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『일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50』은 직관적으로 파악할 수 없는 양자역학의 세계를 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 도와주는 친절한 안내서다. 양자역학의 여러 이론과 핵심이론을 잘 정리했다는 것 외에도 이 책의 덕목으로는 양자역학의 발전을 이끌어온 수많은 물리학자들에 관한 에피소드를 꼽을 수 있다. 뛰어난 물리학자였지만 불행한 결혼생활로 고통 받았던 슈뢰딩거, 세 살이 될 때까지 말을 거의 못했지만 훗날 최고의 강연자가 된 파인먼의 일화 등은 양자역학의 세계를 좀 더 친근하게 느낄 수 있도록 도와줄 것이다.

수없이 언급되긴 하지만 제대로 이해하는 사람은 아무도 없다는
양자물리학의 세계! 그 세계를 맛볼 수 있는 알찬 길잡이!

▼ 과학 분야에서 가장 ‘핫’한 과학, 양자역학
벽을 뚫고 지나가는 물질, 사건이 벌어질 때마다 새롭게 생겨나는 세계, 거의 모든 문제를 순식간에 해결하는 컴퓨터, 유출되는 순간 자동 파괴되는 암호…. SF 영화에서나 볼 법한 이야기로 들리지만, 사실은 가장 논쟁적이고 최신 이론과 실험 결과들이 끊임없이 쏟아지는 과학 분야인 양자역학에 관한 내용들이다.
양자역학은 원자의 구조와 힘의 본질 등 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계를 다루는 학문이다. 하지만 원자보다 작은 세계에서는 앞뒤가 맞지 않는 일들이 자주 일어나 많은 과학자들을 당혹스럽게 했다. 파동처럼 움직이던 빛이 어느 순간 입자처럼 행동하거나, 갑자기 나타났다 순식간에 사라지는 입자들이 그런 예다. 이처럼 과학자들도 골머리를 앓는 학문이다 보니, 양자역학은 난해하다는 생각에 지레 겁을 먹는 경우가 다반사다.

《일상적이지만 절대적인 양자역학지식 50》은 이처럼 직관적으로 파악할 수 없는 양자역학의 세계를 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 도와주는 친절한 안내서다. 저자는 양자역학이 발전해온 순서에 따라 이 분야의 선구자들의 해결하기 위해 붙들고 씨름했던 문제들을 하나하나 되짚어본다. 에너지에 관한 연구부터 힉스 입자의 발견까지, 쟁쟁한 물리학자들의 이야기와 그들의 연구를 찬찬히 따라가다 보면 양자역학에 대한 두려움은 어느덧 사라진다.

▼ 물리학의 발전을 이끌어온 혁신의 총집합, 양자역학의 이론들
편집자이자 과학저술가인 저자는, 때로는 엉뚱하고 때로는 엄청난 논쟁을 불러온 양자역학 이론들을 복잡한 수식 없이 친절하게 풀어 설명한다.
양자역학은 고전물리학으로는 이해하기 어려운 특이한 현상이 많은 만큼 숱한 우여곡절을 겪으며 발전했다. 알베르트 아인슈타인부터 리처드 파인먼까지, 수많은 물리학자들이 연구를 거듭했다. ‘양자(quanta)’ 개념을 도입한 ‘플랑크의 법칙’, 전자 2개가 동일한 순간 동일한 장소에 동일한 특성을 가지고 존재할 수 없다는 파울리의 배타 원리 등은 양자역학이 성장하는 든든한 밑거름이 된 이론들이다. 한편 수학적 기술을 통해 전자의 에너지 상태와 스펙트럼선 사이의 관계를 설명한 하이젠베르크의 행렬역학과, 물리학자들에게 익숙한 정상파와 정수배 진동 등의 개념으로 전자 에너지를 설명한 슈뢰딩거의 파동방정식은 물리학자들을 두 진영으로 나뉘게 할 만큼 격렬한 논쟁을 일으켰다.
때로는 말도 안 된다고 생각했던 아이디어가 중요한 역할을 하기도 했다. 물리학자인 머리 겔만은 단지 수학적 틀을 완성하기 위해 분수 전하량을 가진 가상의 입자를 상상해 우스꽝스러운 이름을 붙여 놓았지만, 실험을 통해 입자가 실재한다는 것이 밝혀졌다. 그 입자가 바로 ‘쿼크’다.
양자역학의 여러 이론과 핵심이론을 잘 정리했다는 것 외에도 이 책의 덕목으로는 양자역학의 발전을 이끌어온 수많은 물리학자들에 관한 에피소드를 꼽을 수 있다. 뛰어난 물리학자였지만 불행한 결혼생활로 고통 받았던 슈뢰딩거, 세 살이 될 때까지 말을 거의 못했지만 훗날 최고의 강연자가 된 파인먼의 일화 등은 양자역학의 세계를 좀 더 친근하게 느낄 수 있도록 도와줄 것이다.

