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“양자물리학은 마치 이 세상의 ‘치트키’ 같이 보이지만, 그렇지 않아요. 우주가 작동하는 방식이랍니다.” 캐나다 에콜맥타비시공립고 12학년(고등학교 3학년)에 재학 중인 마리암 체가예 양은 3분짜리 영상으로 전자가 장벽을 통과하는 ‘양자터널링’을 설명하며 이 같이 말했습니다. 체가예는 비디오 게임과 주사위 굴리기에 빗대 불가사의한 물리 현상을 기발하게 설명해 세계적 과학상인 ‘브레이크스루상’의 2020년 주니어 챌린지 부문을 수상했는데요. 우승자의 영상, 같이 볼까요. 

▶ 게임 속 치트키
아무런 인트로 영상도, 자막도 없이 대뜸 체가예가 나타납니다. 그리고 자신의 방에서 이야기를 시작합니다. 동생이 게임을 하는 모습을 봤는데, 치트키(게임 속 비밀키 또는 속임수)를 쳐서 캐릭터가 통과할수 없는 벽을 통과해버렸다고 말입니다. 동생이 게임 고인물인가 봅니다.

▶ 양자물리학 속 치트키(?)
그 장면을 보자 양자물리학에서 설명되는 현상이 번뜩 연상됐다고 합니다(이걸 이과가 또…). 우선 기본 개념부터 얘기해줍니다. 아원자 물질(원자보다 작은 원자핵이나 전자 같은 물질)은 단순히 하나의 입자로 돼 있는 게 아니라, 파동과 입자두 가지 형태로 존재한다고 말이죠. 

▶ 알아낼 때까지 알 수 없다 
이게 무슨 말인지는 주사위로 설명합니다. 주사위 2개를 굴리면 그 합이 2~12까지 나올 수 있습니다. 합이 얼마로 나올지 확률은 각각 다르지만, 어떤 값도 나올 수 있습니다. 단, 굴리기 전에는 어떤 값이 나올 거라고 단언할 수 없습니다.
전자 하나의 정확한 위치를 측정하는 것도 이와 같습니다. 전자는 일정한 영역 내에 어디에든 있을 수 있습니다. 영역 내 어느 지점에 있을지 그 확률은 각각 다르지만, 어느 지점에도 있을 가능성은 있죠. 단 위치를 측정하기 전에는 전자의 위치가 어디에 있다고 단언할 수 없습니다.

▶ 전자의 파동형 움직임
그래서 전자는 위치를 측정하기 전에는 파동의 형태로 움직입니다. 파동의 높이(진폭)는 전자의 위치를 측정했을 때 그 지점에 전자가 있을 확률을 뜻하죠. 파동 형태로 움직이기 때문에, 이동하는 경로에 장벽이 있다면, 거기에 반사돼서 다시 파동 형태로 돌아옵니다.

▶ 장벽 뚫은 전자 
그런데 말입니다. 사실 파동이 그대로 장벽에 반사돼 돌아오기만 하는 건 아닙니다. 파동은 장벽을 뚫고 들어갈 수 있습니다. 다만 장벽을 거칠수록 파동의 높이, 즉 전자가 위치할 확률은 급격히 줄어듭니다. 하.지.만. 장벽의 두께가 충분히 얇다면, 그래서 파동이 다 사라지기 전에 장벽을 통과한다면?! 파동이 장벽을 넘어 계속 이어갈 수 있습니다. 이 말은 그림 상 왼쪽에서 전자를 쏜 뒤 위치를 측정했을 때, 전자 입자가 장벽 너머에 있을 수 있다는 말입니다. 이것이 양자터널링입니다.

▶생명체 존재케 하는 양자터널링 
우리가 벽을 통과할 수 없는 건 우리 몸을 구성하는 수조 개의 아원자 물질이 동시에 양자터널링으로 벽을 통과하는 게 불가능에 가깝기 때문입니다. 하지만 양자 세계에서는 흔히 일어나는 일이죠. 태양에서 핵융합으로 만들어진 에너지가 지구에 도달해 생명체가 살 수 있게 해 주는 것도 양자터널링의 활약입니다.