큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다 - 양자역학의 미래 -

양자역학에 통계역학을 결합한 새로운 접근방법,
국내 최초로 소개되는 큐비즘으로 양자역학의 수수께끼를 풀다!
미국출판협회 2017 대중과학/대중수학 부문 수상작!
20세기 들어서면서 등장한 새로운 물리학 체계인 양자역학은 뉴턴역학이라고 하는 고전역학의 한계를 극복한 이론으로 플랑크, 아인슈타인, 보어, 하이젠베르크, 디랙, 슈뢰딩거 등 천재적인 물리학자들을 거쳐 과학사상 가장 드라마틱하게 완성되었다. 하지만 양자역학은 예측의 정확성과 더불어 과학기술에 적용하기 용이한 최고의 과학 이론이라 평가받는 한편, 그 속에 숨겨진 깊은 의미에 대해서는 전문가들 사이에 100여 년이 지난 지금까지도 논란의 대상이 되고 있다.
『양자역학의 미래 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다』에서는 이러한 양자역학에 대해 전반적으로 소개한 뒤 양자역학에서 아주 중요한 개념인 확률에 대해 이야기한다. 그리고 양자역학의 새로운 해석방법인 큐비즘의 의미와 큐비스트의 세계관에 대한 분석을 통해 양자역학에 대한 네 가지 해석을 소개한다. 양자 베이지어니즘의 약자인 큐비즘은 확률에 대한 새로운 이해를 바탕으로 양자역학의 전통적인 특징을 해석하고, 외부 세계의 영토에 대한 우리 경험을 합리적으로 예측할 단서를 제공한다. 베이지어니즘의 장점은 단일 사건에 적용할 수 있고, 그 확률 측정을 새로운 정보의 취득에 근거해서 업데이트할 수 있으며, 빈도확률의 결과를 쉽게 수용할 수 있다는 것이다. 저자는 하나의 원자가 동시에 두 가지 상태에 있을 수 있고, 신호가 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 있으며, 슈뢰딩거의 고양이가 동시에 죽어 있거나 살아 있다는 것 등 양자이론과 관련된 중요한 문제들을 큐비즘이라는 새로운 시각에서 풀어낸다. 우리가 살아갈 4차 산업혁명 시대에 엄청난 영향을 줄 큐비즘이 무엇인지에 대해 어려운 방정식을 동원하지 않고도 이해하기 쉽게 알려준다.
낯설고 어렵게만 느껴지는 양자역학도 쉽지 않은데 양자역학을 설명하는 확률과 통계 이론을 이용하는 큐비즘을 왜 알아야 하는 걸까? 지금은 정보화 시대, 더 나아가 4차 산업혁명의 시대다. 빅데이터가 이끄는 4차 산업혁명 시대에는 확률과 통계 이론을 활용하는 큐비즘적 세계관이 중요하게 대두될 것이고 경제, 기업, 산업 등 전 분야에서 앞으로 큐비즘이 중요한 역할을 하게 될 것이다. 무엇보다 양자역학에 통계역학(베이지어니즘)을 결합한 큐비즘이라는 신개척 분야는 2000년대 이후 시도된 새로운 접근방법으로, 국내에 최초로 소개되는 의미 있는 책이다. 그런 점에서 이 책은 양자역학의 의미를 알고 거기서 파생된 확률 이론을 설명하는 획기적인 방법으로, 큐비즘을 이용해 4차 산업혁명에 대비할 수 있는 길잡이가 되어 줄 것이다.

골칫거리 확률도, 스티븐 호킹을 화나게 한 슈뢰딩거의 고양이도 큐비즘이 해결해줄 거라고?

