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『과학하고 앉아있네. 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』는 팟캐스트 방송 ‘과학하고 앉아있네’를 책으로 엮은 교양과학 시리즈 중 그 세 번째 책이다. 과학이 어렵고 딱딱한 것이 아니라는 인식을 대중들에게 널리 퍼뜨리는 데 앞장서면서, 대중들과 함께 재미있는 과학 이야기를 하고자 하는 고품격 콜라보레이션을 추구한다. 다양한 과학자 및 과학 관계자들을 공개적으로 만나볼 수 있는 장을 마련하며, 그들과 함께하는 유쾌한 과학 토크쇼를 접할 수 있다는 것은 과학을 좋아하는 사람들에게는 사막의 오아시스와 같은 기쁨과 즐거움으로 다가올 것이다.

“양자역학, 어디에 쓰는 물건인고?”
500만 조회수의 과학 전문 팟캐스트 〈과학하고 앉아있네〉
최고 인기 과학 팟캐스트를 책으로 만난다!

듣는 재미에서 읽는 즐거움으로
더욱 논리적이고 풍부한 지적 경험

“당신이 알고 있는 것을 당신 할머니가 이해할 수 있도록 설명하지 못한다면
진정으로 이해한 것이 아니다” ㅡ앨버트 아인슈타인

* 이 시리즈는 ‘지금-여기’의 과학적 이슈와 주제를 골라, 우리 모두의 폭넓은 공감을 추구하는 토크형 ‘스낵 사이언스Snack Science’입니다.

현대물리학의 양대 산맥, 양자역학과 상대성이론
신간 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』는 동아시아 출판사의 스낵 사이언스(Snack Science) 시리즈 ‘과학하고 앉아있네’의 세 번째 책이다. 부산대학교 물리교육과 김상욱 교수가 양자역학이라는 어려운 주제에 대해 명쾌하고도 쉽게 이해할 수 있도록 돕는다.
양자역학은 상대성이론과 함께 현대물리학의 양대 산맥으로 불리고 있다. 하지만 미국의 물리학자 리처드 파인만도 “양자역학을 아는 사람은 아무도 없다”라고 말했을 정도로 양자역학에 대해서는 현재까지 약 100년 가까이 의견이 엇갈리고 있는 분야이다. 일반인들은 양자역학에 대해 관심과 흥미는 있지만 쉽사리 덤비지 못하는 편이다. 책은, 어렵기로 악명이 높은 양자역학을 ‘콕 찔러보듯’ 가볍게 접근하는 듯하면서도 핵심을 명쾌하게 짚어서 이야기를 하고 있다.

“고전역학은 더 이상 통하지 않는다” ㅡ기존 물리학을 발칵 뒤엎는 양자역학
양자역학은 뉴턴의 고전역학 개념이나 기존 세계관을 뒤흔들었다. 물리학은 모든 것을 운동으로 이해하고 거기서 가장 중요한 것이 원자의 운동을 이해하는 것인데, 양자역학은 한마디로 원자를 기술하는 학문이라고 할 수 있다. 하지만 그 원자의 구성물인 전자를 두 개의 구멍에 통과시키는 이중 슬릿 실험(Double-slit experiment)을 했을 때 ,입자인 전자가 파동성을 동시에 갖는다는 기존의 물리학을 발칵 뒤엎는 의외의 결과가 발생했다. 우리가 관측을 할 때 광자라고 불리는 빛의 알갱이가 전자의 위치에 영향을 주기 때문이다. 이것을 하이젠베르크는 ‘불확정성원리’라고 불렀다.
양자역학에서는 고전역학의 결정론은 더 이상 통하지 않는다. 우주는 이중성을 가지고 있고, 관측을 할 때 변화가 일어난다. 전자나 원자가 사는 세상과 우리가 사는 세상은 다른 종류의 역학을 사용해야 한다. 즉, 미시세계와 거시세계로 구분하는데 ,이것은 ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 유명한 사고실험을 통해 모순이 생긴다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 우리가 사는 세상도 모든 것이 원자로 되어 있기 때문이다. 그래서 이러한 미시·거시세계의 구분을 애초에 하지 말고 우주 전체가 양자역학적으로 진행하고 있다고 생각하자는 ‘다중 우주’ 같은 ‘다세계’ 이론도 나오고 있다.
이렇듯 양자역학에 대해서는 여러 가지 이론들도 많고, 아직까지 현재 진행형으로 남아 있는 분야이다. 하지만 그 어떤 이론보다 정확한 예측이 가능하기에 고전역학으로 설명하지 못하는 것들 양자역학을 통해 알 수 있다. 일례로, 양자역학이 없으면 도체를 설명할 수 없기 때문에 반도체를 이해할 수 없고, 따라서 지금의 컴퓨터나 스마트폰도 존재할 수 없다.