▼ TV 모니터에서 자기부상열차까지, 일상에서 만나는 양자역학
너무나 미시적이고, 때로는 비현실적으로 느껴지는 양자역학의 세계는 언뜻 우리가 사는 현실 세계와는 별 관련이 없어 보인다. 하지만 이미 양자역학은 우리 일상에 많은 영향을 미치고 있다.
오늘날 대부분의 전자제품에 반도체가 사용된다. 반도체 원료로 가장 많이 쓰이는 실리콘 칩은 크기가 아주 작아지면 양자효과를 나타내는데, 수십 또는 수백 개의 원자로 이루어진 실리콘 유의 반도체 물질 조각을 ‘양자점(quantum dot)’이라고 부른다. 1990년 유럽의 과학자들이 작은 실리콘 조각을 이용해 양자 작용으로 붉은 빛을 내게 하는 데 성공했고, 이후 많은 연구를 거쳐 초록색과 파란색 빛을 만들어냈다. 이러한 기술을 활용해 발광다이오드(LED)를 제작할 수 있으며, 텔레비전 및 컴퓨터 모니터로도 활용 중이다.
자기부상열차도 양자 기술을 활용한 예다. 일부 금속을 과냉각시키면 전기 저항이 0이 되는데, 이러한 현상을 초전도성이라 하고 초전도성을 지닌 물질을 초전도체라고 한다. 초전도체는 양자 법칙에 따라 전류가 에너지를 잃는 것이 불가능해진다.
또한 초전도체는 내부에 자기장을 가둘 수 없다는 특성이 있는데, 이것이 발터 마이스너와 로베르트 옥젠펠트가 발견한 ‘마이스너 효과’다. 일반적인 도체라면 내부에 전류가 흐를 때 자기장이 형성되지만, 초전도체는 표면에 전류가 생성되면서 자기장을 상쇄시켜버린다. 초전도체 근처에 작은 자석을 가져다 놓으면 마이스너 효과 때문에 밀어내는 힘을 받게 된다. 이런 효과로 인해 자석은 초전도체의 표면 위로 둥둥 떠다닐 수 있는데, 이것이 자기부상의 원리다.

