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★ 이공계 진학 예정자 필독서\t\t★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업\t\t★ 오리지널 논문 영문본 수록

세상을 바꾼 양자역학, 그 시작에 불확정성원리가 있었다

‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터를 둘러싼 글로벌 경쟁이 치열해지고 있다. 구글, IBM 등 미국 기업이 상용화에 근접한 가운데 중국, 일본, 유럽 등 강대국들이 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 양자컴은 원자와 같은 미시세계를 다루는 양자역학 이론을 기반으로 만들어진다. 양자컴은 이미 수퍼컴퓨터보다 연산 능력에서 앞서면서 산업계에선 AI, 신약, 우주, 군사 분야에 활용하기 위한 개발 연구도 발빠르게 진행되고 있다. 한국도 오는 2035년 4대 양자강국 진입을 목표로 3조원을 투자할 계획이다. [조선일보 기사 2023.9.12.]

현재 우리가 사용하는 컴퓨터는 이진법 체계를 기본으로 한다. 0이나 1 둘 중 하나를 정보단위로 인식해 연산하는 것이다. 그런데 최근 대두되는 양자컴퓨터는 물리학의 양자역학을 바탕으로 새로운 논리를 제시한다. 양자역학의 불확정성원리를 응용하여 0과 1의 두 가지 상태를 동시에 표시할 수 있다. 그리하여 기존 컴퓨터보다 정보처리능력이 월등히 빨라진다. 지금의 슈퍼컴퓨터로는 1만 년이나 걸릴 문제를 단 몇백 초 만에 해결할 수 있게 된다.
양자역학은 세계를 바꾸어 놓았고, 현재도 미래도 그러할 것이다. 그 시작에 바로 하이젠베르크의 불확정성원리가 있었다.
하이젠베르크의 불확정성원리는 슈뢰딩거의 방정식과 더불어 양자역학 시대를 열었다. 이후 미시세계를 다룰 때는 고전물리학이 아닌 양자역학을 사용하게 되었다. 양자역학은 핵을 비롯하여 고체, 별의 연구에도 활발히 적용되어 핵물리, 고체물리, 항성물리 등 새로운 물리학 분야를 만들었다.
이 책을 읽으며 과학의 새 시대를 연 불확정성원리를 깊이 탐구해 보자.

너무나 혁명적이었던, 양자역학의 기본 바탕이 된 논문을 샅샅이 파헤치다
“논문의 내용이 너무 혁명적이어서 학술지에 투고할 자신이 없다.” -하이젠베르크
“누군가 양자역학에 대해 아무런 곤혹감도 느끼지 않는다면 그는 이 이론을 진정으로 이해하지 못한 것이다.” -보어

양자역학의 근간인 불확정성원리를 제대로 이해하기란 쉽지 않다. 그렇다고 수박 겉핥기처럼 훑고 넘어가자니 불확정성원리는 양자역학에서 매우 핵심적인 이론이다. 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 불확정성원리》는 과학과 역사 두 마리의 토끼를 다 잡는 노력을 기울였다.
먼저 불확정성원리에 제대로 접근하기 위해 이론을 확립하는 배경이 된 광학의 역사 이야기부터 시작했다. 빛의 입자설과 파동설, 그 종지부를 찍은 드브로이의 물질파 이론. 이들을 통해 불확정성원리로 들어가는 길을 수월하게 한다. 또한 책의 중심이 되는 하이젠베르크와 슈뢰딩거 논문의 이해를 돕고자 푸리에 급수와 해석역학에 관한 설명도 더했다.
이 책의 주된 특징은 노벨상을 수상한 위대한 이론에 대하여 그것을 역사적인 사실이나 배경만 설명하고 그치는 게 아니라, 논문의 핵심인 수식에 정면 도전한다는 것이다. 그래서 이 뛰어난 업적을 이룬 과학자의 마음을 느껴보고 노벨 과학상에 한걸음 나아가게 하는 것이 그 목적이다. 더불어 교수와 학생의 일대일 대화로 차근차근 수업하는 방식을 통해 좀 더 쉽게 다가갈 수 있게 하였다.

