휴대폰, 반도체, 의료기술…
생각보다 우리와 가까운 양자의 세계

“양자론이 없다면 인류의 국내총생산(GDP) 중 95%가 줄어들 것이다!”
노벨물리학상 수상자인 리언 레이더먼 박사가 한 말이다. 약간의 과장이 섞였다고 할 수 있겠지만 결코 비논리적인 말은 아니다. 전 세계적으로 엄청난 부를 만들어낸 휴대폰, 반도체는 물론이고 인류의 미래를 보다 풍요롭게 해줄 최첨단 의료기술과 나노기술은 양자론과 아주 밀접한 관련을 맺고 있다. 극히 미세한 세계에 대한 이러한 과학적 산물이 없이는 현대의 최첨단 산업도 있을 수 없는 것이 현실이다.
하지만 양자의 세계는 참으로 이해하기 쉽지 않은 것이 사실이다. 유명한 물리학자인 리처드 파인먼 박사 역시 “양자론은 논리와 상식으로는 이해되지 않는 신비한 과학체계”라고 말했다. 그만큼 기기 묘한 세계라는 의미이기도 하다. 그렇다면 이러한 양자론에 대한 쉽고 대중적인 이해는 불가능한 것일까?

국내 과학 독자들의 검증을 받은
다케우치 가오루의 과학 대중서 양자론

《친절한 양자론 - 불확정성의 원리에서 ‘무한대 해’의 난제까지》는 이제까지 출간된 양자론 관련 서적 중에서 단연 이해하기 쉬운 대중 해설서라고 할 수 있다. 특히 저자인 다케우치 가오루는 다양한 과학 저서로 이미 한국 독자들과 지적 교감을 나눈 바 있다. 그의 과학 저서는 최대한 독자들의 눈높이를 맞추고 있다는 점에서 많은 과학 독자들의 검증을 받았다고 할 수 있다.

우선 이 책은 양자론이라는 이 기묘하고도 매력적인 세계를 ‘실재론과 실증론’이라는 두 가지 축을 중심으로 일관되게 기술하고 있다. 대개의 과학 서적들이 현란한 이론들을 일방적으로 소개하는 데 그치지만 《친절한 양자론》은 뼈대가 되는 이론을 중심으로 구성되어 있다는 점에 한 번을 읽어도 ‘머리에 남는 것이 있는’ 책이라고 할 수 있다.

어려운 과학적 개념들을
그림과 도표, 에피소드로 쉽게 설명

또한 어려운 과학적 개념들을 최대한 이해시키려고 하는 부분도 다른 과학책들과는 차별되는 부분이다. 확률파, 재규격화, 흐름결합상수, 파이먼다이어그램 등 이름만으로는 도저히 예상이 불가능한 어려운 과학적 개념들이 이 책에서만큼은 쉽고 재미있게 술술 풀려나온다.

무엇보다 양자론을 기술하는 데 있어 다양한 그림과 공식, 재미있는 에피소드들을 등장시킨 것이 또 다른 장점이라고 할 수 있다. 특히 ‘반은 죽고, 반은 살아 있는’ 슈뢰딩거의 고양이에 대한 내용이라든가, ‘파도타기를 하는 양자’에 대한 이야기들은 흥미진진하게 읽을 수 있는 내용들이다. 과학을 어려워하는 사람들에게는 더할 수 없이 좋은 설명의 방식이 아닐 수 없다.

책의 구성 역시 처음으로 양자론을 접하는 사람들을 잘 배려하고 있다. 우선 이 책은 크게 3파트로 나뉘어 있다. 제1장은 양자론의 창시자라고 할 수 있는 슈뢰딩거의 등장과 양자론에 대한 기초적 해석으로 시작한다. 파동함수와 확률파라는 다소 심도 있는 개념까지 들어간다. 제2장에서는 ‘이단의 양자론’으로 불리는 데이비드 봄의 양자 해설을 통해 실증론과 실재론의 대립을 입체적으로 보여주고 있다. 마지막 제3장에서는 뿌리 깊은 난제였던 ‘무한대의 해’의 문제를 풀어가는 물리학자들의 치열한 고민은 물론 ‘섭동’, ‘흐름상수결합’을 통해서 양자의 세계를 해석해 나가는 흥미진진한 구성을 띄고 있다.

《친절한 양자론》은 이 세계를 이루고 있는 극소 단위를 분석해나가는 흥미진진한 탐험이다. 특히 양자론은 기초과학에 속하기 때문에 영역을 불문하고 과학을 공부하는 사람이나 과학에 관심이 있는 일반인들이 한 번쯤은 읽어 넘어가야 할 ‘필수 교양서’라고 할 수 있다. 과학의 기초를 이루고 있는 양자의 세계에 푹 빠져보는 것은 어떨까?

■ 양자론의 역사를 돌이켜보면 실증론과 실재론의 두 입장으로 나뉘어 논쟁을 해 왔다고 해도 과언이 아니다. 원래부터 실재론과 실증론은 세계를 바라보는 입장이 완전히 달랐다. 아인슈타인이나 슈뢰딩거와 같은 ‘실재론자’는 어디까지나 세계가 물질로 이루어져 있고 그 물질을 기술하는 것이 방정식이라는 입장이다. 그래서 그 방정식의 기호가 무엇을 가리키는가에 매달린다. 한편 하이젠베르크나 보어나 보른과 같은 ‘실증론자’는 그런 것들은 상관없다고 딱 잘라 말한다. 물질이라는 존재에 얽매일 필요가 없으며 최종적인 계산이 측정값과 일치한다면 그것으로 모든 것이 충분하다는 것이다. 즉 ‘실증’할 수 있으면 그만이고 ‘실재’의 대응 관계는 아무런 의미가 없다는 것이다. - 〈머릿속에 쏙쏙! 양자론 개념 총정리〉 중에서

