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거짓말보다 더 거짓말 같은 과학!
현대 문명을 바꿔 버린 새로운 패러다임, 양자역학
어려운 공식, 복잡한 숫자가 없는 알기 쉬운 양자역학 이야기

과학 시간에 우리는 모든 물질은 원자로 되어 있고 원자는 핵과 전자로 이루어져 있다고 배웁니다. 우리가 마시는 물도, 발 디디고 서 있는 땅도, 심지어 우리 몸마저도 쪼개고 또 쪼개다 보면 원자가 되지요. 원자와 전자 같은 작은 입자들의 세계에서는 기존의 상식이 통하지 않습니다. 거시 세계와 달리 미시 세계의 입자들은 양자역학이라는 낯설고 이상한 물리 법칙을 따라 돌아가기 때문입니다. 노벨상을 수상한 물리학자 리처드 파인만조차 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 아무도 없다고 말했을 정도로, 양자역학은 기묘한 방법으로 자연을 서술하고 있습니다. 하지만 양자역학의 이론과 실험 결과는 정확하게 일치하며, 오늘날 우리가 누리는 현대 과학 문명은 양자역학 없이는 불가능하지요. 만물을 구성하는 기본 단위인 원자와 원자 안의 전자와 같은 작디작은 입자들의 움직임을 이해하는 학문인 양자역학. 미래생각발전소 시리즈 제21권 『양자역학, 보이지 않는 세계를 열다』는 인류가 눈에 보이지 않는 미시 세계에 눈뜨게 만든 양자역학에 대해 어린이들이 알기 쉽게 들려주는 책입니다.
100여 년 전, 서양의 과학자들은 물리학은 이제 완성되었다고 생각했습니다. 뉴턴 역학과 맥스웰의 전자기학만으로 자연에서 일어나는 거의 모든 현상을 설명할 수 있었기에 더 이상 새로운 물리 법칙은 나올 것이 없다고 생각했지요. 그런데 물질을 그 특성을 잃지 않는 범위에서 쪼개고 쪼개다 보면 도달하는 기본 단위인 원자에 대한 연구가 시작되면서 이 생각은 흔들리기 시작합니다. 원자나 원자핵을 도는 전자 수준의 작디작은 입자들의 세상에서는 기존의 물리 법칙이 전혀 통하지 않았기 때문이었지요. 이러한 미시 세계의 존재들은 순간 이동을 하거나 서로 다른 두 가지 상태가 중첩되어 있다가 관측하는 순간 하나의 상태로 결정되기도 하고, 짝을 이룬 두 입자를 우주 양 끝에 떨어뜨려 놓아도 똑같이 행동하는 등 도무지 이해할 수 없는 불가사의한 행동을 합니다. 이전의 물리학으로는 이런 미시 세계의 입자들의 행동을 설명할 수 없었지요. 그 미시 세계를 분석하려면 완전히 다른 새로운 관점이 필요했는데 그래서 등장한 것이 양자역학입니다.
양자역학의 첫 시작은 1900년 양자역학의 아버지라 불리는 독일의 물리학자 막스 플랑크가 열었습니다. 플랑크는 19세기 말 과학계의 최대 난제였던 흑체 복사 문제를 연구하다가 에너지는 불연속적인 최소한의 양만을 가질 수 있다는 ‘에너지의 양자화’라는 개념을 도입합니다. 양자역학이 등장한 20세기 초부터 기존 물리학은 고전 물리학으로, 이후의 물리학은 현대 물리학으로 각각 불리게 되지요. 막스 플랑크가 양자역학을 탄생시켰다면 닐스 보어는 양자역학이 주류 과학 이론으로 자리 잡게 만든 과학자로, 플랑크의 양자론을 이용해 새로운 원자 모델을 만들었습니다. 전자와 같이 입자로 이루어진 물질이 파동적 특성도 갖고 있다는 물질파 이론을 제시한 드브로이, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 파악할 수 없다는 불확정성의 원리를 발표한 하이젠베르크 등 여러 과학자들을 거치면서 양자역학은 점점 더 발전하기 시작했습니다. 1927년 솔베이 과학 회의에서 고전 물리학과 양자역학은 정면으로 부딪치게 됩니다. 보어, 하이젠베르크 등 양자역학 찬성파와 아인슈타인과 슈뢰딩거 등 반대파가 치열한 토론을 벌이지요. 아이러니하게도, 양자역학에 회의적이었던 슈뢰딩거는 하나의 사고 실험으로 모호했던 양자역학의 핵심 개념을 한 방에 이해시키기도 합니다. 살아 있는 상태와 죽은 상태가 중첩되어 있다가 관측되는 순간 하나로 결정된다는 ‘슈뢰딩거의 고양이’가 바로 그것이지요.
그러나 양자역학은 물리학자들만의 논쟁거리로만 남지는 않았습니다. 텔레비전, 냉장고, 컴퓨터, 스마트폰 등등 우리가 쓰는 모든 전자제품은 양자역학이 설명하는 전자 원리로 작동하기에 양자역학은 현대 전자 문명의 기반이라고 할 수 있습니다. 양자역학 원리를 이용하여 해킹 불가능한 암호 방식인 양자 통신, 슈퍼컴퓨터가 1만 년이 걸리는 계산을 200초면 끝내 버리는 양자컴퓨터 등 미래의 과학 기술 역시 양자역학이 선도하고 있으며, 더 나아가 양자역학은 우주의 기원과 진화, 철학과 문학, 예술 분야까지 전방위로 영향을 미치고 있습니다. 현대 기술 문명 탄생의 주역이자 미래를 열어 나갈 중요한 학문인 양자역학은 이제 살면서 누구나 한번쯤은 만나야 할 교양이 되었습니다. 이 책을 통해 어린이 독자들은 놀랍고 기묘한 양자역학의 매력에 빠져들 수 있을 것입니다.