한 권으로 담은 고전역학과 양자역학 핵심강의
이해하기 어려울 수 있고 공부하려면 많은 시간이 필요할 수 있는 양자역학이지만, 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』에서는 짧은 시간 안에 양자역학의 핵심 개념을 이해할 수 있도록 쉬운 예시를 들어 설명하고 있다. 고전물리학부터 양자역학까지 이 책 한 권은 실제로 대학교 몇 학기 분량의 물리학 강의 내용을 담고 있다. 이해를 돕는 다양한 이미지, 어려운 내용을 보충하여 설명하는 팁박스 등을 통해 물리학이나 양자역학에 대한 사전 이해가 없는 독자들도 두려움을 갖지 않고 재미있고 기묘한 양자역학의 세계를 맛볼 수 있을 것이다.

김상욱 교수의 900자로 이해하는 기발한 양자역학 소개
양자역학은 원자를 설명하는 학문이다. 원자는 그 크기가 1억 분의 1 센티미터 정도에 불과하다. 이런 극미의 세계에서는 일상의 세상과 완전히 다른 법칙이 지배한다. 일상에서 야구공과 소리는 완전히 다르다. 야구공은 입자로서 위치를 정확히 알 수 있다. 소리는 파동으로서 사방으로 퍼져가며 여기저기 동시에 존재할 수 있다. 양자역학이 보여주는 놀라운 특성은 원자가 입자의 성질과 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것이다. 이를 이중성이라 부른다. 입자로서의 원자는 질량을 가지며 속도를 가지고 움직인다. 파동으로서의 원자는 동시에 여기저기 존재하며, 하나의 원자가 둘로 갈라졌다가 다시 만나며 간섭할 수 있다.
원자가 이중성을 갖는다는 것은 기존의 물리법칙과 모순을 일으킬 수밖에 없는데, 이런 모순을 해결하기 위해 새로운 해석이 필요하게 된다. 현재 양자역학의 표준해석을 코펜하겐 해석이라 부른다. 이 해석에 따르면 원자와 같은 미시세계의 대상들은 측정하는 행위가 대상의 성질에 영향을 주게 된다. 이 때문에 원자의 위치나 운동량과 같은 물리량들을 동시에 정확히 결정하는 것이 불가능해진다. 이를 하이젠베르크의 불확정성원리라 부른다. 불확정성원리는 측정기술의 한계에서 오는 것이 아니라 자연이 가진 본질적인 한계이다. 이런 한계 때문에 자연을 완벽하게 기술하는 것이 불가능해지며 이 때문에 물리학에 비결정론이 도입된다. 즉, 원자와 같은 미시세계에서 미래를 정확히 예측하는 것이 원리적으로 불가능하며 오직 확률만을 알 수 있다는 것이다.
양자역학은 물리학뿐만 아니라 자연을 이해하는 철학 전반에 심오한 영향을 주게 된다. 양자역학의 등장으로 인류는 원자를 이해할 수 있게 되었고, 이는 화학, 분자생물학, 유전공학, 재료공학, 전자공학, 컴퓨터, 인터넷 등과 같은 20세기의 모든 첨단 과학기술의 밑바탕이 된다.

