어둠을 향해 가던 중에 지구를 거쳐 간 것이라고 설명되어 진다. 그런데 여기서 또 다른 의문이 생긴다. 과연 빛이 어둠을 향해 달려가는 것일까, 아니면 어둠이 빛을 끌어당기는 것일까? 상호작용성의 원리로 보면 둘 다 틀리지 않는다. 먄약 누군가가 빛이 어둠을 향해 달려가는 것이 아니라 어둠이 빛을 끌어당기는 것이라고하더라도 논리적으로는 타당하다. 다만 인간의 감성이나 느낌이 이를 받아들이기 어려울 뿐이다. 하지만 자연 현상이나 우주는 결코 인간의 감성이나 지식 안에서만 존재하는 것이 아니기 때문에 인간이 받아들이지 못하거나 이해 할 수 없다고 해서 그런 현상이 일어나지 않는 것은 아니다. 이런 현상을 호수의 한 가운데서 일어나는 파문이 퍼져나가는 현상에 비유하여 생각해보면 듬성듬성 바위섬이 드러난 잔잔한 호수 한 가운데에 돌멩이를 던지면 파문이 일면서 물결이 가장자리로 퍼져 나간다. 퍼져나가던 파문이 도중에 바위섬을 만나면 가지런하던 물결무늬는 일그러지면서 흐트러진다. 중간에 방해물이 없다면 파문은 호수 가장자리까지 계속 진행한다. 물이 끝나는 경계면까지 물결무늬는 마치 빛의 파동처럼 진행한다. 여기서 파문을 일으키는 원인은 돌멩이가 제공했다. 그런데 이때 파문이 만들어지면서 호수 가장자리까지 퍼져나가는 물결은 돌멩이가 만든 파동이 밀어내는 힘인가. 아니면 가장자리 경계면이 끌어당기는 힘인가?

이처럼 자연현상은 끊임없는 의문점을 우리에게 제공한다. 인간의 능력으로 이해할 수 없는 일들은 예나 지금이나 계속해서 일어나고 있는 것이다. 지금으로부터 2,500년도 훨씬 전에 피타고라스는 휘어진 곡선의 정확한 길이를 재는 방법을 고안해 냈다. 그래서 2차원 평면에서도 3차원 공간의 휘어진 곡선 길이를 정확히 측정할 수 있었다. 이것은 거대 토목공사장에서는 아마도 대단히 중요한 일이었을 것이다. 그로부터 다시 2,500년이 흐른뒤에 아인슈타인은 피타고라스의 정리를 이용하여 태양이 발산하는 빛에너지의 양을 계산하는 공식을 만들어 냈다. 이 둘 사이의 연계성이 없었다면, 둘 중에 하나는 존재하지 못했을 것이다. 적어도 아직까지는 피타고라스의 정리나 아인슈타인의 에너지공식이 둘 다 틀리지 않는 것으로 판명되었다. 두 공식이 상호작용을 하듯 물질양자와 에너지양자는 상호작용을 한다. 그 사이에 변화가 있는 것이다.