아무도 모르지만 누구나 알아야 할 최소한의 양자역학

2025년 노벨 물리학상에 빛나는 ‘양자역학’

세계적인 권위자가 제대로 쓴 양자역학 교과서!

16세기 양자의 기원부터 21세기 양자 컴퓨터까지

입문자, 전문가 모두를 압도할 양자 대하드라마

20세기 초반 탄생한 양자역학과 그 기원에 관한 책. 지구와 우주의 모든 물질을 이해하는 데 어떻게 양자역학이 가장 큰 혁명이 되었는지, 어떻게 현대 기술의 많은 부분을 형성하게 되었는지를 정리했다. 유엔과 유네스코는 1925년 베르너 하이젠베르크가 발표한 행렬역학을 양자역학의 탄생으로 보고 그 100주년이 되는 2025년을 ‘양자과학기술의 해’로 지정했지만, 이 책은 그 기원을 16세기 시몬 스테빈에서 시작하고 그 이후 양자를 둘러싼 500년 역사를 돌아본다.

총 2부 구성 중 1부는 물리학을 수학이라는 언어로 변환한 과학자들의 성과를 들여다본다. 스테빈에 이어 ‘낙하 실험 2.0’을 통해 현대 과학의 아버지로 불리는 갈릴레이, 행성들의 궤도를 설명할 방법을 찾다가 미적분을 발명한 뉴턴, 사원수를 통해 양자역학의 수학적 기초를 마련한 해밀턴 경, 물리학에서 대칭에 관해 위대한 업적을 남긴 에미 뇌터의 이야기 등이 나온다. 16세기부터 19세기까지 양자역학의 기초를 마련한 과학자와 그 성과에 초점을 맞춘다.

2부는 본격적인 양자의 시대를 다루며, 20세기부터 21세기 현재에 이르기까지 양자역학의 전당에 오를 만한 과학자들과 그 업적에 초점을 맞춘다. 빛의 양자(광자)를 시작으로 양자 이론을 처음 정립한 플랑크와 아인슈타인, 모든 입자가 파동 묶음임을 발견하고 각 입자의 파장을 구하는 공식을 발명한 드 브로이, 양자 파동 방정식을 발명함으로써 전혀 새로운 양자의 시대를 연 슈뢰딩거, ‘행렬역학’이라는 논문을 발표해 1925년을 양자역학의 획기적인 해로 만든 하이젠베르크 등이 2부의 시작을 연다.

큐비트, 장 이론, 얽힘, EPR 역설 등 양자역학을 뒷받침하는 이론들이 ‘양자 철학’이라는 이름으로 2부 5장에서 소개된다. 슈뢰딩거의 유명한 고양이 실험도 여기 나오며 양자역학에서 중요한 개념인 ‘중첩’을 쉽게 설명하는 예로 소개된다. 6장에서는 파인만의 다이어그램, 멘델레예프의 주기율표 등 양자역학이 물리학과 화학에 어떤 획기적인 영향력을 미치는지가 설명된다.

그 밖에 양자역학의 산물인 레이저, 원자핵과 중성자, 원자폭탄, 양자 전기역학(QED), 양자 색역학 등의 발명에 얽힌 이야기들이 7장에 나온다. 지구와 우주의 근원에 대한 연구도 볼 수 있다. 하이젠베르크의 행렬역학 발명을 1차 양자 혁명이라 한다면, 1995년 6월 5일 보슈-아인슈타인 응축체 탄생일을 2차 양자 혁명의 시작이라 본다. 그 산물로 양자 암호화, 양자 컴퓨터의 원리가 펼쳐진다. 미래의 양자 컴퓨터 개발, 양자 오류 수정 등 현재 진행 중인 양자의 연구가 뒤이어 나온다.

양자역학 분야의 세계적인 연구자와, 작가이자 언어학자인 아내의 합작품이다. 물리학자와 화학자는 물론 볼테르, 괴테 같은 인문학자까지 무수히 많은 학자가 양자역학의 줄기로 책에 등장한다. 양자역학은 천재 물리학자가 어느 날 번뜩이는 영감으로 발명한 학문이 아니라, 서로의 어깨 위에 올라선 거인들 덕분에 탄생한 학문임을 보여준다.

전 고등과학원 교수이자 한국양자정보학회 초대회장인 김재완 박사는 “양자역학을 제대로 표현하기 위해 사용되는 수학 뒤 숨은 의미를 설명해 주는 책”이라 하고, 캘텍 파인만 이론물리학 교수인 존 프레스킬은 “다른 어떤 물리학 책과도 비교할 수 없는 책”이라며 이 책을 강력 추천했다.

