한빛출판네트워크

“지금까지 이토록 쉽고 재미있는 양자역학 책은 없었다!“

빛의 개념부터 시간여행까지, 아인슈타인부터 파인먼까지

세상의 모든 것을 설명하는 양자역학 안내서

누구나 살면서 한 번쯤 막연하게나마 힉스 보손의 존재라던가 양자 컴퓨터에 이르는 것들의 이름을 들어보았을 테다. 하지만 과연 이들의 존재를 진정으로 이해하는 사람은 몇이나 될까? 

영국의 유명 과학 교사이자 《양자역학 이야기》의 저자 팀 제임스는 이토록 매우 기이하면서도 매혹적인 양자역학과 입자물리학을 특유의 입담과 유쾌한 농담을 통해 누구나 이해할 수 있도록 안내한다. 아인슈타인, 보어, 슈뢰딩거, 파인먼과 같은 익숙하면서도 어딘가 낯선 과학자들의 흥미로운 이야기부터 결코 불가능해 보이는 이론을 검증하기 위해 고안된 다양한 실험의 역사까지 빠짐없이 소개했다. 게다가 복잡하기만 한 수학 공식이나 끝도 없이 늘어진 숫자 대신 저자가 직접 손으로 그린 삽화와 과학 이론과 관련한 재미있는 농담들은 양자역학 개념의 이해를 도울 뿐만 아니라 책을 읽는 즐거움까지 더한다. 

더 주목할 점은 정보와 재미 두 가지 토끼를 모두 놓치지 않았다는 점이다. 저자는 책 말미에 1618년 빛을 파동이라고 주장한 데카르트의 이론부터 2018년 마이클 배너가 개발한 ‘양자북’에 이르기까지 양자물리학과 입자물리학의 발전을 한눈에 파악할 수 있도록 정리한 연대기를 소개했다. 더불어 본문에서 미처 소개하지 못한 양자역학과 관련한 최신 이론과 다양한 공식을 소개해 지적 호기심에 목마른 독자들의 갈증을 채워준다. 《양자역학 이야기》와 함께 지금껏 알지 못했던 물리학의 세계를 신나게 탐험해보자.

머리말_최후

1장 자신감에 부풀다

2장 조각난 빛

3장 귀족, 폭탄 그리고 꽃가루

4장 괴짜 길들이기

5장 상황이 한층 더 이상해진다

6장 상자와 고양이

7장 세상은 신기루다

8장 양자는 사라져야 한다

9장 원격전송, 타임머신 그리고 소용돌이

10장 양자역학으로 내가 배트맨임을 입증하다

11장 저 먼 들판에

12장 직선과 물결선

13장 입자물리학이 몸집을 불리다

14장 여보, 내 힉스 보손 어디 있어?

15장 G가 일으킨 문제

양자물리학&입자물리학 연대기

부록

감사의 말

주

슈뢰딩거의 고양이는 어떻게 되었을까?

그래서 빛은 입자라는 거야, 파동이라는 거야?

배울수록 어렵고 알쏭달쏭하게만 느껴지는 이들을 위한 양자역학 입문서

양자역학 개념을 알게 된 이래, 복잡하기만 한 양자역학 이론을 완전히 이해하는 것은 무척 수고스럽고 또 동시에 불가능한 일인 것처럼 보인다. 노벨상 수상자인 리처드 파인먼조차 “양자물리학을 이해하는 사람은 아무도 없다”라고 이야기했다고 하니, 우리와 같은 평범한 사람들이 양자물리학을 파악하게 될 가능성은 조금도 없는 듯하다. 

하지만 다행스럽게도 파인먼이 이해하지 못한다고 말한 이유는 양자물리학이 너무 어렵기 때문은 아니었다. 파인먼은 양자역학이 짜증이 날 정도로 이상하기 때문이라고 그 이유를 설명했다. 양자역학은 일반적인 규칙을 따르지 않는 네 변을 가진 삼각형이나, 10보다 작지만 10억보다 큰 숫자와 같이 터무니없는 존재와 같다. 

그렇다면 이처럼 알면 알수록 알쏭달쏭하고 이해할 수 없는 새로운 이야기가 끊임없이 등장하는 양자역학의 기본 개념은 도대체 무엇이며, 이렇게 ‘짜증 나는’ 대상을 이해하려 평생을 바쳐 연구하는 괴짜 과학자들은 어떤 사람들일까?

빛의 개념부터 시간여행까지, 아인슈타인부터 파인먼까지

인기 과학 교사가 어려운 공식도, 복잡한 숫자도 없이 

유쾌하게 설명하는 세상에 둘도 없는 양자역학 이야기

《양자역학 이야기》는 빛을 이해하려는 인류의 첫 노력에서부터 이야기를 시작한다. 기원전 5세기경 빛에 관한 이론을 세운 그리스 철학자 엠페도클레스를 시작으로, 처음 빛의 파동설을 주장한 르네 데카르트의 등장, 그리고 이에 반하며 미립자 이론을 제시한 심술궂은 아이작 뉴턴, 하지만 뉴턴이 죽고 70년이 지난 뒤 그토록 유명한 이중 슬릿 실험을 통해 빛 이론을 정리한 토머스 영에 이르기까지 저자는 마치 그 시대에 직접 살고 있는 듯 현장감 있고 흥미로운 방식으로 빛과 얽힌 다양한 이야기를 전한다. 그의 이야기를 따라 읽다 보면 우리는 어느새 복잡하기만 한 양자역학 정복을 위한 첫발을 떼었음을 깨닫게 될 것이다. 

