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물리학의 핵심인 양자론을 만화로 만나보자!

교과서보다 쉬운 물리학 이야기『만화 양자론』. 접근하기 어려운 양자론을 만화를 통해 쉽게 이해할 수 있도록 구성한 책이다. 유우키와 아이리가 이끄는 총 11장의 이야기는 쉽고 간단한 용어 정의부터 복잡한 물리학 이론까지 모두 다루고 있다. 저자의 해설과 감수자의 설명을 수록하여 난해한 양자론의 개념들을 자세하게 이해할 수 있도록 도와준다. 어느 날 실연당한 유우키 앞에 나타난 신비로운 소녀, 아이리. 얼굴도 예쁘고, 마음씨도 고운 아이리는 만나기만 하면 ‘양자’ 이야기를 늘어놓는다. 아이리에게 잘 보이기 위해 유우키는 양자론을 공부하기로 하고, 아이리의 도움을 받아 양자의 세계로 한 걸음 한 걸음을 옮긴다. 개념 설명부터 양자의 순간이동, 빛의 정체, 초끈이론, 양자암호, 소립자 등 아이리가 안내하는 양자 세계는 알면 알수록 재미있고 흥미롭기만 하고, 유우키에게는 놀랄 만한 사건이 생기는데….

양자론만 알면 어려운 물리학이 쉬워진다!
기묘하고 신비로운 고양이 소녀와 함께 떠나는 판타지 양자 세계～
소립자, 전자 개념부터 초끈이론까지…
현대 물리학의 핵심, 양자론이 머릿속에 쏙쏙 들어온다!

양자를 처음 발견한 사람은 누구인가? 양자의 세 가지 성질은 무엇인가? 빛은 파동인가, 입자인가? 양자와 전자, 소립자는 어떻게 다른가? 양자암호는 정말 해킹이 불가능한가? 하이젠베르크의 불확정성 원리와 보어의 상보성 원리는 또 뭔가? 그리고 슈뢰딩거의 고양이가 왜 유명한가? 아무리 들여다봐도 도통 이해 안 되는 물리학 이론과 원리, ‘양자론’이라는 말만 들어도 골치가 아프다. 그런데 만화로 읽는다면 상황이 달라진다. 첫장부터 흥미를 끌고 책장이 술술 넘어간다. 간단한 용어 정의부터 복잡한 물리학 이론까지 모두 다루는 이 책 한 권이면, 청소년은 물론이고 일반인도 간단명료하게 ‘양자론’을 이해할 수 있다.

21세기는 양자공학의 시대,
결코 딴 세상, 남 이야기가 아닌 바로 우리의 이야기!

양자론은 책에서만 보는 어려운 이론이 아니라, 실제 우리 생활과 밀접한 관계를 맺고 있는 이론이다. 휴대전화와 반도체는 물론, 전기와 핵폭탄을 만들어내는 원자력, 저항이 없는 초전도현상 같은 최첨단 기술은 양자론이 아니고선 설명이 불가능하다. 세상을 떠들썩하게 만들 양자암호와 양자컴퓨터도 마찬가지다. 《만화 양자론》에 따르면 양자암호는 해킹과 도청을 불가능하게 만들고, 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터 수십만 대가 할 일을 단 한 대로 끝낼 수 있다고 한다.
지금 우리가 살고 있는 세상은 신기하고 놀라운 일들로 가득하다. ‘양자’ 세상은 더하다. 앞으로 우리가 살게 될 미래사회에서는 양자론이 더 빛을 발하게 될 것이다. 이제 양자론은 물리학자들만의 전유물도 아니고, 흥미를 가진 몇몇 사람들만의 얘깃거리도 아니다. 21세기를 살아가는 우리가 꼭 알아야 할 필수지식이 되었다.
하지만 아인슈타인 이후 가장 위대한 물리학자라 불리는 리차드 파인만이 “양자론을 이용하고 있는 사람은 있지만 양자론을 이해하는 사람은 한 사람도 없다”고 했을 만큼, 양자론을 이해하는 길은 멀고도 험난해 보인다. 정녕 양자론을 쉽게 배울 수 있는 방법은 없는 걸까?

난해한 양자론에 대한 쉽고 명쾌한 과학해설 입문
“이보다 더 쉬운 양자론 책은 없다!”