과학과 철학의 융합적 사고, 이 시대가 원하는 인재상 하이젠베르크

이 책은 중심인물인 하이젠베르크의 생애도 소개하고 있다. 이론 물리학자이기 때문에 갖는 선입견과 달리 그는 피아노 연주 실력이 수준급이었고 어린 시절부터 상당한 수준의 철학 교육을 받았다. 그가 저술한 책으로는 《물리학과 철학》 《부분과 전체》가 유명한데, 특히 《부분과 전체》에서는 양자역학에서 제기되는 온갖 철학, 윤리, 사회, 정치, 종교적 주제를 다루었다.
이렇듯 과학과 철학의 융합적 사고가 고전과학의 틀을 과감히 깨는 데 영향을 미치지 않았을까? 하이젠베르크야말로 요즘 시대가 원하는 인재상이라고 할 수 있다. 독자들도 그의 삶을 통해 융합적 사고의 필요성을 느끼고 세상을 폭넓게 바라보는 생각의 힘을 기를 수 있기 바란다.

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
양자역학의 문을 열다 _파인먼 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남│광학의 역사
스넬의 법칙 _빛의 반사와 굴절
페르마의 최소 시간 원리 _스넬의 법칙을 증명하다
훅의 법칙과 단조화 진동 _원래대로 돌아가자!
뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설 _빛은 입자일까, 파동일까
영의 실험과 빛의 파동설 _밝고 어두운 무늬를 관측하다
전자기파의 발견 _무선 통신의 시작

두 번째 만남│물질의 이중성
드브로이, 물질의 이중성을 주장하다 _파동과 입자의 성질을 모두!
물질파와 보어의 원자모형 _파동이 소멸하지 않는 조건
물질파의 발견 _실수가 만들어 낸 위대한 결과

세 번째 만남│푸리에 급수와 푸리에 변환
오일러 공식 _삼각함수와 지수함수의 관계
푸리에 급수 _주기함수를 사인과 코사인으로 나타내기
복소수로 나타낸 푸리에 급수 _한 걸음 더 나아가자

네 번째 만남│불확정성원리 논문 속으로
하이젠베르크의 젊은 시절 _새로운 양자 이론의 등장 전야
하이젠베르크와 보른의 대결 _행렬역학의 삼총사
하이젠베르크의 불확정성원리 _불연속 대 연속
보어의 양자화 조건에 대하여 _새로운 곱셈 규칙의 적용
양자 단조화 진동 문제 _양자론에서 나타나는 불연속적 위치의 이동
보른의 불확정성원리 _위치와 속도에 주목하다

다섯 번째 만남│해석역학의 역사
오일러의 변분법 _두 점 사이의 최단 경로
라그랑주의 해석역학 _변분법을 역학에 적용하다
해밀턴의 방정식 _다른 방식으로 역학을 기술하다
해밀턴-야코비 방정식 _작용이 만족하는 방정식

여섯 번째 만남│슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성
슈뢰딩거의 등장 _새로운 방정식의 발견
슈뢰딩거의 논문 속으로 _양자역학을 지배하는 방정식의 탄생
하이젠베르크-보른-요르단 관계식과 슈뢰딩거 방정식 _다르게 보이지만 결국 같은 것
보른의 확률 해석과 에렌페스트의 기댓값 _복소수 문제의 해결
슈뢰딩거, 양자역학으로 단조화 진동을 풀다 _하나의 답을 찾아서
불확정성원리의 완성 _동시에 정확하게 측정할 수 없다
하이젠베르크의 강연 _현미경 렌즈로 물체를 보는 가상 실험

만남에 덧붙여
On the Quantum Reinterpretation of Kinematical And Mechanical Relationships _하이젠베르크 논문 영문본
An Undulatory Theory of the Mechanics of Atoms And Molecules _슈뢰딩거 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다