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수식 없이 떠나는
기기묘묘한 양자의 세계

하나의 물체가 여러 곳에 동시에 존재하고, 천 킬로미터 떨어진 두 개의 입자가 즉시 영향을 주고받으며, 벽이 더 이상 하나가 아닌 세상의 비밀은 무엇일까? 우리의 모든 직관을 무너뜨리는 이 신비로움의 비밀은 바로 ‘양자’다. 양자물리학을 이해하기 어렵다면, 그것은 이 학문이 우리의 가장 근본적인 직관에 깊은 의문을 던지기 때문이다. 그래서 양자물리는 흥미진진한 동시에 당혹스러우며, 다루기에 아주 까다롭다.

『수식 없이 술술 양자물리』는 양자물리학에서 가장 중요한 개념들을 과감한 삽화와 참신한 비유를 통해 이해하기 쉽게 설명한다. 파동함수, 양자화, 불확정 원리, 터널 효과, 결잃음, 양자 얽힘 등 양자물리학에서 기본적이며 가장 중요한 개념들을 총망라하고, 양자 컴퓨터, 초전도성, 양자 생물학 등 이 분야 최신 기술을 소개할 뿐만 아니라, 양자물리학이 생물과 미래, 인류에게 미치는 영향 또한 살핀다.

이 책은 우리 삶 곳곳에 숨어 있는 양자물리학의 원리를 발견하게 하고, 그동안 어렵다는 이유로 외면했던 양자물리학이 어떤 혁신을 이루어냈으며, 영화, 반도체, 핸드폰 등 우리 생활에 얼마나 많은 영향을 미치고 있는지 깨닫게 할 것이다.

“과학자는 새로운 자연 현상을 발견하는 것이 아니라
자연 현상에 관한 새로운 사고방식을 마련한다.”
- 막스 보른(Max Born)

“양자 이론에 충격을 받지 않은 사람은
이를 이해한 것이 아니다.”
- 닐스 보어(Niels Bohr)

“누구도 자신을 속이지 않고서는
양자역학을 이해할 수 없다.”
- 리처드 파인먼(Richard Feynman)

귀가 들리지 않는 베토벤은
어떻게 교향악을 작곡했을까?
말년에 완전히 듣지 못하는 상황에서 베토벤은 도대체 어떻게 최고의 교향곡으로 칭송받는 9번 교향곡 〈합창〉을 작곡했을까? 여기에도 양자물리학의 비밀이 숨어 있다. 베토벤은 피아노를 치며 작곡할 때 피아노 위에 작은 나무막대를 얹어놓고 이 막대를 치아로 꽉 문 채 작업했다. 건반을 누르면 거기서 나온 진동이 피아노의 프레임으로부터 나무막대를 따라 그의 턱뼈까지 퍼져갔고, 턱뼈에서 두개골까지 전달되어 마침내 기능이 조금 남아 있던 내이에 도달해 음을 구별할 수 있었다. 한마디로, 치아를 통해 음악을 들었던 것이다.
그렇다면 소리의 파동은 양자물리학과 어떤 관계가 있을까? 대부분 탁월한 음악가였던 양자물리학의 선구자들은 소리의 파동에서 영감을 얻어 이를 원자 세계에 적용했다. 알베르트 아인슈타인과 루이 드브로이는 뛰어난 바이올리니스트였고, 막스 플랑크와 막스 보른은 식견을 갖춘 피아니스트였다. 닐스 보어의 뛰어난 제자 빅토어 바이스코프는 “삶을 살 가치 있게 만들어준 두 가지는 모차르트와 양자역학”이라고 말할 정도였다. 전자나 원자 같은 양자적 개체는 모두 측정되지 않는 한 파동처럼 움직인다. 따라서 피아노의 원리를 재현하려면 이 입자 중 하나를 작은 상자나 두 벽 사이에 몰아넣기만 하면 된다! 입자 자체가 파동이기 때문에 소리를 전달하기 위한 공기도 필요 없다.

