모든 것이 양자 이론

소설 쓰는 과학자 곽재식이 들려주는 쉽고 재밌는 양자 이론 이야기

◎ ‘전자’부터 ‘힉스 입자’까지 17가지 우주 기본 입자들의 이야기

현대 과학 역사상 가장 완벽하다는 양자 이론, 하이젠베르크의 획기적인 논문을 기준으로 2025년은 양자역학 탄생 100주년이 되는 해다. UN에서는 양자역학의 중요성을 강조하며 2025년을 ‘국제 양자과학기술의 해’로 지정했다. 양자역학의 원리를 기반으로 한 양자과학기술은 현재 인공지능, 신약 개발 등 여러 분야에서 응용되며 주목받고 있는 핵심 기술이다. 이것은 근본적으로 양자 이론을 토대로 하고 있다. 그러므로 양자 이론은 현대 과학을 이해하고자 하는 사람이라면 반드시 알아야 할 중요한 개념이라고 할 수 있다.

양자 이론은 물질과 에너지가 어떻게 상호작용하는지를 설명하는 이론이다. 이 세상을 구성하는 기본적인 재료는 총 17가지의 작은 입자로 이루어져 있다. 이 입자들이 세상에서 어떻게 움직이는지를 규명하는 규칙이 바로 ‘양자 이론(quantum theory)’이다.

이 책은 17가지 기본 입자들을 하나하나 소개하면서 우리 가까이에 있는 여러 가지 현상들을 알려주고 그것들이 우리의 주변에서 어떤 역할을 하고 있는지를 상세하게 들려주고 있다. 또한 어렵고 복잡한 과학 이론을 그대로 설명하지 않고 주제와 관련된 일화와 그 주제를 연구한 과학자들의 인생 이야기를 곁들여 더욱 친근하게 풀어냈다.

다수의 작품을 발표한 소설가이자 여러 대중매체에서 활발히 활동하고 있는 저자는, 이 책에서도 재치 있고 유쾌한 이야기꾼으로서의 재능을 한껏 발휘하고 있다. 2천 년 전의 역사 기록인 『삼국유사』『삼국사기』, 그리고 『조선왕조실록』을 바탕으로 당시의 사건과 논쟁거리, 백성들을 놀라게 한 자연현상들을 설명하며, 《그렘린》《환상특급》《터미네이터》와 같은 친숙한 영화 이야기를 통해 기본 입자들을 설명한다. 또한 20세기 현대 과학에 크게 이바지한 한국인 과학자들의 열정적인 생애와 업적들에 대해서도 들려준다.

현대 과학이 밝혀낸 우주의 힘은 중력, 전자기력, 강력, 약력 총 네 가지이다. 이 중에서 강력 이론과 약력 이론에 큰 기여를 한 한국인 과학자 한무영과 이휘소의 업적은 특히 주목할 만하다. 특히 입자 이론 발전에 지대한 공을 세운 이휘소의 일대기와 활약은 감탄을 자아낸다. ‘모스펫(MOSFET)’을 발명하여 미국 발명가 명예의 전당에 이름을 올린 강대원 박사 등의 이야기도 흥미롭다.

조선시대 화가 김득신의 그림 <밀희투전>을 통해 양자 이론의 한 현상인 ‘양자 얽힘’을 설명하는 부분도 인상적이다. 양자 얽힘은 모든 이론과 논리적인 생각의 바탕을 되돌아보게 만들고 이성적인 판단의 근원인 인과율, 시간의 순서, 원인과 결과의 관계에 대한 깊은 성찰을 이끌어낸다.

‘전자’부터 ‘힉스 입자’까지 저자가 들려주는 17가지 기본 입자의 이야기를 따라가다 보면 현대 과학의 역사적인 순간을 마주하게 될 것이다. 또한 우리의 삶과 인생이 우주의 거대한 시공간과 연결돼 있음을 깨닫게 될 것이다. 우연적이고 불연속적이고 확률적인 이 세계에 독자 여러분을 초대한다.