이야기는 시간의 흐름에 따라 계속된다. 알베르트 아인슈타인이 플랑크에게 빛의 구성 성분이 입자라고 주장하는 논문을 제출한 순간, 보어의 양자론, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 슈뢰딩거가 방정식으로 파동함수를 계산하고 전자에 관한 완벽한 설명을 이루었을 때, 또 그의 고양이(!)가 상자에 담겨 양자역학에 등장한 순간, 순간이동 및 일반 상대성 이론과 같은 다양한 양자역학 이론의 발견과 이를 증명하기 위한 실험들이 등장하며 이야기는 끊임없이 나아간다. 

그저 이들의 이름을 들었을 뿐인데 머리가 복잡해졌는가? 걱정할 것 없다. 낯선 개념에 흥미를 잃을 새도 없이 저자 팀 제임스는 특유의 입담과 독특한 유머 감각으로 끊임없이 분위기를 환기한다. 그가 직접 손으로 그린 삽화는 또 어떤가! 복잡한 수식이나 머리 아픈 숫자 없이도 복잡하기 짝이 없는 양자역학의 이론을 단번에 이해할 수 있도록 돕는다. 

저자의 친절과 다정함은 여기서 그치지 않는다. 책의 말미 양자물리학과 입자물리학의 발전을 한눈에 파악할 수 있는 연대기를 함께 실었다. 본문에서 정신없이 독서의 즐거움에 빠져있던 독자라면 이 페이지를 통해 양자역학의 개념을 한 번 더 정리할 수 있을 것이다. 

《양자역학 이야기》는 접근조차 어려웠던 양자역학의 세계를 쉽고 재미있게 소개하는 탁월한 입문서다. 지금까지 겁에 질려 양자역학과 가까워질 기회를 얻지 못했던 독자라면 《양자역학 이야기》과 함께 즐거운 물리학 여행을 시작해보자. 

▶ 《양자역학 이야기》를 먼저 만난 독자들이 건넨 찬사!

-복잡한 수식 없이 양자역학을 이해하고 싶다면 당장 이 책을 집어들라!  

-유머가 가득한 매력적인 책.

-자녀가 양자역학과 물리학에 관심을 갖길 바란다면 바로 이 책이 정답이다.

-지금까지 읽은 양자역학 도서 중 가장 쉽고 재미있다. 

-양자역학이라는 복잡하기 짝이 없는 주제를 이토록 쉽게 설명하다니!

-양자역학 이론의 발전과 여러 과학자들에 대한 통찰력 있으면서도 현실적인 설명을 제공한다.

책 속으로

누군가 여러분에게 네 개의 변을 가진 삼각형을 그리라고 하거나, 10보다 작지만 10억보다 큰 숫자를 떠올려보라고 했다고 가정하자. 그러한 요구 사항이 복잡한 것은 아니지만, 터무니없는 탓에 쉽게 따를 수 없다. 양자물리학에 이르는 길도 그와 비슷하다. 양자물리학은 일반적인 규칙을 따르지 않는 네 변 삼각형과 숫자가 존재하는 세계다. 평행우주와 모순이 여기저기 숨어 있고, 사물들은 공간이나 시간에 신경 쓸 필요가 없다. 

-9쪽, 머리말

이 같은 기묘한 현상은 물리학자 파울 에렌페스트가 ‘자외선에 일어난 파탄’6이라 불렀고, 그 후 많은 물리학 책에서 ‘자외선 파탄’으로 언급되며 유명해졌다. (…)자외선 파탄은 빛에너지 작용에 대한 잘못된 생각이 빚어낸 결과다. 이 잘못된 생각을 조금씩 수정해가다가 마침내 인류가 양자 혁명의 길로 들어서게 되리라고는 누구도 예상하지 못했다. 자외선 파탄 문제에 답을 제시한 인물조차도 그토록 혁신적인 일을 하려고 했던 것은 아니었다. 값싼 전구를 만들고 싶었을 뿐이었다.

-23쪽, 1장_자신감에 부풀다

1926년 이전에는 양자 이론과 느슨하게 연결된 여러 실 가닥이 존재했을 뿐이다. 하지만 슈뢰딩거가 그 가닥들을 한데 모아서 엮었다. 그는 파동-입자 이중성이 전자껍질의 에너지 준위와 연결되어 있음을 보여주고, 그것으로 원자 오비탈의 형태와 관련된 모든 화학 현상을 설명했으며 확률을 이용하면 입자를 예측할 수 있다고 밝혔다.