현대 물리학의 역사를 한눈에!
『수식 없이 술술 양자물리』는 양자물리학의 토대를 마련한 시기의 물리학자들부터 양자물리학의 기틀을 세운 물리학자들까지, 한눈에 살펴볼 수 있는 양자물리학의 계보를 다루고 노벨상에 빛나는 역대 물리학자들의 이론을 간략히 소개한다.
빛 에너지가 불연속적이고 양자화되어 소량의 다발로 발산된다는 가설로 ‘흑체복사’의 해법을 밝혀내 혁명을 일으킨 ‘막스 플랑크’. 빛이 특정 파장에서 금속의 전자를 어떻게 방출시킬 수 있는지 설명하면서 파동을 이루는 것은 광자 전체의 합이 아니라 각각의 광자가 파동인 동시에 입자라는 ‘빛의 파동-입자 이중성’을 주장한 ‘알베르트 아인슈타인’. 아인슈타인의 주장에서 한 걸음 더 나아가 물질을 이루는 입자가 곧 파동이라는 물질파 이론으로 입자-파동 이중성 개념에 결정적 영향을 준 ‘루이 드브로이’. 드브로이의 파동 에너지를 계산할 수 있도록 ‘슈뢰딩거 방정식’을 만들어 양자역학을 정리한 ‘에르빈 슈뢰딩거’. 두 개 이상의 전자나 양성자는 에너지 상태를 동시에 취할 수 없다는 배타 원리를 주장한 ‘볼프강 파울리’. 프리즘을 이용해 빛을 분산시킨 뒤 색깔별로 온도를 측정하는 과정에서 눈에 보이지 않지만 열을 전달하는 전자기파인 적외선을 발견한 ‘윌리엄 허셜’.
그리고 불확정성 원리를 제창한 베르너 하이젠베르크와 양자물리학의 위대한 이론가 리처드 파인먼, 닐스 보어, 막스 보른 등 양자물리학 선구자들과 라디오, 휴대전화, 와이파이 등에 사용되는 헤르츠파의 존재를 증명해낸 하인리히 헤르츠 등 양자물리학을 발전시킨 물리학자들도 함께 만나본다.

현재를 이해하고 미래를 예측하는 양자역학
현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체를 비롯해 현대인의 삶에 지대한 영향을 끼치는 많은 기술의 이론적 바탕이다. 생활과 밀접한 LED 전구, 스마트폰은 물론, 자기 공명 영상, 전자 현미경, 초전도 자석 등 수많은 최첨단 기기도 양자역학의 산물이다. 최근에는 양자역학에 기초를 둔 양자 컴퓨터, 암호 기술 또한 개발되고 있다. 이처럼 양자역학은 과학기술 측면뿐만 아니라 의학, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐 왔다. 양자물리학을 알면 현재를 이해하고 미래까지 예측할 수 있다.
이 책은 양자물리학에서 가장 기본적이고 중요한 개념들을 살펴보고 슈뢰딩거 고양이, 상온 초전도체, 양자 컴퓨터, 양자 얽힘을 이용하는 유럽 울새 등 그 개념을 적용한 사례들도 소개한다. 이 책을 따라 가다 보면, 생소한 개념 때문에 혼란스럽거나 어쩌면 길을 잃을 수도 있지만, 대자연이 이제껏 우리에게 알려주지 않았던 가장 고유한 속성들을 발견하게 될 것이다.

프롤로그 - 왜 양자물리학을 이해해야 할까?

Chapter 1 양자물리학과의 만남: 파동-입자 이중성
Chapter 2 52번째 편지: 파동함수
Chapter 3 세계는 불연속적이다: 양자화
Chapter 4 원자를 그려줘: 원자는 어떻게 생겼을까
Chapter 5 불확실한 물리학?: 불확정성 원리
Chapter 6 벽 통과하기: 터널 효과
Chapter 7 양자물리학의 가장 큰 수수께끼: 측정과 결잃음
Chapter 8 진동하는 고양이: 상태의 중첩
Chapter 9 텔레파시를 주고받는 입자들: 얽힘
Chapter 10 단순한 쌍둥이가 아니다: 구별 불가능성
Chapter 11 모두 함께, 모두 함께!: 페르미온 기체와 보손 기체
Chapter 12 특별 세션 ‘물리학의 우드스톡’: 초전도성
Chapter 13 당신의 컴퓨터 속 고양이들: 양자 컴퓨터
Chapter 14 양자물리학과 우리: 양자물리학이 생물, 미래 그리고 우리에게 미치는 영향