세상에 흩어져 있는 온갖 지식, 새롭게 체계를 잡다!
지식의 새로운 형태를 제시하는 ‘미래생각발전소’ 시리즈

미래생각발전소는 하나의 소재를 중심으로 그와 관련된 정치, 경제, 사회, 문화, 역사 등을 새롭게 통합하여 보여 준다. 하나의 소재에 대해 학년과 영역별로 나뉘어 흩어져 있는 단편적인 지식과 정보들을 한데 모으고 새롭게 체계를 잡아 다양하면서도 깊이 있는 지식을 제공하고자 기획된 시리즈이다.

출간 순서
1. 검은 눈물, 석유
2. 문명의 수레바퀴, 철
3. 푸른 미래, 바다
4. 위기의 밥상, 농업
5. 바람과 태양의 꽃, 소금
6. 흙으로 빚은 역사, 도자기
7. 믿음의 불편한 진실, 종교
8. 역사를 바꾼 위대한 알갱이, 씨앗
9. 경제의 핏줄, 화폐
10. 지구와 인간의 생명줄, 물
11. 달콤한 속에 숨겨진 진실, 초콜릿
12. 숨은 권력, 미디어
13. 미래 세계의 중심, 인공지능
14. 인류만이 남기는 흔적, 쓰레기
15. 자연의 마지막 경고, 기후 변화
16. 두 얼굴의 에너지, 원자력
17. 자연의 역습, 감염병
18. 교통수단, 세상의 거리를 좁히다
19. 산업의 쌀, 반도체
20. 무한 청정에너지의 꿈, 신재생 에너지
21. 양자역학, 보이지 않는 세계를 열다

머리말 … 4
Chapter1 양자역학의 위대한 탄생
용광로의 비밀 … 11
양자역학의 기초 지식 하나, 연속성과 불연속성 … 15
양자역학의 기초 지식 둘, 입자와 파동 … 18
양자역학의 기초 지식 셋, 전자기파 … 22
흑체 복사 미스터리 … 27
에너지가 불연속적이란 게 무슨 말일까? … 30
양자역학이 탄생하다 … 33
미시 세계의 물리학 … 36

Chapter2 라플라스의 악마는 없다
결정론이란 무엇일까? … 43
과연 원자의 실제 모습은? 원자 모형 … 46
머리 큰 물리학자 닐스 보어 … 49
귀족 물리학자 드브로이 … 53
뭐? 확률이라고? … 57
라플라스의 악마는 없다 … 61
[생각발전소] 감자 캐던 과학자 러더퍼드 … 65

Chapter3 살아 있으면서 죽은 고양이
이중 슬릿 실험 … 71
대격돌, 고전 물리학 대 양자역학 … 74
살아 있으면서 죽은 고양이 … 78
안톤 차일링거의 실험 … 82
[생각발전소] 여러 개의 세계, 여러 개의 나 … 85

