양자역학이란 무엇인가

# 이해할 수 없는 것을 이해하기

과학자는 기본적으로 세상의 이치를 밝히려고 한다. 그리고 그 과정에서 지금까지의 지식으로는 이해할 수 없는 현상을 만나고, 그 현상을 과학적인 방법으로 이해하려 한다. 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 이 세상이 원자로 이루어져 있다고 주장했다. 그러나 원자라는 것의 실체가 밝혀지는 데는 그로부터 수천년이 흘러야 했다. 원자의 세계가 조금씩 밝혀지면서 고전적인 지식으로는 이해할 수 없는 일이 일어났다. 심지어 아인슈타인마저 그랬다. 특히 양자역학이란 것을 말이다.

독일의 물리학자 막스 플랑크는 조금 더 효율이 좋은 전등을 만들려고 흑체복사를 연구했다. 흑체복사란 예전에 많이 사용하던 백열등을 상상하면 된다. 백열등에 전기를 공급하면 필라멘트가 달아오려며 빛과 열을 낸다. 즉, 어떤 물체에 열을 가하면 에너지가 빛과 열이라는 형태로 방출(복사)된다.

이런데 연구 결과 이 에너지가 특정 단위의 덩어리로만 방출되는 것이다. 플랑크는 혼란에 빠졌다. 지금까지의 지식으로는 빛은 전자기파의 일종, 즉 파장이었다. 파장은 에너지의 흐름이 연속적이다. 즉 더 뜨거우면 뜨거운 만큼 강한 파장이 나와야 한다. 그런데 에너지가 덩어리 단위로 나온다는 뜻은 빛(에너지)이 입자라는 뜻인가? 입자여야 덩어리 단위로 묶을 수 있다.

실험으로 입증된 바와 같이 빛은 회절과 간섭을 한다. 입자가 어떻게 회절과 간섭을 한다는 말인가? 이 현상을 목격한 플랑크 자신도 이해하지 못했고, 입자일 리가 없다고 믿었다. 이 현상은 나중에 해결될 것이라고만 생각했는데, 이것이 바로 양자(덩어리)역학의 시작이었다.

# 확률로 세상이 돌아간다고?

결국 과학자들이 생각해낸 결론은 빛은 파동과 입자 두 가지 성질을 모두 가지고 있다는 것이었다. 파동이면 파동이고 입자면 입자지, 파동이면서 입자란 무엇인가? 고전적인 물리 이론으로는 납득할 수 없으나, 실제 세상은 그렇게 돌아간다. 입자이면서 파동인 무엇인가가 존재한다는 그것이 존재함을 인정하고, 과학적으로 해명할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그렇게 받아들일 수 있는 유연한 마음가짐이 현대물리를 이해하는 방법이다.

빛이 입자이면서 파동이라면, 다른 입자도 파동성을 가지고 있는 것이 아닐까 하고 의심하는 것이 그 다음 수순이었다. 그리고 그 사실이 밝혀지기 시작한다. 여러 가지 이론과 실험에 의해 원자가 양성자(중성자도)와 전자로 이루어져 있다는 것은 알고 있지만, 문제가 있었다. 전자는 워낙 작은 존재라 그 전자의 에너지만 측정할 수 있을 뿐, 관찰하는 것이 불가능했다. 이 문제를 해결한 것이 슈뢰딩거의 파동 방정식이다. 파동 방정식을 사용하면 전자의 에너지를 계산할 수 있고, 그 계산을 통해 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다.

과학자들은 다시 한 번 논쟁하기 시작했다. 파동방정식을 이용하면 결과가 나오기는 하는데, 도대체 무엇이 파동성을 보이는가가 문제였다. 여기에서 세상을 뒤집을 해석이 나온다. 실제 파동은 없고 확률만 파동을 보인다는 것이 그 해석이다. 실제 전자의 위치는 알 수 없고, 확률로만 존재하는 것이다. 이 해석은 아인슈타인의 심기를 건드렸다. “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”는 말로, 확률로만 존재하는 세계를 부정했다. 곧 다른 방법이 나오면 전자나 빛의 존재를 정확히 정의할 수 있을 것이라 믿었다.

아인슈타인은 죽는 그 순간까지 양자역학의 확률론적 세계를 지지하지 않았지만, 현대물리학은 확률론적 세계를 조금씩 증명하고 있다. 무에서 유는 창조되지 않는다고 하지만 확률적으로 보면 제로는 아니기 때문에 원자가 존재하고, 원자들이 모인 세계가 존재한다.

파동방정식을 만든 슈뢰딩거 그 자신도 확률론적 세계를 믿지 못했지만, 세상은 그렇게 돌아간다.

이 책은 그래서 세상의 모든 것을 말해주는 책이다. 수학적인 이야기는 최대한 자제했지만, 양자역학의 역사적 의의는 물론, 그 덕분에 우리가 누리고 있는 기술적 발전과 응용까지 자세히 설명하고 있다.

