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양자역학이 어렵다고? 양자역학을 쉽고 재미있게 배울 수 있는 방법이 있다!
양자역학의 새로운 개념들이 도입되는 과정을 그림이나 도표, 그리고 삽화와 비유를 통해 한 발짝씩 따라가 보자!

쉽고 재미있는 과학 도서 『양자역학은 처음이지?』가 출간되었다. 중·고등학교 과학 교과서를 비롯해서 어린이와 청소년, 성인에 이르기까지 다양한 독자들을 위한 수십 권의 과학 교양서를 집필·번역하고, 과학관에서 대중 강연을 하는 등 과학 대중화에 힘써 온 수원대 물리학과 곽영직 명예 교수의 신간이다. 양자역학을 양자역학 이론이 만들어지는 역사적 과정을 따라가는 기법을 이용하여 흥미롭고 재미있을 뿐 아니라 어려운 개념들도 이해하기 쉽게 풀어냈다.

양자역학은 현미경으로도 보이지 않는 원자보다 훨씬 작은 미립자의 세계를 다루는 역학이다. 그런데 이것이 USB 메모리, 양자컴퓨터 등 오늘날 첨단 정보산업의 중심에 쓰이고 있어 우리 곁에 성큼 다가와 있다. 하지만 양자역학을 이해하는 것은 매우 어려운 일이다. 양자역학의 새로운 이론들이 기존 물리학의 법칙을 뛰어넘는 것이기도 하고, 또 입자냐 파동이냐 하면서 하나로 딱 떨어지지 않는 양자역학 특유의 어려움도 더해져 있다. 오죽하면 세기의 물리학자인 아인슈타인까지 논쟁을 일으켰을 정도다.

실제 양자역학은 어느 날 갑자기 뚝 떨어진 과학이 아니라 원자의 발견부터 시작된 화학자들의 노고로부터 시작하여 전자, 양성자, 중성자의 발견으로 이어지는 과정에서 드라마틱하게 등장했다. 이런 역사적 과정의 스토리텔링 속에 양자역학의 여러 어려운 개념들을 녹여 내어 흥미로운 과학의 역사를 읽으면서도 양자역학의 어려운 개념들도 쉽게 익힐 수 있을 것이다.

- 호기심을 돋우기 위해 장 전체의 핵심적 사건이나 과학자 이야기로 문제를 제기하는 도입
처음 1장에서 최초의 국제화학회의가 열린 독일 카를스루에에서 칸니차로가 당시 혼란 가운데 있었던 분자식 문제를 해결하는 장면부터가 흥미롭다. 본격적 양자역학 시대를 알린 엑스선, 방사선의 발견(3장)도 드라마틱하다. 원자 내부 구조를 밝히기 위한 러더퍼드의 실험(4장) 장면도 흥미를 이어가는 데 부족함이 없다. 양자역학의 최고 수훈자라 할 수 있는 보어가 등장하는 ‘보어와 발머의 식’(6장)도 좋다. 가장 어려운 양자역학의 이중성을 쉽게 이해시키기 위해 비유로 든 ‘포유동물과 새들의 전쟁’(9장)은 압권이다. 마지막 10장의 ‘양자역학의 이용’에서 ‘두 개의 노벨상을 받은 과학자들’도 마지막까지 호기심을 이어가는 마무리로 부족함이 없다.

- 과학적 문제제기 이후 전개되는 과학 개념과 실험적 증명을 소개하는 본문
본문에서는 도입에서 제기되었던 과학적 문제들을 풀기 위한 과학 개념과 실험적 증명들이 소개된다. 예를 들어 3장 ‘원자에서 방사선이 나온다’의 도입에서 제기되었던 ‘원자에서 나오는 방사선이 어떻게 원자가 더 쪼개질 수 있는 확실한 증거가 될 수 있을까?’라는 문제를 본문에서는 음극선관을 통해 전자의 존재를 발견하는 실험으로 증명해낸다. 또 4장 ‘러더퍼드의 실험’의 도입에서 제기된 ‘러더퍼드의 실험 결과가 왜 원자핵의 존재를 나타내는 것이 될까?’라는 문제를 본문에서는 여러 원자모형이 만들어지는 과정과 러더퍼드가 수행했던 금박 실험 결과로 증명한다. 6장 ‘보어와 발머의 식’에서 제기된 문제를 부양자수의 도입으로 해결해 나가는 과정, 9장 ‘포유동물과 새들의 전쟁’에서 제기된 문제를 광자 재판과 슈뢰딩거의 고양이 등으로 해결해 나가는 과정은 흥미롭기 그지없다.