Chapter4 떨어져도 우리는 한 몸, 양자 얽힘
암호 이야기 … 91
암호 키 이야기 … 94
스핀 이야기 … 99
양자 얽힘 … 102
베르틀만의 짝짝이 양말 … 105
꿈의 양자 통신 … 109

Chapter5 괴물 양자 컴퓨터
트랜지스터 크기를 줄여라 … 115
벽을 뚫고 나간다, 양자 터널링 … 118
쇼어 알고리즘은 뭘까? … 121
큐비트란 무엇일까? … 124
양자 컴퓨터는 세상을 바꿀 수 있을까? … 127
[생각발전소] 양자 컴퓨터와 비트코인 … 130

Chapter6 우리 생활 속 양자역학
양자역학이 없으면 전자 문명도 없다 … 137
세상에서 가장 정확한 시계 … 140
전자계산기와 USB … 143
철새의 이동과 광합성 … 146
[생각발전소] 전자와 전류의 방향이 다른 이유 … 150

양자역학의 기초 지식 둘, 입자와 파동
과녁을 향해 총을 빵! 하고 쏩니다. 탄환은 과녁에 명중합니다. 조준이 빗나가면 옆 과녁에 맞을 수도 있지만, 탄환이 나의 과녁과 옆 과녁에 동시에 맞는 일은 일어나지 않아요. 어떤 시간에 하나의 장소에만 존재하는 것, 물리학에서는 이것을 입자라 불러요.
입자는 모래알 같은 덩어리지만, 너무 작아서 인간의 눈에 보이지 않아요. 원자, 전자가 대표적인 입자에요. 입자는 비록 미세하지만, 질량도 있고, 전자총으로 전자를 발사하면 바람개비도 돌릴 수 있어요. 탄환은 이런 입자들이 잔뜩 뭉친 형태에요. 인간도, 고양이도, 책도, 해바라기도, 태양도, 세상의 모든 생명체와 물질은 입자 덩어리예요. 그런데 입자와 정반대의 성질이 있어요. 파동이에요.
가수의 목소리는 객석에 흩어진 관객 귀에 동시에 들어갑니다. 한 대의 공유기가 뿜어내는 와이파이로 지하철 승객들은 동시에 인터넷에 접속할 수 있습니다. 소리와 와이파이는 물결처럼 넓게 퍼져 나가는 성질을 갖고 있기 때문이에요. 이것을 파동이라 불러요. 입자가 물질이라면, 파동은 물질이 아니라 현상이에요. 한 곳에서 다른 곳으로 에너지를 전달하는 역할을 하지요. 지진파는 땅이 흔들리는 강력한 지진 에너지를, 음파는 소리의 에너지를 전달해요. -18~20쪽 중에서-

살아 있으면서 죽은 고양이
양자역학에서 말하는 관측은 단지 본다는 행위만을 뜻하지 않아요. 관측의 의미는 굉장히 넓어요. 측정하기 위해 꼭 눈을 뜨고 있을 필요는 없어요. 냥냥이가 쿨쿨 자고 있어도 그 존재만으로 측정이 되었다고 양자역학은 간주해요. 고양이와 같은 생명체는 물론 공기에 들어 있는 산소, 질소 분자도 측정에 영향을 미쳐요. 원자가 공기 분자와 부딪히면 즉시 중첩 상태가 붕괴하기 때문이에요. 말하자면, 전 우주가 측정에 관여하는 거예요.
양자역학은 인간도 얼마든지 중첩 상태를 가질 수 있다고 말합니다. 그런데도 인간이 입자 상태만 가지는 건 수많은 원자로 이루어져 있어서예요. 입자들끼리 서로 치열하게 관측하고 있어서 중첩이 붕괴한 거예요.
슈뢰딩거의 의도대로 일은 풀리지 않았어요, 양자역학을 도무지 이해할 수 없었던 사람들이 이 논문을 읽고 “뭐야, 양자역학이 이런 거였어?”라며 고개를 끄덕거리기 시작했어요. 슈뢰딩거의 고양이에는 양자역학의 핵심 포인트들이 친절하게도 잘 정리되어 있었거든요. 이때부터 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학을 상징하는 대표적 아이콘이 되었어요.
-81쪽 중에서-