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알면 알수록 신기한
양자 역학의 세계!

유튜브 강의 조회수
1억 회를 돌파한
교육 분야 인기 유튜버의 최신작!

중학생이라도 1시간이면
이해할 수 있는 양자 역학 ‘초’ 입문!

"양자역학이 앞으로 우리 생활을 얼마나 변화시킬지 상상하는 것만으로도 설레는 미래를 선물받은 것 같은 기분이 듭니다.
이 책은 과학에 대한 호기심과 배움에 대한 열정이 있는 분들은 물론, 이과적인 머리는 1도 없다고 생각하는 일반인들도
양자의 세계에 쉽게 입문할 수 있도록 도와 줄 것입니다."
- 전국과학교사모임 남미란

1시간 만에 쉽게 이해하는
양자 역학의 세계!
《과학은 어렵지만 양자 역학은 알고 싶어》는 수학과 물리를 학원 선생님처럼 알기 쉽게 설명하며 인기를 얻은 일본의 인기 유튜버 요비노리 다쿠미의 4번째 책으로, 전작 《과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어》에 이어 누구나 쉽게 양자 역학의 세계를 1시간 만에 이해할 수 있도록 초보자의 질문에 알기 쉽게 답하는 구성으로 정리한 책이다.
양자 역학은 미시적인 물질세계를 설명하는 현대 물리학의 기본이론으로 고전 물리학에 익숙한 사람들에게는 여전히 낯설고 어렵게 느껴진다. 하지만 최근 ‘양자 컴퓨터’나 ‘양자 전송’ 같은 말을 뉴스에서 자주 듣게 될 정도로 스마트폰이나 컴퓨터의 개발 등에 양자 역학의 지식이 당연하다는 듯이 활용되면서 주목받고 있다. 이 책에서는 그런 친근한 예를 소개하면서 수식을 전혀 사용하지 않고도 양자 역학의 본질을 맛볼 수 있도록 대화식으로 쉽고 재미있게 설명했다. 이 책을 읽고 나면 누구나 양자의 세계에 호기심이 생기며 더 깊이 있게 탐구해 보고 싶어질 것이다.

양자 역학은
‘미시 세계’의 물리학이다
양자 역학은 19세기에 이미 완성된 역학, 전자기학, 열역학 같은 고전 물리학으로는 설명하기 어려웠던 엄청나게 작은 ‘미시 세계’의 물리 현상들의 원인을 파고든 결과 눈에 보이지 않을 만큼 작은 미시 세계의 움직임에 영향을 받는다는 사실을 알게 되면서 탄생했다. 양자 역학은 상대성 이론처럼 우리에게 경험적으로 친숙한 고전 물리학의 규칙이 뒤집히며 도저히 믿기 힘든 결과를 낳는 경우가 많다. 그렇기 때문에 이 세계에서 일어나는 일들을 새로운 관점에서 바라보는 계기가 될 수 있다. 양자 역학의 주요한 4가지 포인트는 다음과 같다.
첫째, 물질은 입자와 파동의 성질을 함께 지니고 있다.
둘째, 관측하기 전까지는 실재를 생각하지 않는다.
셋째, 위치와 속도는 동시에 결정되지 않는다.
넷째, 에너지의 벽을 통과한다.

까다로울 것만 같은 양자의 세계에
한 걸음 더 다가갈 수 있게 도와주는 책
물질의 ‘입자’와 ‘파동’은 누가 보더라도 명백히 다른 상태이다. 그러나 양자 역학이 다루는 미시 세계에서는 어떨 때는 입자가, 어떨 때는 파동의 성질을 보이는 신기한 현상이 관측된다. 이러한 입자와 파동의 두 가지 특징을 지니는 것을 ‘양자’라고 부른다. 또한 양자는 관측하기 전까지는 가능성이 넓게 펼쳐져 있지만, 관측을 시작하면 가능성이 한 점으로 결정되는 ‘비실재성’의 성질도 지니고 있다. 즉 관측이 결과에 영향을 끼치는 것이다. 한편 고전 물리학의 세계와 달리 물질의 위치와 속도가 동시에 결정되는 상태가 될 수 없으며(불확정성), 믿기 힘들지만 입자가 에너지의 벽을 통과하는 현상(터널 효과)도 벌어진다. 한쪽의 상태가 확정되면 다른 쪽의 상태도 확정되는 ‘양자 얽힘’의 관계도 양자의 세계를 설명하는 주요 원리 중 하나다. 이 책에서는 복잡한 수식 없이도 다양한 상황과 그림 등을 이용하여 양자 역학의 원리들을 알기 쉽게 설명하고 있다.

이미 일상에서 이용되고 있는
양자 역학의 원리
쉽게 이해하기 어렵고 믿기 힘든 양자 역학의 이러한 원리들은 의료 분야의 MRI나 제조 분야의 레이저 기술 등에서 이미 이용되고 있다. 0과 1의 가능성이 중첩된 상태인 양자 비트를 이용한 ‘양자 컴퓨터’나 양자 얽힘을 이용한 정보 전달 기술인 ‘양자 전송’ 등이 바로 대표적인 사례이다. 이처럼 우리의 일상생활과 밀접하게 관련이 있지만 여전히 우리는 양자적인 효과를 실감하지 못하고 있다. 이는 거시 세계의 물리 법칙과 미시 세계의 물리 법칙이 어떻게 연결되어 있고 그 경계는 어떻게 이루어져 있는지 아직 밝혀내지 못했기 때문이다. 그렇지만 양자 역학은 우리가 지금 살아가고 있는 세계의 진실에 가장 가까운 것만은 분명하다. 양자 역학의 어려운 개념을 가볍게 정리한 이 책은 양자 역학에 본격적으로 더 깊이 공부하는 계기를 만들어주는 흥미로운 책이 될 것이다.

