신은 주사위를 던지지 않는다라는 말을 남겼던 아이슈타인은 확률에 의한 불확정성 논리를 인정하기 꺼려했다. 물체의 상태는 뉴턴의 고전역학 이래로 위치, 운동량이 정해지면 이전 상태와 미래 상태를 예측할 수 있다고 여겨졌다. 하지만 전자의 크기처럼 작은 양자의 세계에서는 불연속적인 에너지 상태를 시작으로 위치가 정해지면 운동량을 알 수가 없고 운동량을 알면 위치를 정확히 알 수 없다. 상보 관계에 있는 위치와 운동량은 서로 동시에 측정이 불가능하다.

고전역학에서는 관찰을 통해 물리 현상을 이해하고 결과를 해석해 왔다. 관찰이란 행위는 본디 빛의 광자가 물체에 부딛친 후 되돌아오는 빛을 보고 결과를 해석한다는 말이다. 양자의 세계에서는 광자와 전자의 상호작용이 무시할 수 없는 물리량에 영향을 미치기 때문에 입자와 파동의 중첩 상태가 깨진다.

슈뢰딩거는 코펜하겐 해석을 비판하기 위해 사고실험으로 슈뢰딩거의 고양이를 제안했다. 1시간에 50%의 확률로 알파선이 붕괴하는 박스 안에 넣어 둔 고양이가 과연 살아 있으면서 죽은 상태인가를 묻는 실험이었다. 고양이의 어정쩡한 생사가 양자의 입자와 파동의 중첩 상태를 의미한다. 결국 고양이는 거시 세계에 살고 있으므로 박스를 뜯어 보지 않고도 살아 있든 죽었든 반드시 하나의 상태로 귀결짓는다고 결론내린다.

중고등학교 시절 물리를 멀리했지만 최근 양자컴퓨터, 양자암호 등 양자란 단어로 시작하는 기술이 자주 등장하고 있다. 이런 기술의 기본이 되는 양자역학은 무엇일까를 고민하던 중 이 책을 읽으면서 양자역학의 태동과 발전, 활용에 대해서나름 이론적인 토대를 쌓아 올린 듯 하여 뿌듯하다. 하지만 물리학자는 분명 평범한 사람은 아닌 듯 하다.

오늘의 책: 양자역학이란 무엇인가

-원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론

1900년, 막스 플랑크가 자신의 흑체복사이론을 전개하기 위해 시작한 양자역학이론. 1905년, 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해 플랑크의 아이디어를 이용해 빛 그자체가 양자화 되어 있다는 광양자설을 발표했다. 이후 보어와 아인슈타인의 논쟁으로 본격적으로 시작되었다고 볼 정도로 이 둘의 논쟁은 유명하다.

그렇다면 양자역학이 과연 도대체 뭘까? 양자역학은 원자와 이를 이루고 있는 입자들 같은 미시세계에서 일어나는 현상에 대해 탐구하는 현대물리학 분야이다. 현실 세계의 모든 존재들도 결국은 원자의 합으로 이루어져있다는 것이다.

아인슈타인의 상대성이론과 함께 물리학의 꽃 중의 하나라 불리는 양자역학! 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 폴 디랙 등에 의해 완성된 양작역학 이론. 우주발전분야(빅뱅, 암흑, 암흑에너지 등)에서도 아주 중요한 이론으로 자리잡은 양자역학!

남편이 양자역학에 관심이 많기에 읽게된 이 책!

물리학을 잘모르는 나로서는 조금 생소한 어휘들로 이해하기가 어려웠지만 남편은 너무 재밌게 읽었다. 설명도 해주면서 평소 자기가 궁금해했던 내용들이 다 나와있다고!!

내용은 어려웠지만 물리를 1도 모르는 내가 재밌게 본 부분은 여러 과학자들을 소개하고 있는 부분이었다. 우리가 알고 있는 과학자들에 대해 친절히 소개하고 있고, 내가 몰랐던 그들의 이론들도 쉽고 재밌게 읽을 수 있도록 서술되어있어서 과학자들에 한걸음 다가간 느낌이 들었다.

저자가 강조하듯이 이 책은 수식이 거의 없다. 그래서 일반인인 내가 봐도 어느정도 이해가 되는 부분이 많았고, 양자역학이 우리 사회, 과학 발전에 어떤 영향을 미칠지 예상해보는 재미가 있었다.

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최근 양자역학에 대한 대중의 관심이 늘어나고 있다. 하지만 양자역학은 너무나 심오하고 어려운 걸로 유명하다. 양자역학이 궁금하지만 선뜻 다가가지 못하는 사람들을 위해 이 책이 등장했다.

이 책은 양자역학 번역서라고 할 수 있겠다. 최대한 수학은 배제하고 시각적으로 설명하려는 저자의 노력이 담긴 이 책은 이 분야의 비전공자에게 한 줄기 빛 같다. 우리는 이 책을 통해 우리가 살고있는 양자론적 세계의 특성을 알 수 있다. 또한 양자역학의 역사와 현실에서 양자역학이 응용되는 사례들뿐만 아니라 양자역학과 관련된 재미난 이야기와 화학의 역사까지 엿볼 수 있다. 수학적·물리적 배경지식이 없는 사람에게는 이 독서가 어려운 여정이 될지도 모른다. 하지만 독자의 이해를 돕기 위한 저자의 해설과 다양한 부록, 마치 여행 가이드처럼 재치있게 우리를 이끄는 책의 진행 방식은 그 어려움을 덜어 준다.

