일상적이지만 절대적인 양자역학 50지식

▣ 출판사서평

물리학의 발전을 이끌어온 혁신의 총집합, 양자역학의 이론들

편집자이자 과학저술가인 저자는, 때로는 엉뚱하고 때로는 엄청난 논쟁을 불러온 양자역학 이론들을 복잡한 수식 없이 친절하게 풀어 설명한다.
양자역학은 고전물리학으로는 이해하기 어려운 특이한 현상이 많은 만큼 숱한 우여곡절을 겪으며 발전했다. 알베르트 아인슈타인부터 리처드 파인먼까지, 수많은 물리학자들이 연구를 거듭했다. ‘양자(quanta)’ 개념을 도입한 ‘플랑크의 법칙’, 전자 2개가 동일한 순간 동일한 장소에 동일한 특성을 가지고 존재할 수 없다는 파울리의 배타 원리 등은 양자역학이 성장하는 든든한 밑거름이 된 이론들이다. 한편 수학적 기술을 통해 전자의 에너지 상태와 스펙트럼선 사이의 관계를 설명한 하이젠베르크의 행렬역학과, 물리학자들에게 익숙한 정상파와 정수배 진동 등의 개념으로 전자 에너지를 설명한 슈뢰딩거의 파동방정식은 물리학자들을 두 진영으로 나뉘게 할 만큼 격렬한 논쟁을 일으켰다.
때로는 말도 안 된다고 생각했던 아이디어가 중요한 역할을 하기도 했다. 물리학자인 머리 겔만은 단지 수학적 틀을 완성하기 위해 분수 전하량을 가진 가상의 입자를 상상해 우스꽝스러운 이름을 붙여 놓았지만, 실험을 통해 입자가 실재한다는 것이 밝혀졌다. 그 입자가 바로 ‘쿼크’다.
양자역학의 여러 이론과 핵심이론을 잘 정리했다는 것 외에도 이 책의 덕목으로는 양자역학의 발전을 이끌어온 수많은 물리학자들에 관한 에피소드를 꼽을 수 있다. 뛰어난 물리학자였지만 불행한 결혼생활로 고통 받았던 슈뢰딩거, 세 살이 될 때까지 말을 거의 못했지만 훗날 최고의 강연자가 된 파인먼의 일화 등은 양자역학의 세계를 좀 더 친근하게 느낄 수 있도록 도와줄 것이다.

TV 모니터에서 자기부상열차까지, 일상에서 만나는 양자역학

너무나 미시적이고, 때로는 비현실적으로 느껴지는 양자역학의 세계는 언뜻 우리가 사는 현실 세계와는 별 관련이 없어 보인다. 하지만 이미 양자역학은 우리 일상에 많은 영향을 미치고 있다.
오늘날 대부분의 전자제품에 반도체가 사용된다. 반도체 원료로 가장 많이 쓰이는 실리콘 칩은 크기가 아주 작아지면 양자효과를 나타내는데, 수십 또는 수백 개의 원자로 이루어진 실리콘 유의 반도체 물질 조각을 ‘양자점(quantum dot)’이라고 부른다. 1990년 유럽의 과학자들이 작은 실리콘 조각을 이용해 양자 작용으로 붉은 빛을 내게 하는 데 성공했고, 이후 많은 연구를 거쳐 초록색과 파란색 빛을 만들어냈다. 이러한 기술을 활용해 발광다이오드(LED)를 제작할 수 있으며, 텔레비전 및 컴퓨터 모니터로도 활용 중이다.
자기부상열차도 양자 기술을 활용한 예다. 일부 금속을 과냉각시키면 전기 저항이 0이 되는데, 이러한 현상을 초전도성이라 하고 초전도성을 지닌 물질을 초전도체라고 한다. 초전도체는 양자 법칙에 따라 전류가 에너지를 잃는 것이 불가능해진다.
또한 초전도체는 내부에 자기장을 가둘 수 없다는 특성이 있는데, 이것이 발터 마이스너와 로베르트 옥젠펠트가 발견한 ‘마이스너 효과’다. 일반적인 도체라면 내부에 전류가 흐를 때 자기장이 형성되지만, 초전도체는 표면에 전류가 생성되면서 자기장을 상쇄시켜버린다. 초전도체 근처에 작은 자석을 가져다 놓으면 마이스너 효과 때문에 밀어내는 힘을 받게 된다. 이런 효과로 인해 자석은 초전도체의 표면 위로 둥둥 떠다닐 수 있는데, 이것이 자기부상의 원리다.