감수의 글
머리말

HOME ROOM 1 수식 없이도 양자 역학을 이해할 수 있다!
HOME ROOM 2 양자 역학은 새 시대의 필수 교양!
HOME ROOM 3 ‘미시 세계’의 물리학
HOME ROOM 4 ‘미시 세계’에서는 물리 법칙이 달라진다
HOME ROOM 5 양자 역학을 공부하는 의미
HOME ROOM 6 양자 역학의 4가지 포인트

제1장 양자 역학에서 중요한 ‘파동’의 개념
LESSON 1 물리학의 ‘파동’은 어떤 것일까?
LESSON 2 파동의 성질① ‘회절’
LESSON 3 파동의 성질② ‘간섭’

제2장 ‘이중성’이란 무엇일까?
LESSON 4 ‘빛’은 입자일까, 파동일까?
LESSON 5 입자와 파동의 ‘이중성’
LESSON 6 ‘파동’을 통해서 전자의 존재 확률을 생각한다

제3장 ‘보면’ 결과가 달라진다?
LESSON 7 ‘관측’이 ‘결과’에 영향을 끼친다

제4장 ‘터널 효과’란 무엇일까?
LESSON 8 양자 역학의 ‘터널 효과’
LESSON 9 ‘터널 효과’와 태양의 관계

제5장 ‘불확정성’이란 무엇일까?
LESSON 10 슈테른-게를라흐 실험①
LESSON 11 슈테른-게를라흐 실험②
LESSON 12 양자 역학의 ‘불확정성’

제6장 ‘양자 얽힘’이란 무엇일까?
LESSON 13 멀리 떨어져 있어도 보이지 않는 실로 이어진 관계

제7장 양자 역학을 이용한 신기술
LESSON 14 양자 컴퓨터
LESSON 15 양자 전송
LESSON 16 일상생활에서 ‘양자적인 효과’를 실감하지 못하는 이유

본질적으로 미시 세계에서 일어나고 있는 일이 중요해지는 실험에서는 그전까지 인류가 손에 넣었던 물리학을 근거로 예상했던 것과는 다른 결과가 나타났습니다. 그래서 그 원인이 무엇인지 연구한 끝에 탄생한 학문이 바로 ‘양자 역학’입니다.
- p.22 (HOMEROOM 4 - ‘미시 세계’에서는 물리 법칙이 달라진다)

본격적인 수업을 시작하기 전에 양자 역학의 중요한 포인트를 가르쳐 드리겠습니다. 그 포
인트는 모두 네 가지입니다. 1. 물질은 입자와 파동의 성질을 함께 지니고 있다 2. 관측하기 전까지는 실재를 생각하지 않는다 3. 위치와 속도는 동시에 결정되지 않는다 4. 에너지의 벽을 통과한다
- pp.29~30 (HOMEROOM 6 - 양자 역학의 4가지 포인트)

분명히 전자를 입자라고 생각했을 때 설명이 가능한 현상이나 실험이 많은 것은 사실입니다. 실제로 스크린 위에 나타난 흔적도 입자 형태의 점이고요. 하지만 슬릿을 통과하는 동안에는 파동이라고 생각해야 이 현상을 제대로 설명할 수 있지요. 어떨 때는 입자의 성질이 나타나고, 또 어떨 때는 파동의 성질이 나타나는데, 이것을 ‘입자와 파동의 이중성’이라고 부릅니다. - p.70 (LESSON 5 - 입자와 파동의 ‘이중성’)

아무래도 양자의 세계에서는 관측을 했느냐 하지 않았느냐가 아니라 정보가 남는가 남지 않는가가 본질에 가까운 모양입니다. 이처럼 일단 관측한 정보를 지우는 실험을 ‘양자 지우개(Quantum Eraser)’라고 부릅니다. 굉장히 신기한 결과이지만, 이것도 양자 역학의 재미있는 측면이지요. - p.88 (LESSON 7 - ‘관측’이 결과에 영향을 끼친다)

‘정보’라는 것은 그만큼 양자 역학에서는 본질적인 개념이지요. 사실 이번 실험에서 가장 기억해야 할 포인트는 z방향과 x방향의 스핀이 동시에 확정되지 않는다는 것입니다. 양자 세계의 이런 성질을 ‘불확정성’이라고 합니다. (…) 우리의 일반적인 감각으로는 ‘이 전자는 z방향으로 플러스이고 x방향으로 마이너스다’와 같이 두 개의 양이 확정된 것을 상상하기 쉬운데, 양자의 세계에서는 반드시 그런 것만 있지는 않다는 말입니다.
- p.119 (LESSON 12 - 양자 역학의 ‘불확정성’)

가까운 곳에 있다면 어떤 영향을 받는 것이 자연스러운 일이지만, 이 현상은 아무리 멀리 떨어져 있더라도 일어납니다. 이런 것을 물리학에서는 ‘비국소적 상관관계’라고 합니다. 아무리 멀리 떨어져 있어도 보이지 않는 실로 이어져 있는 것 같은 관계이지요. 이것이 바로 ‘양자 얽힘’이랍니다.
- p.130 (LESSON 13 - 멀리 떨어져 있어도 보이지 않는 실로 이어진 관계)

인간도 기본적으로는 양자의 집합이기 때문에 양자 전송을 사용해 다른 장소에서 부활시킨다면 원리적으로는 정보의 전달을 통한 워프(Warp) 같은 초광속 순간 이동도 가능할지 모릅니다. 물론 그렇게까지 거대한 물체의 전송은 현실적으로 어려울지도 모르겠습니다만….
- pp.149~150 (LESSON 15 - 양자 전송)