한번에 이해하기는 힘들겠지만 현대물리학자의 유연한 마음가짐으로 이 책을 들여다보면 세상을 이해하는 다른 지식을 만나게 될 것이다.

저 : 마이클 워커

Michael S. Walker
은퇴한 물리학자, 재료과학자, 공학자, 발명가, 프로젝트 매니저다. MIT와 카네기 멜론 대학교에서 학위를 받았다. 초전도체와 그에 대한 응용이 저자의 전문 연구 분야다. 수많은 논문을 발표했고 다량의 특허도 가지고 있다. 1989년, 자화된 유체를 가지고 여러 가지 물질을 분리하는 방법을 고안한 공로로 뉴욕 동부 변리사 협회로부터 올해의 발명가 상을 받았다.

감수 : 이강영

1988년 서울 대학교 물리학과를 졸업하고 KAIST에서 입자 물리학으로 석사 학위와 박사 학위를 받았다. 박사 과정 중이던 1993년, LEP 가속기의 L3실험 그룹의 멤버가 되어 CERN에서 1년간 머물렀다. 1996년 힉스 입자를 비롯한 기본 입자 사이의 대칭성을 주제로 박사 학위를 받았다. 서울 대학교 이론 물리학 연구 센터, 연세 대학교 자연 과학 연구소, 고등 과학원 등에서 연구했고 KAIST 와 고려 대학교 물리학과의 연구 교수를 지냈다. 또한 한국 과학 영재학교에서 3년간 학생들을 지도했다. 지금까지 여분차원, 힉스 입자, CP대칭성, B 메손, 게이지 이론, 암흑 물질 등 입자 물리학의 여러 주제에 관해 박사 학위 논문인 「유카와 결합 상수에 내포된 플레이버 대칭성의 의미」를 비롯, 「LHC에서 좌우동형 모델에 나오는 전기를 띤 힉스 입자의 생성」, 「페르미온 암흑 물질의 가장 간단한 모형」 등 50여 편의 논문을 발표했다. 저서로는 『LHC 현대물리학의 최전선』, 『보이지 않는 세계』가 있다. 현재 경상대학교 물리교육과 교수로 재직하고 있다.

역 : 조진혁

어렸을 적 글쓰기와 영어를 좋아했다는 사실을 상기하고는 번역을 직업으로 삼게 되었다.
뉴욕에서 지금의 아내를 만나 귀국해 현재 인천에서 두 아이들과 함께 단란하게 살고 있으며 번역회사를 운영 중이다.
도서번역을 통해 앞으로 많은 독자들과 교감을 나눌 바램을 갖고 있다.

소개의 글 8
서문 12

1부 발견과 이해(1900~1927)
 1장 1부, 2부에 대한 소개 21
 2장 플랑크, 아인슈타인, 보어 - 실험과 초기의 견해 25
 3장 하이젠베르크, 디랙, 슈뢰딩거 - 양자역학과 양자 원자 67
 4장 적용 - 6억 와트! 97

2부 해석, 그리고 상상을 초월하는 영향(1916~2016)
 5장 양자역학의 본질적 특징 105
 6장 거인들의 격돌 -
무엇이 진짜일까? 불확정성, 얽힘, 존 벨, 그리고 다세계 111
 7장 이 모든 것들의 의미는? -
양자역학, 수학, 그리고 과학의 본질 149
 8장 응용품 - 양자컴퓨터, 코드 크랙, 순간이동, 암호화 155

3부 상대성과 양자의 우리 세계, 빅뱅에서 은하계까지
9장 은하계, 블랙홀, 자연의 힘, 힉스보손,
암흑 물질, 암흑 에너지, 끈이론 191

4부 다전자 원자, 화학 및 재료과학의 기초
10장 4부에 대한 소개 279
 11장 수소 원자 전자의 에너지, 운동량, 그리고 공간상태 285
 12장 스핀과 자기력 293
 13장 배타와 주기율표 297
 14장 원소의 화학적 성질의 토대 물리 325
 15장 화학적 결합의 몇가지 형태, 예시 335
 16장 고체 물질의 구성 343
 17장 절연체, 그리고 보통 금속과 반도체의 전기적 전도 347

5부 크고 작은 재료와 기기에서 양자 불가사의
18장 나노기술과 5부 소개 355
 19장 초전도체 I - 정의 및 수송, 약품, 컴퓨터 분야에서의 응용 359
 20장 핵융합 발전과 국방에 사용되는 레이저 367
 21장 자성, 자석, 자기물질, 그리고 그 응용 377
 22장 그래핀, 나노튜브, 그리고 ‘꿈의’ 응용품 한 가지 386
 23장 반도체와 전자기기의 응용 399
 24장 초전도체 II - 과학, 전력 생산 및 전송에서의 거대한 응용 407

부록 A. 전자기파동의 본질과 스펙트럼 417
부록 B. 경험적으로 개발된 원소주기율표 427
부록 C. 양자컴퓨터의 개발 439
부록 D. 원자의 크기와 원소의 화학성 447
부록 E. X선의 생성 463

주석 467
레퍼런스 487