양자역학이 가져올 놀라운 미래

양자역학은 과학기술의 급진적 발전을 불러올 판도라의 상자와도 같다. 상용화를 위해 가장 활발한 연구가 이루어지는 분야가 양자컴퓨터와 양자 암호다.
기존의 컴퓨터는 정보를 저장하고 처리하는 데 전자를 이용하는 반면, 양자컴퓨터는 원자 자체를 이용한다. 이때 기존 컴퓨터의 비트 역할을 하는 것이 ‘큐비트(qubit)’다. 하나의 큐비트는 2개의 상태, 즉 0과 1의 양자적 중첩을 표현할 수 있다. 각각의 경우에 새로운 큐비트를 추가하면 혼합된 상태의 개수는 2배로 늘어난다. 반면 기존의 컴퓨터는 어느 한 순간에 둘 중 하나의 상태로만 존재한다. 큐비트끼리의 연결이 2배씩 증가하는 특성 때문에 양자컴퓨터의 능력은 대단히 강력하다. 물론 아직까지는 해결해야 할 많은 과제가 남아 있지만, 양자컴퓨터는 거의 모든 것을 시뮬레이션할 수 있고 인공지능 기계를 창조하는 열쇠가 될 수도 있다.
심각한 사회문제로 대두된 개인정보 유출 문제를 해결하는 데에는 양자 암호가 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 해킹을 방지하기 위해 양자의 불확실성과 얽힘을 이용해 메시지를 뒤섞는 것이다. 발신자가 빛알을 조작해 2진 메시지를 만들고, 필터를 통과시켜 메시지를 뒤섞는다. 그 다음 빛알을 전송하면 수신자가 그 빛알을 관측하는 데 사용한 필터가 무엇인지 발신자에게 알려주는 것만으로 메시지를 해석할 수 있다. 제3자가 빛알을 측정하려고 하면 그 안에 담긴 정보는 파괴된다.

아직은 가야 할 길이 멀지만, 그만큼 발전의 가능성도 무궁무진한 것이 양자역학이다. 이 책은 낯설기만 했던 양자역학이 어떻게 우리 일상과 연결되어 있는지, 또 우리의 미래를 어떻게 바꾸어갈 것인지 조망할 수 있는 동반자가 되어줄 것이다.

▣ 작가 소개

저 : 조앤 베이커
Joanne Baker
<네이처>에서 우주과학과 지구과학을 담당하는 편집자이자 대중 과학 저술가. 케임브리지 대학에서 물리학을 공부했고, 1995년 시드니 대학에서 천체 물리학 박사 학위를 받았다. 케임브리지 대학에서 박사 후 연구원을 지냈고, 캘리포니아 주립대학의 허블 선임연구원과 옥스퍼드 대학의 왕립협회 조사 선임연구원을 지냈다. 《시크릿 유니버스》, 《물리와 함께하는 50일》을 썼다.

역 : 배지은
서강대학교 물리학과와 동대학원을 졸업하고, 휴대전화를 만드는 엔지니어로 일했다. 그 후 이화여자대학교 통역번역대학원을 졸업하고, 장르문학과 과학기술서적을 번역하는 프리랜서 번역가로 일하고 있다. 엘러리 퀸의 《샴쌍둥이 미스터리》 《열흘간의 불가사의》 《최후의 일격》을 비롯하여, 《밤의 새가 말하다 1, 2》 《Make: 아두이노 DIY 프로젝트》 《전자부품 백과사전 1, 2》 《무니의 희귀본과 중고책 서점》 《맹인 탐정 맥스 캐러도스》 등을 우리말로 옮겼다.

▣ 주요 목차

들어가는 말 _ 6

빛
01에너지 보존 _ 12
02플랑크의 법칙 _ 17
03전자기 _ 22
04영의 간섭무늬 _ 27
05빛의 속도 _ 32
06광전효과 _ 37

전자
07파동-입자 이중성 _ 44
08러더퍼드의 원자 _ 49
09양자도약 _ 54
10프라운호퍼 선 _ 58
11제만 효과 _ 63
12파울리의 배타원리 _ 68

양자역학
13행렬역학 _ 74
14슈뢰딩거의 파동방정식 _ 79
15하이젠베르크의 불확정성 원리 _ 84
16코펜하겐 해석 _ 89
17슈뢰딩거의 고양이 _ 94
18EPR 패러독스 _ 98
19양자 터널링 _ 103
20핵분열 _ 108
21반물질 _ 114

양자장
22양자장이론 _ 120
23램 이동 _ 125
24양자전기역학 _ 130
25베타붕괴 _ 134
26약한 상호작용 _ 140
27쿼크 _ 145
28심층 비탄성 산란 _ 150
29양자색역학 _ 155
30표준모형 _ 159

양자우주
31대칭 깨짐 _ 166
32힉스 보손 _ 171
33초대칭 _ 175
34양자 중력 _ 180
35호킹 복사 _ 185
36양자우주론 _ 191
37끈 이론 _ 196

양자적 비현실
38다세계 _ 204
39숨은 변수 _ 209
40벨의 부등식 _ 214
41아스페 실험 _ 219
42양자 지우개 _ 224

양자의 미래
43양자 결깨짐 _ 232
44큐비트 _ 237
45양자 암호 _ 242
46양자점 _ 247
47초전도성 _ 252
48보스-아인슈타인 응축 _ 257
49양자생물학 _ 261
50양자 의식 _ 266