■ 슈뢰딩거는 기묘한 사고실험을 생각해냈다. 먼저 상자에 고양이를 넣는다. 그 상자 안에는 방사성물질과 가이거계수관(Geiger counter) 그리고 독 발생 장치가 들어 있다. 방사성물질은 매우 양이 적어서, 언제 붕괴되어 방사선이 나올지 알 수 없다. 3초 후에 나올지, 만 년 후에 나올지 아무도 모른다. 만약 방사선이 나온다면 그것을 가이거계수관이 검출하게 되고 이어 독 발생 장치가 작동을 한다. 결국 고양이는 죽게 되는 것이다. 시간 내에 방사성물질이 붕괴될 확률은 50퍼센트이고 붕괴되지 않을 확률도 50퍼센트다. 이는 양자론으로 예측된 확률이다.
- 〈‘슈뢰딩거의 고양이’ 패러독스에 대한 고찰〉 중에서

■ 프린스턴 대학에서 쫓겨난 후 갈 곳이 없어진 데이비드 봄은 해외에서 활동 무대를 찾았다. 결국 브라질 대학에서 연구를 시작하였다. 그러나 국외로 나간 봄에게 또 다른 시련이 닥쳤다. 미국 태생의 미국인임에도 불구하고 또다시 국외 추방을 당한 것이다.
이렇게 기막힌 일을 몇 번이나 당한 봄은 영국에서 살 곳을 마련하여 다시 물리학 연구를 시작하여 이름을 날리게 되었다. 그것이 바로 반코펜하겐 학파라고 할 수 있는 독자적인 양자론의 해석이었다. 봄은 슈뢰딩거, 아인슈타인, 드브로이와 같은 실재론적 해석을 시도한 과학자들의 생각을 이어받아, ‘양자론의 실재론적 해석’이 가능하다는 사실을 1952년에 발표한 논문에서 입증해 보였다.
- 〈‘이단’의 물리학자 봄의 등장〉 중에서

 

 

편집자의 글 _ 양자론의 개념을 한눈에 보는 읽기 쉬운 양자론 해설서
글머리에 _ 불가사의하면서도 매력적인 ‘양자’를 향한 탐험
들어가기 전에 _ 양자론의 전체 흐름을 미리 알고 가자!



제1장_ 양자론의 확률적 해석, 슈뢰딩거의 고양이에 관해
\t1-1\t양자란 무엇인가
\t1-2\t양자론을 완성시킨 슈뢰딩거의 등장
\t1-3\t짧지만 핵심적인 양자론의 역사
\t1-4\t슈뢰딩거방정식을 해부하다
\t1-5\tΨ는 왜 파동함수일까
\t1-6\t파동함수 Ψ에 숨은 의미
\t1-7\t확률파를 이해하기 위한 기초
\t1-8\t확률파를 수축시키는 ‘관측’
\t1-9\t하이젠베르크의 불확정성원리
\t1-10\t실재론 vs 실증론
\t1-11\t‘슈뢰딩거의 고양이’ 패러독스에 대한 고찰
\t1-12\t‘슈뢰딩거의 고양이’의 현대적 전개

제2장_ 봄의 양자 퍼텐셜로 본 ‘이단의 양자론’
\t2-1\t파동과 입자로 해 본 이중 슬릿 실험
\t2-2\t양자를 이해할 수 있는 또다른 이중 슬릿 실험
\t2-3\t양자론으로 밝혀낸 원자의 모습
\t2-4\t‘이단’의 물리학자 봄의 등장
\t2-5\t숨은 변수란 무엇인가
\t2-6\t스핀 변수와 슈테른·게를라흐의 장치
\t2-7\t스핀 변수도 관측하지 않으면 정해지지 않는다?
\t2-8\tEPR 패러독스와 벨의 정리
\t2-9\t베르틀만 박사의 양말
\t2-10\t벨의 부등식
\t2-11\t양자얽힘이란 무엇인가?
\t2-12\t실재론을 잠재운 아스페의 실험
\t2-13\t데이비드 봄의 ‘반란’
\t2-14\t양자 퍼텐셜은 어떤 모양인가?
\t2-15\t양자 퍼텐셜과 경로
\t2-16\t불확정성이 확률적인 예측을 낳는다
\t2-17\t터널효과의 코펜하겐해석
\t2-18\t봄에 의한 터널효과 해석
\t2-19\t터널을 통과한 양자의 경로
\t2-20\t뉴턴역학에 브라운운동을 합한 양자론?!
\t2-21\t‘봄 학파 양자론’에 관한 보충 해설

제3장_ ‘무한대 해의 난제’를 해결한 파인먼의 재규격화
\t3-1\t수학에서 본 재규격화의 예
\t3-2\t재규격화이론을 생각한 물리학자들
\t3-3\t파인먼다이어그램 입문
\t3-4\t파인먼스코프 사용법
\t3-5\t과거와 미래의 의미
\t3-6\t진공편극
\t3-7\t무한대 해의 난제
\t3-8\t‘섭동’이라는 수학적 방법
\t3-9\t흐름결합상수
\t3-10\t‘제한’과 고차의 재규격화
\t3-11\t머릿속에 쏙쏙! 양자론 개념 총정리

부록
■ 파인먼다이어그램을 보는 방법
■ 소립자 목록
■ 자연계에 존재하는 네 가지의 기본 힘
■ 양자론을 더 깊이 알고 싶은 이들을 위한 엄선 도서