지은이 : 프랑크 베르스트라테 (Frank Verstraete)

벨기에의 양자물리학자. 케임브리지대학교 응용수학 및 이론물리학과(DAMTP) 리 트랩넬(Leigh Trapnell) 교수, 겐트대학교 물리학부 교수. 양자 다체계에서 텐서 네트워크와 얽힘 이론의 사용을 개척한 선구자로, 양자역학 분야에서 세계적인 연구자다. 오스트리아 노벨상이라고도 불리는 리벤상(Lieben Prize), 프랑키상(Francqui Prize)을 비롯해 여러 권위 있는 상을 수상했다. 이 책 『최소한의 양자역학(Waarom niemand kwantum begrijpt en iedereen er toch iets over moet weten)』은 그의 첫 책으로 언어학자이자 작가인 아내와 공동 집필했다. 전 세계 8개 언어로 번역 출간된 세계적인 베스트셀러다.

지은이 : 셀린 브뢰카에르트 (Celine Broeckaert)

로망어 언어학자이자 극작가이며 작가. 다큐멘터리 영화를 사회 변화와 생태 인식의 수단으로 활용하는 단체 필름팩트(Filmpact) 공동 창업자다. 『최소한의 양자역학』에서 물리학자인 남편의 글을 일상 언어로 쉽고 흥미롭게 풀어냈다.

옮긴이 : 최진영

어린 시절, 수많은 전학과 이사로도 부족해 네덜란드까지 건너가 그 이름도 생소한 항공우주법학을 공부했다. 다양한 국적, 다양한 언어를 사용하는 사람들과 부대끼며 얻은 것은 국가와 언어를 초월해 그 사람을 이해하는 능력이다. 그 이해력이 다른 문화의 작품을 소개하는 데 가장 중요하다는 신념으로 번역에 임하고 있다.

네덜란드 레이던대학교 항공우주법학과에서 학생들을 가르치는 동시에 왕립 네덜란드 항공우주연구소의 컨설턴트로 근무 중이다. 현재 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 네덜란드어 전문 번역가로 활동 중이다. 역서로는 『최소한의 양자역학』 『별나고 신기한 321가지 공머리 잡학사전』 『어디서도 상영되지 않는 영화』 『우리가 미처 몰랐던 동물의 감정』 『13살을 위한 놀라운 동물사전 321』 등 다수가 있다.

물리학자의 서문

작가의 서문

이 책을 읽는 법

1부 | 수학

1장 수학의 불합리한 효율성

1.1 아리스토텔레스의 왕좌는 어떻게 무너졌나

1.2 갈릴레오 갈릴레이의 발견

1.3 사자는 발톱으로 알아볼 수 있다

1.4 수리수리미적분

2장 대칭

2.1 대칭의 질서

2.2 대칭이 깨어질 때

2.3 대칭 구조 뒤에 있는 군(群)

2.4 드럼과 원자들

2부 | 양자

3장 입자의 (불)가능성

3.1 정답을 찾아서

3.2 빛, 파동이자 입자

3.3 최초의 원자 모형들

3.4 입자와 파동 묶음

3.5 이중 슬릿 실험으로 본 양자역학

3.6 하이젠베르크의 현미경

4장 첫 번째 양자 혁명

4.1 파동의 수용

4.2 정보의 파동

4.3 두 개의 슬릿에 관한 이론적 설명

4.4 양자 터널링

4.5 행렬역학

4.6 아름다움은 진리요, 진리는 아름다움이니

4.7 큐비트가 된 스핀 슈테른

5장 양자 철학

5.1 양자 헛소리

5.2 얽힘

5.3 보어 vs 아인슈타인

5.4 EPR 역설

5.5 슈뢰딩거가 자기 고양이를 보내다

5.6 누가 고양이에게 방울을 달까?

5.7 맥락성

6장 하나, 둘, 많음

6.1 입자의 비구별성

6.2 호텔 힐베르트

6.3 원자와 분자

6.4 단단한 물질

6.5 양자 색깔

6.6 보스, 아인슈타인, 그리고 레이저

7장 푸딩과 커드

7.1 아원자 물리학의 실험들

7.2 아원자 물리학의 이론

7.3 우리는 모두 별에서 왔다

8장 많아지면 앤더슨이 나선다

8.1 창발

8.2 재규격화

8.3 초전도

8.4 완벽성의 발견

9장 2차 양자 혁명

9.1 양자 측정 기술

9.2 양자 시뮬레이션

9.3 양자 정보

9.4 양자 복잡성

9.5 양자 컴퓨터

9.6 양자 오류

9.7 양자 재구성과 얽힌 입자

에필로그

감사의 글

용어 설명

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