- 산책하듯 가볍게 우리 생활과 연결된 양자역학을 다룬 ‘양자 세상 산책’
양자역학은 결국 어려운 과학이기에 쉬지 않고 이어가는 것은 버거울 수밖에 없다. 또 양자역학이 아무리 중요하다 하더라도 우리 생활과 직접적 연관이 없다면 흥미가 떨어질 수밖에 없다. 이에 이 책에서는 가볍게 쉬어 갈 수 있는 ‘양자 세상 산책’ 코너를 마련하고 있다. 적외선 온도센서의 원리(5장), 누가 먼저 총을 쏠까?(6장), 눈앞에 다가온 양자컴퓨터 세상(10장) 등은 우리 생활과 관련이 있어 흥미를 끈다. 산소의 발견자는 누구일까?(1장), 지구에서보다 태양에서 먼저 발견된 헬륨(2장), 부지런했으며, 검소했고, 겸손했던 과학자(3장), 제5차 솔베이회의에서의 결투(7장) 등은 가볍게 쉬어 가며 흥미롭게 읽을 수 있다.

양자역학은 현대 과학의 바탕을 이루고 있는 역학이다. 따라서 현대 과학을 이해하기 위해서는 양자역학을 이해해야 한다. 이 책은 양자역학이 탄생하게 된 배경에서부터 양자역학이 성립되는 과정, 우리 생활 속에서 양자역학이 어떻게 이용되고 있는지를 재미있고 알기 쉽게 설명한다. 양자역학이 어렵고 난해하다고 생각하는 사람들에게 좋은 안내서가 될 것이다.

작가의 말 4

1장 원자로 이루어진 세상
카를스루에의 칸니차로 ∴ 012
4원소설 ∴ 016 일정성분비의 법칙과 배수비례의 법칙 ∴ 018 원자론 ∴ 020
아보가드로의 가설 ∴ 024 2원자 분자의 문제 ∴ 027
양자 세상 산책: 산소의 발견자는 누구일까? ∴ 030

2장 원자가 내는 빛 그리고 주기율표
분젠과 키르히호프, 그리고 마이어와 멘델레프 ∴ 034
원소가 내는 빛 ∴ 038 발머와 수소 스펙트럼 ∴ 042 주기율표의 발견 ∴ 046
양자 세상 산책: 지구에서보다 태양에서 먼저 발견된 헬륨 ∴ 050

3장 원자도 쪼개진다
원자에서 방사선이 나온다 ∴ 054
음극선관과 음극선 ∴ 058 엑스선의 발견 ∴ 059 퀴리 부부와 새로운 원소 발견 ∴ 062
전자의 발견 ∴ 065 러더퍼드와 방사선 ∴ 068
양자 세상 산책: 부지런했으며, 검소했고, 겸손했던 과학자 ∴ 072

4장 원자의 내부 구조를 밝혀라
러더퍼드의 실험 ∴ 076
원자모형 만들기 ∴ 079 톰슨의 원자모형 ∴ 080 한타로의 토성 모형 ∴ 082
러더퍼드의 원자모형 ∴ 084 러더퍼드 원자모형의 문제점 ∴ 086
양성자의 발견 ∴ 089 중성자의 발견 ∴ 091
양자 세상 산책: 분자의 존재를 증명한 브라운 운동 ∴ 094

5장 양자화된 에너지
흑체복사의 문제 ∴ 098
양자화된 에너지 ∴ 102 광전효과의 문제 ∴ 107 아인슈타인의 광량자설 ∴ 109
양자 세상 산책: 적외선 온도센서의 원리 ∴ 115

6장 보어의 원자모형
보어와 발머의 식 ∴ 120
보어의 원자모형 ∴ 124 조머펠트의 고전 양자론 ∴ 129 수소 스펙트럼 ∴ 132
부양자수의 도입 ∴ 136 파울리의 배타원리 ∴ 138
양자 세상 산책: 누가 먼저 총을 쏠까? ∴ 141

7장 물질파 이론과 슈뢰딩거 방정식
물리학자가 된 왕자 ∴ 146
물질파 이론 ∴ 150 실험을 통한 증명 ∴ 152 슈뢰딩거 방정식 ∴ 154
확률적 해석 ∴ 157 불확정성 원리 ∴ 161
양자 세상 산책: 제5차 솔베이회의에서의 결투 ∴ 164