다케우치 가오루는 칼럼과 강연, 방송 등 다채로운 활동을 통해 일반 사람들이 어려워하는 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 돕는 일에 열중하는 저자다. 한국에서도 그의 과학 저서는 여러 권 번역 출간되었으며, 출간된 책들 대부분은 “일반 독자들의 눈높이를 잘 맞추고 있다”는 호평을 받고 있다.
하지만 그것만으로는 부족했던지, 그는 이 책에서 “접근하기 어려운 양자론을 독자 한 사람이라도 더 쉽게 이해하길 바라는 마음에서 판타지 만화로 만들었다”고 밝히고 있다. 저자의 바람대로 ‘예쁘고 신비로운, 양자론에 해박한 고양이 소녀와 그런 그녀를 좋아하는 소년이 그녀와 가까워지기 위해 양자론을 하나하나 배워 나간다’는 구성은 재미와 흥미를 돋운다. 즉 《만화 양자론》은 ‘지식’과 ‘재미’, 그리고 ‘매우 쉽다’는 삼박자를 두루 갖추고 있는 셈이다.
어렵다는 양자의 개념 설명부터 양자의 순간이동, 빛의 정체, 초끈이론, 양자암호, 슈뢰딩거의 고양이, 소립자 등 물리학의 핵심인 양자론을 만화로 만나보자. 이 책은 양자를 전혀 모르는 독자들도 푹 빠지게 할 만큼 꽤 매력적이다.

“어느 날 실연당한 유우키 앞에 나타난 신비로운 소녀, 아이리. 얼굴도 예쁘고, 마음씨도 고운 그녀는 만나기만 하면 ‘양자’ 이야기를 늘어놓는다. 그녀에게 잘 보이고 싶은 유우키는 어떻게 해서든 양자 공부를 해야 하는데, 시작부터 만만치 않다. 허우적대는 유우키에게 아이리가 기꺼이 양자 세계로 이끄는 안내자가 되고, 그런 그녀 덕분에 유우키는 양자론의 매력에 푹 빠져든다. 점점 더 유우키는 아이리도, 양자론도 좋아진다. 과연 양자론으로 맺어진 두 사람의 우정은 계속될 수 있을까? 아이리가 숨기는 비밀은 또 무엇일까?”

이 책은 양자론을 어려워하는 사람들에게는 더할 수 없이 좋은 설명의 방식이 아닐 수 없다. 아이리와 유우키가 이끄는 총 11장의 이야기를 따라가다 보면, 그리고 한 장이 끝날 때마다 나오는 ‘저자 해설’과 ‘감수자의 설명’을 읽다 보면 난해하기만 하던 양자론의 개념들이 술술 풀려나온다. 양자론을 알고자 하나 처음이라 두려운 분, 너무 어려워 포기한 분, 누군가를 가르쳐야 하는 분, 과학을 좋아하는 자녀를 둔 분, 도표와 텍스트 구성에 질린 분 등에게 이 책을 권해 드리고 싶다.

■ 주요 등장인물 소개

다카하시 유우키
고등학생. 무엇하나 특별한 것 하나 없는 아주 평범한 소년. 부모님, 쌍둥이 여동생과 함께 살고 있다. 최근 들어 교통사고를 당해 팔을 다쳤고, 엎친 데 덮친 격으로 남몰래 혼자 좋아하던 여학생마저 다른 남학생에게 마음이 있다는 사실을 알았다. 그때 홀연히 나타난 신비로운 소녀, 아이리. 첫눈에 반한 그녀는 유우키가 모르는, 아니 관심도 없던 양자론을 술술 이야기한다. 그녀에게 잘 보이기 위해 양자론 공부를 시작한 유우키, 그런데 알면 알수록 양자론이 재밌다. 아이리도 점점 더 좋아진다.

아이리(고양이 소녀)
유우키가 좋아하는 소녀. ‘아이리’라는 이름과 유우키와 같은 고등학교를 다닌다는 사실 외에는 모든 것이 베일에 싸여 있다. 양자론을 너무도 잘 이해하고 있으며, 지적 호기심이 매우 강하다. 자신 때문에 양자론 공부를 시작한 유우키가 싫지는 않다. 그래서 그의 궁금증을 기꺼이 해결해주고, 모르는 것을 친절하게 알려준다. 하지만 그녀에게는 누구에게도 밝힐 수 없는 비밀이 있다. 이 사실을 유우키가 알면 어떡하지?

들어가면서_ 양자를 알면 물리학이 무섭지 않다!
프롤로그_ 커다란 리본을 맨 소녀

제1장 양자는 수상하다
<해설> 양자의 최초 모습 | 양자란 말의 의미
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ① > 원자 | 양자

제2장 양자는 지킬 앤 하이드?
<해설> 어디나 존재하는 양자
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ②> 입자와 파동

제3장 양자는 개성이 없다
<해설> 양자의 세 가지 성질
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ③> 우주의 재료 | 입자 가족 | 우주의 힘 | 우주는 왜?