곽재식

2006년 단편소설 〈토끼의 아리아〉가 MBC에서 영상화된 이후 《지상 최대의 내기》, 《신라 공주 해적전》등 다양한 단편 소설집과 장편 소설들을 펴내며 꾸준히 활동하고 있다. 과학 교양서로 《곽재식의 세균박람회》, 《지구는 괜찮아, 우리가 문제지》, 《곽재식의 유령 잡는 화학자》 등을 출간하기도 했다. 한편 KBS〈주말 생방송 정보쇼〉 SBS 〈김영철의 파워FM〉 CBS〈이강민의 잡다한 지식사전〉 등 대중매체에서 과학 지식을 소개하고 경제와 산업의 다양한 현상을 과학으로 풀이하는 활동도 활발히 하고 있다. 학부에서 원자력공학을, 대학원에서 양자 화학과 기술 정책 협동과정을 전공하였으며, 현재는 숭실사이버대 환경 안전공학과 교수로 재직하고 있다.

들어가는 말 세상 모든 것을 이루는 17가지 재료와 양자 이론

• 전자 electron│물체의 성질 대부분을 정해 주는 물질

전자, 너 때문이야!

전자는 이 세계의 비밀을 알고 있다

세상을 바꾼 유리 장수의 업적

• 위 쿼크 upquark│우리 주변 물체 속에 양전기를 만들어 주는 물질

바위를 녹이는 산성의 위력

양성자의 힘

• 아래 쿼크 downquark│우리 주변 물체 속에 중성을 만들어 주는 물질

결정적 단서, 탄소

시계보다 정확한 방사능 물질

• 기묘 쿼크 strangequark│특이한 우주 방사선의 재료

장희빈의 한이 만든 우주 괴물?

우주 방사선을 방어하라!

• 광자 photon│빛의 재료이자 전자기력의 운반자

당신은 내 삶에 한 줄기 전자파

작은 빛 한 조각의 움직임을 따라서

• 글루온 gluon│원자력의 뿌리가 되는 강력의 운반자

초록색 보석의 저주

우라늄의 변신

강력과 쿼크의 시대가 열리다

• 맵시 쿼크 charmquark│지금의 과학을 완성해 준 물질

양자장 이론과 맵시 쿼크

과학계의 11월 혁명

• 뮤온 muon│하늘에서 떨어지는 방사선의 대표인 전자의 무거운 친척

발해 멸망은 백두산 화산 폭발 때문일까

투시 초능력의 비밀, 뮤온

• 타우온 tauon│잠깐 나타났다 사라지는 전자의 더욱 무거운 친척

빛의 속도는 일정하지만 시간이 변화한다

상대성 이론의 활용

• W 보손 wboson│베타 붕괴 방사능 물질의 원인인 약력의 운반자

확률과 우연의 본질에 관하여

숨은 변수 이론(hidden variable theory)

• Z 보손 zboson│전기를 띠지 않는 덜 눈에 뜨이는 약력의 운반자

힘과 방향의 관계

신은 왼손잡이

드디어 가가멜이 해내다

• 중성미자 neutrino│가까이 있지만 너무나 느끼기 힘든 아주 흐릿한 물질

반물질은 현대판 감로수

유령 입자를 찾아라

• 뮤온 중성미자 muonneutrino│블랙홀 쪽에서 날아온 중성미자

신라의 황금은 어디에서 왔을까

초신성의 폭발

태양의 빛보다 빠른 중성미자

• 타우온 중성미자 tauonneutrino│예전 한때 암흑물질의 후보

용이 노니는 별들의 강

암흑물질, 너는 누구냐?

• 꼭대기 쿼크 topquark│가장 무겁고 불안해서 관찰해볼 만한 물질

양자 얽힘에 관하여

양자 얽힘의 활용도와 미래

• 바닥 쿼크 bottomquark│대형 입자 가속기를 만들어 자주 살펴보던 물질

권총 총알 만큼 강한 초고에너지

입자 가속기 이야기

• 힉스 입자 higgs│기본 입자들이 무게를 갖게 해 주는 것

우주의 재료들

파랑새는 있다

참고문헌