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끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 단 하나의 양자 역학 강의!

고전 역학과 양자 역학이 충돌하는 듯한 기존 설명에 지친 사람들, 그리고 21세기 새로운 상식이자 실용 기초 학문으로서 양자 역학에 도전하고자 하는 대학생, 직장인들을 위한 『물리의 정석: 양자 역학 편』. 끈 이론의 창시자 레너드 서스킨드의 스탠퍼드 대학교 최고의 인기 강의로, 일반인을 위해 모든 물리 분야의 정수만을 모아 제공해 1000만 뷰를 달성한 유튜브 강의 ‘최소한의 이론’에 포함된 136개의 세부 강의들 중 양자 역학의 강의 내용을 모아 엮었다.

전반부에서는 양자 역학이 고전 역학과 다른 결정적 이유를 설명하면서, 양자 역학을 이해하기 위한 새로운 논리와 도구들, 즉 스핀, 큐비트, 불확정성 원리, 선형 대수학 등을 다룬다. 후반부에서는 고전 역학의 탐구 대상이었던 입자와 조화 진동자에 양자 역학의 논리를 대입해 숨겨진 자연 법칙을 찾아낸다. 책 곳곳에 있는 연습 문제들을 통해 독자들이 직접 수학을 이용해 양자 역학 문제를 풀고 몸소 이해할 있는 기회 또한 제공하고 있다.

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당신의 마음속 물리학자를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의

이제 양자 역학은 상식이 되고 있다. 가수 박진영, 나르샤, 그리고 방송인 김제동 등이 텔레비전 방송에 출연해 양자 역학에 대해 서슴없이 말한다. ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 유래해, 역설적인 상황을 빗대어 표현하는 말 ‘슈뢰딩거의 ○○○’은 사람들이 보편적으로 사용하는 관용 표현이 되었다. 게다가 최근 수 년 사이 양자 역학을 기초로 한 정보 이론인 양자 정보학이 차세대 정보 이론으로 급부상하면서, 실용적인 목적으로 양자 역학을 공부해 보고자 하는 사람들도 점차 증가하고 있다. 2017년에 ㈜사이언스북스에서 나온 양자 역학 교양서 『김상욱의 양자 공부』는 출간 직후부터 지금까지 대중의 꾸준한 사랑을 받으며 이러한 변화를 몸소 보여 주고 있다.
한편 양자 역학은 아주 작은 것들을 기술하기 때문에 인간 감각의 범위를 완전히 넘어서며 우리의 직관으로 이해하기 힘든 학문이라는 사실 또한 널리 알려져 있다. 때문에 양자 역학을 처음부터 차근차근 정복해 나가는 새로운 수학과 새로운 논리를 갖추지 못한 대중은 ‘진짜’ 양자 역학 공부를 시작하는 일에 주저할 수밖에 없었다.
이번에 ㈜사이언스북스에서 번역, 출간한 『물리의 정석: 양자 역학 편』은 이러한 상황에 명쾌한 해답을 제시해 준다. 이 책은 끈 이론의 창시자 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)의 스탠퍼드 대학교 최고의 인기 강의로, 일반인을 위해 모든 물리 분야의 정수만을 모아 제공해 1000만 뷰를 달성한 136개의 유튜브 명강 시리즈 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」을 책으로 번역, 출간한 국내 교양 물리 시리즈 「물리의 정석」 두 번째 책이다. 이 책은 기존 물리 교과서의 체재를 따르지 않고 현장 연구자들이 사용하는 필수적인 최소한의 개념과 원리, 복잡해 보이는 수식의 핵심을 정확하게 짚어 소개함으로써 ‘물리학의 정석(定石)’을 제시한 바 있는 『물리의 정석: 고전 역학 편』의 후속편이다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 「고전 역학 편」의 설명 방식과 기초 논리를 그대로 따르면서도 양자 세계에만 존재하는 논리들을 덧붙임으로써, 기존 고전 역학과 충돌하지 않으면서도 완전히 새로운 양자 역학을 독자에게 선사한다. ‘당신의 마음속 물리학자’를 깨워 줄 단 하나의 양자 역학 강의라고 할 수 있다.

끈 이론의 창시자에게 직접 듣는 양자 역학의 정석(定石)