세계적인 물리학자 스티븐 호킹은 한 강의에서 “누군가에게서 슈뢰딩거의 고양이 이야기를 들었을 때 손을 뻗어 총을 잡고 싶었습니다”라고 말했다. 노벨물리학상을 수상한 리처드 파이만도 “닥치고 계산이나 하세요”라는 말을 남겼다. 우리는 양자역학으로 뉴턴역학이라고 하는 고전역학의 한계를 극복했다. 양자역학은 천재적인 물리학자들이 과학사상 가장 드라마틱하게 완성했지만 너무 어렵고 물체의 운동을 확률로 설명한다는 모호함 때문에 부정적으로 생각하는 과학자들도 많았다. 사실 양자역학이라는 말조차 일반인에게는 어렵고 비전공자가 재미있게 접하기에는 너무 멀게 느껴진다. 『양자역학의 미래 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다』에서는 먼저 과학에서 성공적인 이론의 하나이자 가장 오해받는 이론인 양자역학의 과거, 현재, 미래를 담았다. 과학기술이 적용되는 범위 안에서 예측의 정확성으로 측정된 양자역학을 일반 독자들을 위해 비교적 이해하기 쉽게 풀었다. 양자이론의 역설과 퍼즐에 대한 설명은 물론 우리가 사는 세상을 이해하고 상호작용하는 방식에서 양자역학이 미친 엄청난 영향을 밝히는 전혀 새로운 해석을 제공한다. 그리고 복잡한 방정식이나 수식을 동원하지 않고 직설적인 언어로 일반 물리학에 대한 새로운 접근 방식을 제시하는 수준에서 양자역학의 미래를 명확히 설명한다.
또한 비전공자들을 위해 인간이 세상과 상호작용하는 방법에 대한 새로운 시각을 제공한다. 바로 큐비즘이다. ‘양자 베이지어니즘’의 약자인 큐비즘은 확률에 대한 새로운 이해를 바탕으로 양자역학의 전통적인 특징을 해석해준다. 일반적인 ‘빈도확률’과 달리 베이지언 확률은 미래의 사건이 일어나거나 특정한 명제가 진실이라는 관측자의 신뢰도를 수치적으로 측정하는 것으로 정의된다. 베이지어니즘의 장점은 단일 사건에 적용할 수 있고, 그 확률 측정을 새로운 정보의 취득에 근거해서 업데이트할 수 있으며, 빈도확률의 결과를 쉽게 수용할 수 있다는 것이다. 저자는 양자역학에서 가장 중요한 논란거리인 여러 가지 기묘함 즉, 하나의 원자가 동시에 두 가지 상태에 있을 수 있고, 신호가 빛의 속도보다 더 빠르게 이동할 수 있고, 슈뢰딩거의 고양이가 동시에 죽어 있거나 살아 있다는 것 등을 큐비즘의 시각에서 이해하기 쉽게 풀어낸다.
큐비즘은 문제를 쉽고 우아하게 풀어주고 방법을 제시하며 외부 세계의 영토에 대한 우리 경험을 우리가 다음 코너 주변에서 찾을 때 합리적으로 예측할 수 있다는 단서를 제공해준다. 포괄적이고 일관된 세계관의 발전은 엄청나게 중요한 일이고 그 여정은 길고 어렵지만 큐비즘은 우리에게 그곳으로 가는 쉬운 방법을 보여준다. 또한 큐비즘은 중요하고 강력하며 영구적인 철학적 결과를 수반하지만, 실험과 이론을 비교할 수 있게 하는 양자역학의 실제 기술적 내용에는 영향을 미치지 않는다. 그것에 들어가는 개념의 의미, 특히 확률의 의미가 큐비즘으로 바뀌었다. 간단하면서도 심오한 큐비즘의 본질은 21세기에 양자역학을 좀 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것이다. 무엇보다 양자역학에 통계역학(베이지어니즘)을 결합한 큐비즘이라는 신개척 분야를 국내에 최초로 소개하는 의미 있는 책으로, 과학계에 새로운 파장을 일으킬 것이다.

4차 산업혁명 시대, 큐비즘은 우리 삶을 어떻게 변화시킬까?
양자역학으로 확률을 해석하는 급진적인 해석방법, 큐비즘!

『양자역학의 미래 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다』에서는 전공자들뿐 아니라 비전공자들도 큐비즘을 이해하기 쉽게 설명하려고 한 저자의 노력을 볼 수 있다. 먼저 이 책의 첫 번째 파트로 큐비즘을 이해하는 데 전제가 되는 ‘양자역학’에서는 수학적 측면이 아닌 일반적 이론을 소개한다. 그 의미의 직관적 감각을 끌어내기 위해 저자는 친근한 물체와 일상 경험에 대한 은유와 유추에 의존한다. 다음 파트인 ‘확률’에서는 고등학교에서 가르치듯이 확률의 일반적 ‘빈도확률’과 큐비즘(QBism)에 있는 B를 나타내는 익숙하지 않은 베이지언 확률을 비교해 보여준다. 세 번째 파트로 이 책의 핵심인 ‘양자 베이지어니즘’에서는 큐비즘의 기원과 실험실의 양자 기묘도 등 양자역학과 베이지언 확률이 어떻게 양자 베이지어니즘으로 결합하는지 기술한다.
마지막 파트로 좀 더 철학적인 부분인 ‘큐비즘의 세계관’에서는 큐비즘에서 배워야 할 가장 중요하고, 더 의미가 깊고, 어디든 가지고 나갈 수 있는 교훈을 제시한다. 큐비즘은 과학적 세계관을 이해하기 위한 전통적 태도를 바꾸는 것을 의미한다. ‘자연법칙’의 본성은 무엇일까? 그 법칙이 우주의 진화를 완전히 결정하거나 그것에 자유롭게 영향을 미칠 수 있을까? 부분과 관찰자 둘 다 어떻게 물질세계와 관련되어 있을까? 시간은 무엇일까? 인간 이해의 한계는 어디일까? 이와 같은 다양한 질문에 대해 큐비스트의 관점에서 다룬다. 그리고 마지막으로 큐비즘이 앞으로 어떻게 발전할지를 살펴본다.

빅데이터가 이끄는 4차 산업혁명 시대
 큐비즘으로 미래 삶을 리드하라!