제4장 양자 순간이동(teleportation)
<해설> 양자와 인간의 공통점
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ④> 양자 순간이동 | 양자컴퓨터

제5장 양자는 디지털 느낌
<해설> 양자를 발견한 사람들 (1)
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑤> 양자역학의 탄생

제6장 빛은 파동이고 입자이며 양자다
<해설> 양자를 발견한 사람들 (2) | 양자얽힘
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑥> 불확정성과 상보성

제7장 초끈이론이란?
<해설> 양자와 중력
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑦> 끈이론 | 만물의 이론

제8장 양자의 일기예보
<해설> 논쟁 붙은 물리학자들 | 슈뢰딩거 방정식
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑧> 슈뢰딩거 방정식 | 슈뢰딩거의 고양이

제9장 슈뢰딩거는 너무해!
<해설> 슈뢰딩거의 고양이
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑨> 양자역학의 해석

제10장 양자로 된 암호라면 안심!
<해설> 양자암호
<김병일의 쉽고 재밌는 양자 이야기 ⑩> 암호기술 | 양자암호

제11장 굿바이, 아이리

에필로그_ 그녀가 없는 세계
특별부록_ 소립자 쉽게 알기
마치면서_ 모르기 때문에 재밌다!

빅뱅 이전에는 ‘양자의 우주’가 있었다. 즉 우주의 시작이 양자 상태였다. 눈에 보이지 않을 만큼 작고, 있는지 없는지도 모를 만큼 불확실한 상태에서 우주는 시작되었다.
그럼, 대체 양자란 무엇일까?
- 28쪽

양자는 우주가 시작된 이후부터 늘 우주와 함께 존재해 왔다. 지금도 휴대전화에는 양자로 가득 차 있고, 우리 몸을 만드는 물질도 잘게 쪼개면 양자로 구성되어 있다.
·물질을 분해하면 분자로 이루어져 있음을 알 수 있다.
·그 분자를 분해하면 원자가 된다.
·원자는 가운데 ‘핵’과 핵 주위를 도는 ‘전자’로 구성된다.
·전자는 양자의 일종이다.
·핵은 분해할 수 있고, 분해하면 양성자와 중성자로 나뉜다.
·양성자와 중성자를 분해하면 마지막에는 양자가 된다. 그 이상 분해할 수 없는 물질(전자 혹은 양자)을 가리켜 소립자(elementary particle)라 부른다.
그렇다면 소립자와 양자는 똑같은 의미인가? 미묘한 차이가 있다. 양자 쪽이 넓은 개념을 가지는데, 이는 소립자가 아닌 양자도 존재하기 때문이다. 가령 풍선에 들어 있는 헬륨은 보통 온도에서는 기체지만, 낮은 온도에서는 액체가 되고, -270도 이하에서는 초유동이라 불리는 불가사의한 상태가 된다.
- 46쪽

1968년, 양성자나 중성자가 쿼크로 이루어졌다는 것이 밝혀졌다. 당시에는 두 가지 형태의 쿼크만이 발견되어 ‘업 쿼크(up-quark)’와 ‘다운 쿼크(down-quark)’라는 이름으로 불렸다. 양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 이루어져 있으며, 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 하나의 업 쿼크로 이루어져 있다.
우주 안의 물질들은 업 쿼크와 다운 쿼크, 전자로 이루어져 있었다. 그러나 과학자들은 실험결과를 분석하여 이들 세 가지 소립자 외에 다른 소립자들이 존재해야 한다는 것을 알게 되었다. 1956년에 라인스(Frederick Reins)와 코완(Clyde Cowan)은 네 번째 소립자를 발견했다. 이 입자는 1927년에 파울리(Wolfgang Pauli)가 그 존재를 미리 예견했던 ‘뉴트리노(neutrino)’였다. 1937년에는 ‘뮤온(muon)’이라는 소립자가 래비(Isidor Isaac Rabi)에 의해 발견되었다. 이후 강력한 입자가속기가 만들어지자 새로운 소립자들이 계속 발견되었다. 다음은 지금까지 알려진 입자들이다.
- 70쪽

슈뢰딩거의 고양이는 물리학자인 슈뢰딩거가 논문에 등장시킨 가공의 고양이를 말한다. 슈뢰딩거는 기묘한 사고실험을 생각해 냈다.
먼저 상자에 고양이를 넣는다. 그 상자 안에는 방사성물질과 가이거계수관(geiger counter : 방사능의 세기를 방사선량으로 나타낸다) 그리고 독 발생 장치가 들어 있다.
방사성물질은 매우 양이 적어서, 언제 붕괴되어 방사선이 나올지 알 수 없다. 만약 방사선이 나온다면 그것을 가이거계수관이 검출하게 되고 이어 독 발생 장치가 작동을 한다. 결국 고양이는 죽게 되는 것이다. 하지만 방사성물질이 붕괴되지 않으면 고양이는 산다. 방사성물질이 붕괴되는지 안 되는지는 양자의 불확정성에 따라 확률적으로만 결정된다.
가령 그 확률이 50%라고 가정하자. 그러면 상자 안의 고양이가 살아 있을 확률도 50%이고, 죽어 있을 확률도 50%다. 양자의 확률은 ‘관측’에 의해 확정되기 전까지는 ‘서로 공존하는’ 상태다. 따라서 상자 안의 고양이도 생사가 공존하는 상태로 있기 때문에 반은 살아 있고 반은 죽어 있다는 말이 된다!
- 178쪽