스낵 사이언스Snack Science, 언제 어디서든 쉽고 재미있게 읽는 유쾌한 과학 토크
2015년 1월에 스낵 사이언스 시리즈 1, 2권이 동시에 출간되었다. 『과학하고 앉아있네 1: 이정모의 공룡과 자연사』는 서대문자연사박물관 이정모 관장이 공룡에 대한 숨겨진 이야기, 공룡의 멸종과 인류의 출현에 대한 이야기 등으로 푸근한 입담을 과시한다. 『과학하고 앉아있네 2: 이명현의 외계인과 UFO』는 한국 세티(SETI) 이명현 위원장이 외계 지적 생명체와 탐사, 그리고 신비한 우주에 대한 재미있는 이야기를 소개한다. 3권 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』에 이어 출간될 『과학하고 앉아있네 4: 김상욱의 양자역학 더 찔러보기』는 역시 부산대 물리교육과 김상욱 교수가 3권에서 소개한 양자역학 이야기에서 한 단계 더 나아가 심오한 양자역학의 세계를 깊이 있게 파헤칠 예정이다. 『과학하고 앉아있네 5: 윤성철의 별의 마지막 모습, 초신성』은 서울대 물리천문학부 윤성철 교수가 우주 팽창의 비밀을 알려준 초신성에 대한 흥미진진한 이야기를 펼칠 것이다.
“시간과 장소에 구애받지 않고 즐길 수 있는 스낵처럼, 출퇴근 시간이나 점심시간 등에 10∼15분 내외로 간편하게 문화생활을 즐기는 라이프스타일 또는 문화 트렌드”를 말하는 ‘스낵 컬처(Snack Culture)’. 이와 마찬가지로 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 ‘스낵 사이언스(Snack Science)’를 표방한다. 즉, ‘지금-여기’의 과학적 이슈와 주제를 골라, 우리 모두의 폭넓은 공감을 추구하고자 한다. 과학을 즐기고 소비하는 목적은 단순히 학술적 접근이나 상세하게 파헤치며 지식을 쌓는 것에 있지 않다. 이 시리즈는 오히려 그와 반대로, 대중의 눈높이와 함께하며 쉽고 재미있고 가볍게 읽는 책이라고 할 수 있다. 화장실에 갈 때, 출퇴근길 지하철이나 버스 안에서, 팟캐스트 방송을 재미있게 듣고 나서 그 내용을 다시 읽거나 골라 읽고 싶을 때 언제든지 볼 수 있는 책이다.
스낵 사이언스 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 110~130쪽 분량이라 읽을 때 부담감이 없다. 진행자 원종우의 재치 있는 입담과 대담자로 출연하는 각 분야 과학자들의 전문적이면서도 재미있는 토크가 책을 통해 술술 읽힌다. 방송에서 나온 대담을 그대로 글로 옮겨 과학적인 내용에 대한 부담감도 줄어든다. 진지하고 심각한 과학 이야기가 아닌 가볍고 편한 과학 이야기를 언제 이렇게 읽을 수 있을까? 책은 가벼운 분량이지만 그 주제와 내용은 결코 가볍지 않고, 해당 주제에 꼭 필요한 부분을 집약하여 담아내고 있기에 더욱 의미가 크다. 또한 유명한 과학자와 과학 관계자들을 이 시리즈를 통해 다양하게 만나볼 수 있다. 바로 ‘듣는 재미를 읽는 즐거움으로 승화’시킨 시리즈라고 할 수 있다.