8장 양자역학의 원자모형
이름표를 붙여줘 ∴ 168
양자수와 물리량 ∴ 172 전자 확률 구름 ∴ 178 주기율표 ∴ 181
양자 세상 산책: 원소들은 어디에서 만들어졌을까? ∴ 187

9장 이상한 양자역학의 세상
포유동물과 새들의 전쟁 ∴ 192
측정과 상보성 원리 ∴ 196 광자 재판 ∴ 199 슈뢰딩거의 고양이 ∴ 201
EPR 역설 ∴ 208
양자 세상 산책: 양자역학 밖으로 나간 상보성 원리 ∴ 212

10장 양자역학의 이용
두 개의 노벨상을 받은 과학자들 ∴ 216
세상을 바꿔놓은 다이오드와 트랜지스터 ∴ 219 초전도체 ∴ 224
터널링 효과와 USB 메모리 ∴ 226 터널링 현상을 이용하는 현미경 ∴ 229
양자 세상 산책: 눈앞에 다가온 양자컴퓨터 세상 ∴ 232

원소가 아주 작은 양으로 나누어질 수 있는 연속된 물질이라면 어떻게 이렇게 항상 정수비를 이룰 수 있을까? 이것은 고대 원소설로는 설명할 수 없는 커다란 수수께끼였다. 물질 사이의 화학반응을 제대로 설명하기 위해서는 이런 수수께끼를 해결해야 했다. 영국의 존 돌턴은 이런 문제를 해결하기 위해 원자론을 제안했다. _20쪽

원소가 내는 선스펙트럼에는 원자에 대한 비밀이 숨어 있는 것이 틀림없었다. 어쩌면 원자가 내는 스펙트럼은 원자의 내부를 들여다볼 수 있는 창이 될는지도 몰랐다. 원자가 어떻게 특정한 선스펙트럼 을 내는지를 설명하는 것은 이제 원자를 연구하는 물리학자나 화학자들이 해결해야 할 가장 큰 숙제가 되었다. _42쪽

톰슨은 이 미립자가 음극을 이루고 있는 원자에서 나온다고 주장했다. 그것은 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이가 아님을 확실히 하는 것이었다. 톰슨이 미립자라고 부른 이 입자를 과학자들은 전자라고 부르기 시작했다. _67쪽

앞에서 양자量子는 물리량의 가장 작은 단위를 나타내는 말이라고 했다. 따라서 광량자光量子는 빛이 가지고 있는 에너지 알갱이라는 뜻이 된다. 다시 말해 광량자라는 말은 빛이 연속적인 에너지를 가지는 것이 아니라 불연속적인 값만을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 후에는 광량자라는 말 대신 빛 알갱이를 의미하는 광자라는 말을 사용하게 되었다. _110쪽

슈뢰딩거는 수소의 원자핵과 전자 사이에 작용하는 전기력에 의한 위치에너지를 슈뢰딩거 방정식에 대입한 후 방정식을 풀어 수소 원자핵 주위를 도는 전자들의 파동함수를 구하고 그 파동함수들로부터 전자가 어떤 물리량들을 가져야 하는지를 계산해냈다. 그 결과는 놀라운 것이었다. 보어의 원자모형에서 설명한 전자들의 에너지를 모두 구할 수 있었을 뿐만 아니라 전자들의 양자역학적 상태를 나타내는 네 가지 양자수가 어떤 값들을 가져야 하고, 그것이 어떤 물리량을 나타내는지를 알아낼 수 있었다. _156쪽

슈뢰딩거 방정식을 통해서 우리가 알 수 있는 것은 전자가 특정한 지점에서 발견될 확률뿐이다. 양자역학의 계산을 통해 전자가 발견될 확률이 높은 곳은 진하게 나타내고 확률이 적은 곳은 옅은 색으로 나타내면 구름 같은 모양이 만들어진다. 이 구름은 전자의 모양이 아니라 전자가 발견될 확률을 나타내는 확률 구름이다. _178쪽

양자역학의 설명은 우리의 상식으로 이해할 수 없는 것들이 많이 있다. 그러나 아직 양자역학이 예측한 결과가 틀렸다는 결정적인 증거를 찾아내지 못했다. 따라서 과학자들은 양자역학이 이상한 것이 아니라 원자보다 작은 세상이 이상하기 때문에 이런 세상을 설명하는 양자역학이 이상해 보일 수밖에 없다고 생각하고 있다. _211쪽