스탠퍼드 대학교 물리학과 교수로 재직 중인 레너드 서스킨드는 대통일 이론의 후보로 각광받고 있는 끈 이론의 선구자이다. 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론 등 다양한 분야에 공헌했다. 특히 얼마 전 서거한 스티븐 호킹(Stephen Hawking)의 절친이자 호적수로, 그에 대항해 블랙홀 상보성의 원리와 홀로그래피 이론을 정립한 ‘블랙홀 전쟁’의 주인공이기도 하다. 1940년 출생으로 79세의 나이에도 불구하고 여전히 첨단 연구와 대중 교육을 주도하고 있는 물리학자이다. 작년에도 웜홀, 양자 텔레포테이션, EPR 역설 등을 포괄적으로 연구해 양자 역학과 일반 상대성 이론의 통합 가능성을 제시한 논문 2편을 연이어 발표해 학계를 뜨겁게 달군 바 있다.
저자 서스킨드의 말대로 이 책의 목표는 “말도 안 되게 이상한 양자 역학의 논리를 숨기는 것이 아니라 오히려 대명천지의 광명 아래로 끄집어내는 것”이다. 저자는 양자 역학의 역사 등 대부분의 양자 역학 교양서들이 다루고 있는 부분을 과감히 생략하고 도입부부터 독자의 “직관 회로”를 양자 역학에 알맞게 “재배선”하는 작업에 들어간다. 전반부에서는 양자 역학이 고전 역학과 다른 결정적 이유를 설명하면서, 양자 역학을 이해하기 위한 새로운 논리와 도구 들, 즉 스핀, 큐비트, 불확정성 원리, 선형 대수학 등을 다룬다. 후반부에서는 고전 역학의 탐구 대상이었던 입자와 조화 진동자에 양자 역학의 논리를 대입해 숨겨진 자연 법칙을 찾아낸다. 뿐만 아니라 본문 전체의 약 20퍼센트에 해당하는 두 챕터(6~7강)에 걸쳐 양자 정보학의 핵심 개념인 얽힘에 대해 다룬다. 그리고 책 곳곳에 있는 연습 문제들을 통해 독자들이 직접 수학을 이용해 양자 역학 문제를 풀고 몸소 이해할 있는 기회 또한 제공하고 있다. 이 책을 공부하는 동안 우리의 선천적인 ‘물리적 약점’을 극복하고 ‘양자 간극’을 뛰어넘는 독특한 경험을 하게 될 것이다.
한편 『블랙홀 전쟁』, 『물리의 정석: 고전 역학 편』 등 서스킨드의 다른 책들을 번역, 출간한 바 있는 이종필 건국 대학교 교수가 번역해 간결하고 정확한 한국어 설명을 제공하고 있다. 「어른의 수학」, 「이종필의 물리의 정석 특강」 등 직접 나서서 「고전 역학 편」 해설 강의를 진행해 온 것처럼, 이번 「양자 역학 편」 역시 출간 직후부터 역자 오프라인 특강이 수차례 예정되어 있다. 뿐만 아니라 ㈜사이언스북스가 제작하고 이종필 교수가 감수한 연습 문제 풀이집 『물리의 정석 솔루션: 양자 역학 편』을 책 구매 독자 전원에게 사은품으로 제공할 예정이다. 솔루션을 통해 독자들은 책의 연습 문제를 통한 ‘양자 역학 실습’을 더욱 효과적으로 할 수 있다.
유튜브 무료 강의와 연습 문제 솔루션, 그리고 이종필 교수가 한국 독자들을 위해 직접 강의에 나서는 레너드 서스킨드 물리학의 정석(定石) 양자 버전인 만큼, 양자 역학을 전혀 모르는 초심자부터 「고전 역학 편」의 다음 단계인 양자 역학에 도전하고자 하는 사람들, 고전 역학과 양자 역학이 충돌하는 듯한 기존 설명에 지친 사람들, 그리고 21세기 새로운 상식이자 실용 기초 학문으로서 양자 역학에 도전하고자 하는 대학생, 직장인에게 최고의 책이라고 할 수 있다.

이범(더민주당 민주정책연구원 부원장)
사람들은 흔히 물리를, 공식을 왕창 암기해야 하는 피곤한 학문으로 여긴다. 이 책의 강점은 물리가 그야말로 ‘이해된다’는 것이다. 실용서 또는 수험서라는 명분으로 학습자의 입에 공식을 ‘쑤셔 넣으려는’ 시도에 물린 사람들에게 이 책은 구원의 손길이 될 것이다. 저자의 유튜브 오리지널 강의를 함께 이용할 수 있다는 것도 대단한 강점이다.
물리가 이해되는데, 그냥 이해되는 게 아니다. 이 책을 물리를 배우려는 사람들만 본다면 불운이다. 수학에 관심 가진 사람들에게도 강력하게 권한다. 이 세계의 질서와 아름다움을 제대로 체감하는 데 있어 수학이 얼마나 효과적인지를 극명하게 보여 주기 때문이다.
서스킨드의 『물리의 정석』은 스탠퍼드 대학교의 일반 물리학 강의에 기초하고 있다는 점에서, 50년 전 캘리포니아 공과 대학(Caltech)의 일반 물리학 강의를 담은 리처드 파인만의 『물리학 강의(Lectures on Physics)』를 연상시킨다. (더불어민주당 민주정책연구원 부원장)

김상욱(경희대학교 교수)
정석 맞다. 거의 물리학과 학부 표준 교재다. 일반인이라면 마음 단단히 먹고 제대로 공부할 사람에게만 추천한다. 하지만 너무 겁먹진 마시라. 저자 서스킨드는 최고급 일류 요리사이고, 번역자 이종필 교수는 완벽한 테이블 세팅을 마쳤다. 당신은 즐기기만 하면 된다. 물론 쉽지는 않을 것이다. 행운을 빈다.

션 캐럴(캘리포니아 공과 대학)
현실의 구동 원리 중 가장 기이한 측면을 명쾌하게!

데이비드 시어리(서식스 대학교)
형식적인 파편들을 하나의 명확한 개념으로 한데 모으다.

사이언스 뉴스
무인도에 가져갈 단 한 권의 책! 시간을 충분히 들인다면 당신은 결국 양자 역학에 통달할 것이다.

서문 이상하고 아름다운 양자 세계로 7
물리학에 서툰 우리 모두를 위해 10
프롤로그 15
「양자 역학 편」을 시작하며 19

1강 계와 실험 23
2강 양자 상태 61
3강 양자 역학의 원리 81
4강 시간과 변화 129
5강 불확정성과 시간 의존성 171
6강 계의 결합: 얽힘 195
7강 얽힘 더 알아보기 235
8강 입자와 파동 295
9강 입자 동역학 339
10강 조화 진동자 383

부록 스핀 간단 요약 425
옮긴이의 글 인간 지성의 최종 병기, 양자 역학 433
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