‘과학하고 앉아있네’는 무엇? 과학과 대중의 고품격 콜라보레이션
‘과학’이라고 하면 막연히 어렵고 딱딱하고 일반적인 대중들과는 거리감이 있다고 생각하기 쉽다. 실제로 과학에 관심이 있어 무언가를 소비하려고 해도, 그 ‘막연한 어려움’ 때문에 선뜻 다가서기 어렵다. 하지만 그런 대중에게 성큼 다가가 과학은 어렵고 딱딱하기만 한 것은 아님을 몸소 느끼게 해주며, 과학을 함께 즐길 수 있도록 하는 책이 바로 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈이다.
이 시리즈는 동명의 과학전문 팟캐스트 방송을 책으로 엮은 것이다. 팟캐스트 ‘과학하고 앉아있네’는 과학 전반에 걸쳐 다방면으로 일하는 〈과학과 사람들〉이 만든 프로그램으로, 2013년 5월부터 대학로 벙커1에서 과학 토크쇼를 시작하여, 2015년 현재까지도 매주 1회 공개 토크쇼를 진행 중이다. 과학 강의나 강연 등 다양한 프로그램과 이벤트를 통해 과학을 해석하고 의미를 부여하는 “과학과 인문학의 만남”을 이야기하는 것이 바로 ‘과학하고 앉아있네’의 주제라고 할 수 있다. 현재 ‘과학하고 앉아있네’는 팟캐스트에서 조회수 약 500만을 기록하며, 최고 인기 과학 팟캐스트로 자리매김했다.
앨버트 아인슈타인은 “당신이 알고 있는 것을 당신 할머니가 이해할 수 있도록 설명하지 못한다면 진정으로 이해한 것이 아니다”라고 했다. 즉, ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 과학이 어렵고 딱딱한 것이 아니라는 인식을 대중들에게 널리 퍼뜨리는 데 앞장서면서, 대중들과 함께 재미있는 과학 이야기를 하고자 하는 고품격 콜라보레이션을 추구한다. 다양한 과학자 및 과학 관계자들을 공개적으로 만나볼 수 있는 장을 마련하며, 그들과 함께하는 유쾌한 과학 토크쇼를 접할 수 있다는 것은 과학을 좋아하는 사람들에게는 사막의 오아시스와 같은 기쁨과 즐거움으로 다가올 것이다.

1. 살을 빼려면 운동해야 한다
2. 지구를 향해 자유낙하 하는 달
3. “모든 것은 원자로 되어 있다”
4. 하나가 두 개의 구멍을 동시에 지난다
5. 자연이 이상한 게 아니라 우리 머리가 이상해
6. “내가 달을 보지 않으면 달은 거기에 없는 것인가?”
7. 슈뢰딩거의 고양이
8. 우주가 여러 개라고?
9. 양자역학이 없으면 컴퓨터도 스마트폰도 없다
10. 무엇이 실체인지 모르는 양자역학의 세계

우주가 가진 가장 경이로운 점은 바로 다양하다는 거예요. 사람들을 보면 얼마나 다양합니까? 엄청나게 많은 사람이 있지만 생김새도 다르고, 목소리도 다르고, 머리나 피부 색깔도 다르고, 성격도 다 달라요. 사람뿐인가요? 딱딱한 책상도 있고, 말랑말랑한 빵도 있고, 번들거리는 숟가락, 날카로운 칼, 날아다니는 파리, 축축한 걸레, 투명한 유리, 시원한 바람, 푹신한 침대, 배고프다고 칭얼대는 강아지, 내 주변만 해도 세상은 얼마나 다양합니까. 우리 주위만 그런 게 아니라 멀리 다른 곳은 더욱더 다양한 것들이 존재하고 있어요. 하지만 이 모든 것이 원자라고 부르는 똑같은 걸로 되어 있다는 겁니다. 모든 것은 원자로 되어 있죠. 물리학은 모든 것을 운동으로 이해합니다. 결국 물리학에서 가장 중요한 일이 바로 원자의 운동을 이해하는 겁니다. 원자가 어떤 식으로 운동하는지를 기술하는 분야가 바로 양자역학입니다. 이제 양자역학이 얼마나 중요한 것인지 짐작하시겠죠. 한마디로 양자역학은 원자를 기술하는 학문입니다.
/ 36-37쪽