-81쪽, 4장_괴짜 길들이기

지금쯤이면 양자역학의 모든 이론이 틀렸다고 머지않아 판명된다는 것을 여러분도 눈치챘으리라 생각한다. 과학을 잘 모르는 사람들 눈에 이러한 상황은 과학자가 항상 불확정성 상태에 놓여 있는 듯 불안해 보이겠지만(하이젠베르크식 말장난 좋아하는 사람?) 사실 이 모든 상황은 정상이다.

-85쪽, 5장_상황이 한층 더 이상해진다

<토이 스토리>는 양자역학에 관한 내용이다. 장난감 주인 앤디가 관찰할 때면 주인공 우디는 평범한 장난감처럼 굴다가 앤디가 보지 않으면 살아 움직인다. 앤디는 장난감이 살아 있는 상태를 전혀 보지 못하고, 평범한 장난감으로만 취급한다. 하지만 앤디가 장난감을 신중하게 관찰한다면 매번 조금씩 다른 위치에 놓여 있음을 눈치챌 수 있을 것이다. 

입자도 비슷하다. 우리가 입자를 보지 않으면 입자는 우리가 보고 있을 때와 상당히 다르게 행동하는 것 같다. 슈뢰딩거 방정식을 이용해 입자가 최후에 어떠한 결과를 가져올지는 추측할 수 있지만, 매번 무슨 일이 일어날지 정확하게 예측하는 것은 불가능하다. 

_109쪽, 7장_세상은 신기루다

다 상자에 담아 각각 태양계 양 끝으로 보낸다. 한쪽 끝에 있는 상자를 열어 빨간색 고양이를 발견하면, 그와 동시에 다른 상자에 무엇이 들어 있는지 알 수 있다. ‘녹색 고양이’라는 정보가 우주를 가로질러 우리에게 왔다고 비유를 들 수는 있겠지만 실제 두 상자 사이에서 무언가가 이동할 필요는 없으므로, 여기서 상대성이론을 위반하는 사항은 없다.

양자적 관점에서 고양이는 특성을 미리 정하지 않으며 측정되는 순간 무작위로 결정된 상태 정보를 텔레파시를 통해 빛보다 빠른 속도로 교환한다. 반면 아인슈타인 관점에서는 언제나 고양이의 특성이 정해져 있다. 단지 측정하기 전에 고양이의 특성을 확인할 수 없을 뿐이다.

-132쪽, 8장_양자는 사라져야 한다

양자역학을 이해하려고 고민하면서 늘 던지게 되는 질문은, ‘그냥 일어나는 일’이라며 아무렇지 않게 넘기는 코펜하겐 해석보다 더 나은 해석이 있는가다. 물리학 교과서 대부분은 코펜하겐 해석을 가르친다. 보어는 학계의 거물이었고, 수십 년 동안 보어의 해석이 유일했기 때문이다. 하지만 오늘날에는 코펜하겐 해석이 더는 유일하지 않다.

고전 개념들을 언젠가 버려야 하는 것은 분명하지만, 모든 양자역학 해석에는 이해할 수 없는 부분이 여전히 남아 있다. 과거 코펜하겐 해석이 성역이었던 시기가 지나자 그것을 대체하기 위한 접근법들은 스칸디나비아식 상차림처럼 다양하게 개발되었다.

-159쪽, 10장_양자역학으로 내가 배트맨임을 입증하다

파인먼 다이아그램은 우아하다. 그러나 아름다운 그림만으로는 노벨상을 받지 못한다. 다만 파인먼 다이어그램이 단지 상상만으로 그려낸 스케치는 아니라는 점에서, 내가 그린 삽화보다 더 낫긴 하다. 아무튼 파인먼 다이어그램은 놀라울 정도로 예측에 강하다.

(…) 그들이 계산한 두 장의 결합상수는 0.00729735256였다. 실험으로 측정된 값은  0.00729735257이다. 이론값과 실험값 사이에 소수점 10자리가 일치한다. 이러한 정확도를 두고 파인먼은 뉴욕에서 로스앤젤레스까지의 거리를 측정한 값의 오차가 사람 머리카락 한 올보다 작은 것이라고 표현했다. 지금까지 과학계에서 이 정도로 정확한 예측은 없었다.

-205쪽, 12장_직선과 물결선

우리는 세상 만물을 다 알지 못하고, 놀랍도록 흥미진진한 질문들은 여전히 남아 있지만, 양자장 이론이 인류를 올바른 방향으로 안내한다. 이 새로운 영역에서 우리는 지금도 걸음마 중이다. 사실이다. 하지만 더는 눈을 감은 채 앞을 더듬지 않는다. 역사에 있었던 모든 사건은 입자가 장과 상호 작용한 결과물이며, 오늘날 우리는 그 모든 현상을 설명할 수 있는 틀을 갖추었다. 한 가지 문제만 빼면. 양자장 이론은 아직 이것을 다룰 수 없다. 중력.

-267쪽, 15장_G가 일으킨 문제