▼ 양자역학이 가져올 놀라운 미래
양자역학은 과학기술의 급진적 발전을 불러올 판도라의 상자와도 같다. 상용화를 위해 가장 활발한 연구가 이루어지는 분야가 양자컴퓨터와 양자 암호다.
기존의 컴퓨터는 정보를 저장하고 처리하는 데 전자를 이용하는 반면, 양자컴퓨터는 원자 자체를 이용한다. 이때 기존 컴퓨터의 비트 역할을 하는 것이 ‘큐비트(qubit)’다. 하나의 큐비트는 2개의 상태, 즉 0과 1의 양자적 중첩을 표현할 수 있다. 각각의 경우에 새로운 큐비트를 추가하면 혼합된 상태의 개수는 2배로 늘어난다. 반면 기존의 컴퓨터는 어느 한 순간에 둘 중 하나의 상태로만 존재한다. 큐비트끼리의 연결이 2배씩 증가하는 특성 때문에 양자컴퓨터의 능력은 대단히 강력하다. 물론 아직까지는 해결해야 할 많은 과제가 남아 있지만, 양자컴퓨터는 거의 모든 것을 시뮬레이션할 수 있고 인공지능 기계를 창조하는 열쇠가 될 수도 있다.
심각한 사회문제로 대두된 개인정보 유출 문제를 해결하는 데에는 양자 암호가 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 해킹을 방지하기 위해 양자의 불확실성과 얽힘을 이용해 메시지를 뒤섞는 것이다. 발신자가 빛알을 조작해 2진 메시지를 만들고, 필터를 통과시켜 메시지를 뒤섞는다. 그 다음 빛알을 전송하면 수신자가 그 빛알을 관측하는 데 사용한 필터가 무엇인지 발신자에게 알려주는 것만으로 메시지를 해석할 수 있다. 제3자가 빛알을 측정하려고 하면 그 안에 담긴 정보는 파괴된다.

아직은 가야 할 길이 멀지만, 그만큼 발전의 가능성도 무궁무진한 것이 양자역학이다. 이 책은 낯설기만 했던 양자역학이 어떻게 우리 일상과 연결되어 있는지, 또 우리의 미래를 어떻게 바꾸어갈 것인지 조망할 수 있는 동반자가 되어줄 것이다.

들어가는 말 _ 6

빛
01에너지 보존 _ 12
02플랑크의 법칙 _ 17
03전자기 _ 22
04영의 간섭무늬 _ 27
05빛의 속도 _ 32
06광전효과 _ 37

전자
07파동-입자 이중성 _ 44
08러더퍼드의 원자 _ 49
09양자도약 _ 54
10프라운호퍼 선 _ 58
11제만 효과 _ 63
12파울리의 배타원리 _ 68

양자역학
13행렬역학 _ 74
14슈뢰딩거의 파동방정식 _ 79
15하이젠베르크의 불확정성 원리 _ 84
16코펜하겐 해석 _ 89
17슈뢰딩거의 고양이 _ 94
18EPR 패러독스 _ 98
19양자 터널링 _ 103
20핵분열 _ 108
21반물질 _ 114

양자장
22양자장이론 _ 120
23램 이동 _ 125
24양자전기역학 _ 130
25베타붕괴 _ 134
26약한 상호작용 _ 140
27쿼크 _ 145
28심층 비탄성 산란 _ 150
29양자색역학 _ 155
30표준모형 _ 159

양자우주
31대칭 깨짐 _ 166
32힉스 보손 _ 171
33초대칭 _ 175
34양자 중력 _ 180
35호킹 복사 _ 185
36양자우주론 _ 191
37끈 이론 _ 196

양자적 비현실
38다세계 _ 204
39숨은 변수 _ 209
40벨의 부등식 _ 214
41아스페 실험 _ 219
42양자 지우개 _ 224

양자의 미래
43양자 결깨짐 _ 232
44큐비트 _ 237
45양자 암호 _ 242
46양자점 _ 247
47초전도성 _ 252
48보스-아인슈타인 응축 _ 257
49양자생물학 _ 261
50양자 의식 _ 266

에너지가 형태를 변화시키는 원인이라는 생각은 고대 그리스부터 익숙한 것이었다. 그리스어로 ‘에네르게이아(energeia)’는 ‘활동’이라는 뜻이다. 에너지는 물체에 가하는 힘과 힘에 의해 물체가 이동한 거리에 비례하다는 사실을 우리는 알고 있다. 그러나 과학자들에게 에너지는 여전히 파악하기 어려운 개념이다. 양자역학의 기원은 에너지의 본질을 연구하는 데에서 시작되었다. -12쪽