만일 어떤 물체를 봤더니 검은색이라면 그건 고전역학 입장에서는 원래 검은색이었기 때문이죠. 본다는 것은 원래 그 물체가 가지고 있던 그 색깔을 확인하는 겁니다. 그렇지만 양자역학은 내가 보지 않았을 때에는 여기 뭐가 있는지도 이야기를 하면 안 됩니다. 내가 보는 순간 여기 이 물체는 검은색으로 바뀐 겁니다. 그 전에는 무슨 색인지 모릅니다. 측정 전의 상태에 대해 이야기하면 안 된다는 거예요. 이에 대해서 아인슈타인은 일침을 날립니다. “그렇다면 내가 달을 보는 순간 달이 그 위치에 놓이는 거니까, 내가 달을 보지 않으면 달은 거기에 없는 것인가?” 코펜하겐 해석 지지자라면 그렇다고 해야 하는데 어딘가 불편한 느낌이 들지 않나요?
/ 66-67쪽

빛도 입자니까 빛에 맞으면 물체가 흔들릴 수 있다는 겁니다. 보통은 물체들이 워낙 크니까 빛의 입자인 광자에 얻어맞아도 별 영향을 받지 않아요. 하지만 전자같이 작은 녀석은 상황이 다르죠. 여러분이 전자의 위치를 알기 위해서 빛으로 전자를 때려서 맞고 튕겨 나온 빛을 보아야 하는데, 그 순간 전자가 움직인다는 거예요. 관측이 전자 위치에 영향을 주게 됩니다. 설명하지는 않았지만, 위치를 정확히 알려고 하면 할수록 더 높은 에너지를 지닌 광자를 사용해야 합니다. 분해능 이론에 따르면 짧은 파장의 빛을 사용해야만 더 자세하게 볼 수 있습니다. 그런데 플랑크의 이론에 따르면 파장이 짧아질수록 더 많은 에너지를 가지게 됩니다. 결국 여기서도 빛의 파동과 입자의 성질을 다 써서 설명합니다. 양자역학을 공부하다 보면 파동과 입자라는 것을 한꺼번에 쓰게 돼서 종종 혼란스러워져요. 저야 이제 하도 하다 보니 ‘입자의 파장’이니 ‘파동의 위치’ 같은 표현들이 아무렇지도 않지만 말입니다.
어쨌든 이 때문에 전자의 위치를 정확히 알려고 하면 더욱 큰 에너지의, 즉 짧은 파장의 빛을 써야 하고, 그러면 전자가 더 많이 영향을 받게 되지요. 이 말은 전자의 속도가 불확실해진다는 겁니다.
/ 71-72쪽

양자역학이 없으면 우리는 19세기로 돌아가야 합니다. 19세기와 20세기는 과학기술의 관점으로는 양자역학이 있느냐 없느냐로 나눌 수 있습니다. 19세기에도 열역학과 전자기학이 있었죠. 내연기관과 전기기기가 있었다는 겁니다. 하지만 19세기에 없었던 것의 하나가 양자역학입니다. 그래서 반도체 같은 걸 이해하지 못했죠. 양자역학이 없으면 전자를 이해할 수 없으니까요. 따라서 양자역학이 없으면 단연코 컴퓨터는 없습니다. 반도체도 없고, 스마트폰도 없습니다. 지금 스마트폰이 있을 수 있는 것은 1920년대 양자역학을 이해해서 전자를 제어할 수 있었기 때문입니다. 전자를 제어할 수 있게 되었기 때문에 나온 학문이 전자공학입니다. 양자역학이 없으면 전자공학이 없어요. 전자의 운동을 기술하는 게 바로 양자역학이거든요.
/ 108-109쪽