감사의 말
참고문헌
찾아보기

보른은 어려운 용어들로 이뤄진 슈뢰딩거의 파동에 관한 견해를 좋아하지 않는다. “슈뢰딩거의 업적은 결국 순전히 수학적인 것으로, 그의 물리학은 형편없다.” 입자 간 충돌에 관해 계산한 것을 계기로 그는 갑자기 ψ의 진짜 의미를 알아챈다. 파동함수 ψ는 슈뢰딩거의 주장처럼 그저 단순한 파동이 아니라 존재할 확률을 나타낸다. 이 과감한 아이디어는 양자물리학 세계를 이후 아인슈타인을 제외한 모든 물리학자가 수용한 해석인 확률의 불확정성 세계로 끌어들인다.
〈Chapter 2 52번째 편지: 파동함수〉 37쪽
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양자물리학의 선구자 중 한 명인 닐스 보어는 1920년대부터 아주 실용적인 관점을 제시했다. 이 덴마크 학자는 단순한 사실에서 출발한다. 각각의 측정은 실험 대상인 작은 양자적 물체와 그것을 측정하기 위한 ‘큰’ 고전적 물체를 포함한다. 전자는 슈뢰딩거 방정식을 따르고 후자는 뉴턴 물리학의 법칙을 따른다. ‘코펜하겐 해석’이라고 하는 보어의 해석은 우리가 사는 세계를 양자적 측면과 고전적 측면으로 나눌 것을 제안한다.
〈Chapter 7 양자물리학의 가장 큰 수수께끼: 측정과 결잃음〉 127쪽
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양자물리학에서도 같은 계열 입자들은 모두 같아 서로 구분될 수 없다. (…) 구별 불가능성은 우리 세계의 차원에는 존재하지 않는 순전히 양자적인 특성 중 하나다. 그러므로 그것을 우리의 고유한 기준과 직관으로 살펴보기는 어렵다. 이것은 그저 입자들끼리 완벽히 닮아 있다는 것이 아니다. (…) 구별 불가능성은 얽힘, 파동-입자 이중성 또는 불확정성 원리보다 널리 알려지지 않았으나 핵심 개념이다. 이 개념 단독으로 우리 우주를 이루는 원자들의 다양성, 분자 내부의 화학적 결합력, 심지어 금속의 존재까지 책임지고 있다!
〈Chapter 10 단순한 쌍둥이가 아니다: 구별 불가능성〉 174~175쪽
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물리학계의 7대 불가사의를 고르라고 하면 나는 주저 없이 보스-아인슈타인 응축을 꼽을 것이다. 이것 덕분에 지금까지 알려진 것 중 가장 낮은 온도인 절대 영도의 20억 분의 1도 이하라는 기록이 달성되었다. 실험실에서 인위적으로 얻어진 이 온도는 자연 상태의 우주 그 어느 곳보다 10억 배 이상 차갑다! 그런데 이 응축은 놀라우면서 완전히 뜻밖인 양자물리학의 구현이다. 이 학문 연구가 시작된 이래로 우리가 학생들에게 가르치는 바는 이 학문이 개별 입자 또는 기껏해야 분자 같은 나노미터 규모에서만 손에 잡힐 만한 효과를 가진다는 것이다. 그런데 이제 수십억 개의 원자 덩어리가 불확정성 원리, 간섭, 중첩 상태, 얽힘 등 모든 양자물리학의 기이함을 한꺼번에 보여주고 있다.
〈Chapter 11 모두 함께, 모두 함께!: 페르미온 기체와 보손 기체〉 206쪽
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양자 컴퓨터의 수많은 잠재적 사용 분야 중 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 것은 분자 시뮬레이션일 것이다. (…) 이 슈퍼컴퓨터는 더 저렴한 또 다른 화학반응을 개발하는 데도 큰 도움을 줄 것이며, 그 결과 화학공업의 새로운 촉진제가 발견될 것이다. 또 이 컴퓨터를 이용하면 이산화탄소를 고정하거나 광화학 반응을 촉진하는 과정을 연구할 수 있으며, 신약을 위한 분자를 고안하거나 몇 가지 암 치료에 핵심 역할을 하는 단백질 접힘 같은 메커니즘을 시뮬레이션할 수 있을 것이다. 그리고 더 효율적인 배터리 개발을 위한 인공 소재 발견에도 도움을 줄 것으로 기대된다.
〈Chapter 14 양자물리학과 우리: 양자물리학이 생물, 미래 그리고 우리에게 미치는 영향〉 267~268쪽