이후에 물리학자들이 발견한 사실에 따르면 빛은 매우 변덕스럽다. 어떤 때는 입자처럼 행동하다가, 또 어떤 때는 파동처럼 행동하기도 한다. 영의 이중 슬릿 실험은 아주 약한 빛줄기를 통과시키거나 빛이 통과할 때 슬릿을 매우 빠르게 열었다 닫는 등 여러 방법으로 변형되어 오늘날까지 빛의 성질을 연구하는 데 중요하게 활용된다. 그리고 빛의 특이한 성질이 더 많이 발견되면서 양자이론을 검증하는 데 중요한 요소가 되고 있다. -31~32쪽

하이젠베르크는 곧 불확정성 원리가 암시하는 바가 심오하다는 사실을 깨달았다. 움직이는 입자를 상상해보자. 우리가 알 수 있는 내용에는 기본적으로 제약이 있기 때문에, 측정으로 입자를 구속하기 전 입자의 과거 움직임에 관해서는 설명할 수 없다. 하이젠베르크의 말을 빌자면, ‘경로는 우리가 입자를 관찰하는 순간에만 존재한다.’ 또한 입자의 속도와 위치를 알 수 없기 때문에 입자의 미래 경로도 예측할 수 없다. 입자의 과거와 미래가 모두 불투명해지는 것이다. -88쪽

겔만은 제임스 조이스의 《피네간의 경야》를 읽다가 더 적절한 이름을 찾아냈다. “마크 대왕에게 쿼크 3개를!” 조이스가 쓴 ‘쿼크’는 갈매기의 울음소리를 표현한 것이었지만, 자신이 직접 만든 말과 비슷하게 들리는 것이 재미있기도 했고 특히 여기에서도 ‘3’이라는 숫자가 등장하는 것이 마음에 들었다. 1964년 그는 쿼크 이론을 발표하면서 중성자가 하나의 ‘위(up)’쿼크와 2개의 ‘아래(down)’쿼크로, 그리고 양성자는 3개의 위쿼크와 하나의 아래쿼크로 이루어져 있다고 제안했다. 따라서 베타복사란 중성자의 아래쿼크가 위쿼크로 바뀌면서 양성자로 변환되는 과정이었고, 그 과정에서 W- 입자가 방출되는 것이다. -147~148쪽

물리학자들이 모두 이 이론을 받아들인 것은 아니다. 수없이 창조되는 우주를 이해하기란 몇 개의 빛알이 하는 일을 파악하는 것보다 훨씬 더 어려웠다. 그래도 일부 물리학자들 사이에서는 다세계 이론의 인기가 높았다. 미국의 상대성이론 연구자인 브라이스 디윗은 에버렛의 이론에 ‘다세계’라는 이름을 붙였고, 이 아이디어를 더욱 발전시켰다. 오늘날 수많은 물리학자들이 ‘다중우주’ 개념을 이용하여 이 개념이 아니면 설명할 수 없는 우주론의 동시다발적 사건, 예를 들면 힘의 세기는 어떤 이유로 그렇게 정해졌는지, 그 힘이 어떻게 원자와 생명체를 존재하게 하는지 등의 문제를 설명한다.
-205~206쪽

슈뢰딩거는 1944년 출간된 저서 《생명이란 무엇인가?》를 통해 양자생물학을 최초로 논의한 인물 중 하나다. 오늘날 과학자들의 발견을 통해 여러 가지 자연 현상에서 양자역학이 맡은 중요한 역할을 간접적으로 파악할 수 있다. 새들은 지구의 자기장을 감지하고 이를 비행에 활용하기 위해 양자 기술을 적용하고 있을 것이다. 광합성은 유기체가 생명을 유지하기 위한 필수 과정으로 물, 이산화탄소, 태양 빛을 에너지로 변환하는 현상인데, 이 역시 원자 속에서 일어나는 작용에 의한 것이다.
-262쪽