『양자역학의 미래, 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다』는 평생 연구해온 양자역학에서 은퇴했다고 선언한 저자가 은퇴 계획을 세우고 양자역학을 결코 쉽게 해결하지 못할 것이라는 우울한 확신에 사로잡혀 있을 때, 우연히 양자정보이론의 최전선에 있는 전문가 크리스토퍼 푹스의 기사를 보고 그를 초청해 양자역학의 새로운 해석 방법을 배우기 시작하면서 집필한 책이다. 저자는 어려운 방정식 없이 구체적인 언어를 사용하여 물리학에 대한 새로운 접근법을 제안하는 상식적인 방법으로 양자역학의 의미를 알기 쉽고 분명하게 설명했다.
양자역학의 기묘함은 수학적 복잡성이 아니라 태어날 때부터 괴롭혀온 역설과 수수께끼에 기반을 두고 있고, 그런 수수께끼 중 가장 유명한 것이 슈뢰딩거의 불행한 고양이 이야기다. 양자역학에 따르면 이 고양이는 살아 있는 동시에 죽어 있어야 한다. 다른 수수께끼는 하나의 양자 입자가 동시에 두 장소에 있을 수도 있고, 입자가 파동처럼 행동하고 파동이 입자처럼 행동한다는 것과 정보가 순식간에 전송된다는 것이다. 이런 수수께끼들을 ‘양자 기묘도’라고 한다. 저자는 푹스에게서 이 양자 기묘도를 해결할 큐비즘에 대해 듣고 끊임없이 토론하면서 큐비즘을 이해하기 시작했다.
큐비즘은 저자가 오랫동안 몸담아온 이론의 기술적 측면을 간섭하지 않으며, 지금까지 많은 장치를 발명했고 결국 우리 삶을 변화시키는 산업 전체에 영향을 중요한 미치게 되었다. 이제 4차 산업혁명 시대를 맞아 관련 분야 전문가가 아니라도 큐비즘적 세계관이 중요하게 대두될 때가 올 테고 경제, 기업, 산업 등 전 분야에서 큐비즘이 필요하게 될 것이다. 그런 점에서 미국출판협회 2017 대중과학/대중수학 부문 가작을 수상한 『양자역학의 미래 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다』는 양자역학에서 파생된 확률 이론을 사회 현상을 설명하는 유용한 방법으로 이용할 수 있다는 사실을 보여준다. 양자역학이 저자의 삶에 영향을 미쳤듯이 급진적이고 심오하지만 특별히 어렵지는 않은 큐비즘은 오늘뿐 아니라 내일을 살 우리를 변화시킬 것이다.

지은이 : 한스 크리스천 폰 베이어 

1938년생으로 미국의 윌리엄앤메리대학 물리학과 명예교수이다. 베이어는 고전물리학, 열역학, 상대성이론, 양자역학 등 물리학 이론을 대중을 위해 쉽게 설명하려고 노력하는 과학 전문 저자다. 그는 대중을 위한 과학 서적 집필로 미국과학진흥협회로부터 과학저널리즘상을 받는 등 과학 대중화에 기여한 공로가 크다.
베이어는 다양한 저서를 남겼는데, 그중 『맥스웰의 도깨비가 알려주는 열과 시간의 비밀』(성균관대학교 출판부, 2006, 원제 Warmth Disperses and Time Passes: The History of Heat), 『과학의 새로운 언어, 정보』(승산, 2007, 원제 Information: The New Language of Science)가 우리나라에 번역 출간되었다.
 

옮긴이 : 이억주 
성균관대 물리학과를 졸업하고 동 대학원에서 원자핵물리학을 전공해 석사학위를 받았다. 《어린이과학동아》를 창간하여 초대 편집장을 역임했다. 현재 출판 기획과 과학 칼럼니스트로 활동하고 있다. 쓴 책으로는 『인류가 원하는 또 하나의 태양 핵융합』 등이 있다. 1999~2001년 한국과학문화재단 우수과학도서 선정위원으로 활동했으며, 2001년 잡지언론상(편집부문)을 수상했다.

옮긴이 : 박태선 
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 동 대학원 물리학과에서 핵물리학이론 전공으로 박사학위를 취득했다. 현재 성균관대학교 기초과학연구소 수석연구원 및 연구교수로 재직 중이다.

머리말

I. 양자역학
1장 양자는 어떻게 탄생했나
2장 광자
3장 파동/입자 이중성
4장 파동함수
5장 물리학에서 가장 아름다운 실험
6장 그리고 기적이 일어나다
7장 양자 불확실성
8장 가장 간단한 파동함수

II. 확률
9장 골칫거리 확률
10장 베이즈 목사의 확률

III. 양자 베이지어니즘
11장 큐비즘이 명백함을 만든다
12장 큐비즘이 슈뢰딩거의 고양이를 구하다
13장 큐비즘의 기원
14장 실험실에서의 양자 기묘도
15장 모든 물리학은 국소적이다
16장 신뢰와 확신

IV. 큐비스트의 세계관
17장 물리학과 인간의 경험
18장 자연의 법칙들
19장 바위가 거꾸로 걷어차다
20장 ‘지금이야!’의 문제
21장 완벽한 지도?
22장 우리 앞에 놓인 길

 부록
 주석
 감사의 글
 찾아보기