양자론에 대한 의심과 확신이 오가던 20세기 초 물리학자들 간의 논쟁은 치열했다. 그중에서도 아인슈타인과 보어의 논쟁은 유명하다. 이들은 학문적으로는 첨예하게 대립했지만 그 모든 과정을 유쾌한 분위기 속에서 진행했다는 점이 인상적이다. 자기 분야에서 최선을 다하는 학자들의 아름다운 모습과 의견이 다른 두 진영 간의 건강한 논쟁은 학문의 발전에 크게 기여했음이 틀림없다.

이 책을 통해 본 수학은 너무나 매력적이었다. 수학은 우리가 직접 볼 수 없는 것들을 설명하고 예측할 수 있게 해준다. 특히 수학은 양자세계가 어떻게 작동하는지 들여다볼 수 있게 해준다. 이 점 때문에 많은 물리학자가 세상의 작동원리를 이해하는 도구로서 수학을 '이용'한다. 한 유명한 물리학자는 '문제 해결을 위해 수학을 좀 더 알았더라면..'하고 한탄하는데 너무나 충격적이었다! 그들에게 수학이란 언어이자 도구일 것이다. 그동안 내게 큰 장애물로만 보이던 수학이 이제 조금은 달라보인다. 수학은 아름다움과 우리를 이어주는 다리인 걸까?

물리적, 수학적 지식이 부족한 나에겐 이 책의 모든 내용이 생소하고 어려웠다. 하지만 생각의 지평을 넓혀준 특별한 책이라 칭하고 싶다. 내가 이 책을 통해 우리가 사는 세계의 양자적 특성과 양자역학의 연대기, 양자역학이 우리를 둘러싼 무수히 많은 것과 관련이 있다는 것, 양자역학이 현실에서 매우 유용하게 사용될 것을 알게 된 것만으로도 엄청난 수확이라 생각한다. 이번 독서로 나는 시야를 넓힐 수 있었고, 한 단계 성장했다. 이를 계기로 나는 물리, 화학 분야의 다른 책들도 읽어보려 한다. 그렇게 배경지식을 쌓은 뒤 한 번 더 이 책을 펼쳐보려 한다. 그리고 나중에 또 다시 이 책을 읽으며 양자세계의 매력에 다시 한 번 빠져보려 한다.

이 책은 양자론에 관하여 과학적 발견과 진화 과정의 역사를 따라가며 원리의 핵심을 설명하고 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 양자 이론으로부터 작동되는 다양한 사례들을 소개하는 과학도서이다.

책의 내용과 구성은 5개 부분으로 총 24개의 단원으로 구성되어 있지만, 내용적으로 보면 크게 2부분으로 나눌 수 있다: 전반부는 20세기 초반부터 나타나는 고전역학에 위배되는 양자역학적인 현상들을 이해하고 설명하기 위한 물리학자들의 활동과 양자역학의 사례들을 소개하고, 후반부는 양자역학의 본질이 우주론과 물질 구성의 화학적 성질을 묘사하는 기반적인 모습을 소개하고 다양한 분야에서 개발중인 양자역학의 응용과 발명에 대해 이야기하고 있다.

저자는 물리학자 마이클 워커 박사이다.

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대중적으로 양자역학에 대한 일반적인 인식은 한마디로 ‘난해함’이라고 할 수 있다. 심지어 물리학자마저 양자역학을 이해하는 사람은 제대로 이해한 것이 아니라고 할 정도로 일반 대중이 일상적인 영역에서 양자역학을 마주칠 일은 거의 없다.

양자역학이 처음 등장했을 때 어땠을까? 양자역학을 좀더 이해하기 쉬운 방법은 없을까?

이 책에서는 역사적으로 양자역학의 탄생 과정을 과학적 이론의 내용과 함께 서술하는 방식으로 접근하고 있다: 20세기 초반의 시대적 배경 속에서 과학적 연구 내용의 파악과 이론의 정립 과정을 함께 이해하는데 도움이 된다.

아울러 양자역학의 다양한 쓰임새에 대해서도 이야기하고 있다: 우주 과학이나 재료 화학처럼 다른 과학 분야에 영향을 끼치는 모습이나, 탄소섬유나 초전도체처럼 우리 일상에 적용된 응용 발명품들에 대해서도 소개하고 있다.

과학의 발전이 당장 눈 앞에 드러난 현상에 대해 작동 원리를 설명하고 이해하고자 하는 목적에서 출발하듯이, 20세기 초부터 기존의 확고한 인류의 지식인 고전 역학으로 해결이 안되는 문제 상황에서 양자역학이 출발하는 모습이 묘사된다:

예를 들면, 복사 현상에 대한 새로운 설명은 뉴튼의 과학 원리, 나아가 인류의 신에 대한 믿음과도 연관된 결정론적 세계관마저도 정면으로 부정해야 하는 양자역학의 탄생으로 이어지게 된다.

20세기 초반에 노벨상을 수상한 최정상 과학자들 사이에서 치열하게 펼쳐지는 연구 논박 과정은 과학 연구 메커니즘이 작동하는 모습을 흥미롭게 소개하고 있다: 예를 들면, 당대의 천재인 아인슈타인과 코펜하겐 그룹 간의 평화롭지만 팽팽한 양자역학을 둘러싼 논박 과정이 긴장감있게 그려지고 있다.

양자역학의 이론은 여전히 이해하기 힘들지만, 지금은 일상에서 만나볼 수 있는 양자역학 발명품들이 소개된다: 여기에는 자기부상열차나 MRI, 핵융합 장치처럼 낯익은 것들도 있지만, 양자컴퓨터나 나노 튜브의 탄소 섬유, 초전도체처럼 향후 개발해야 할 것들도 포함되어 있는 것도 인상적이다.

전반적으로 양자역학의 역사와 응용 사례에 대해 포괄적으로 소개하는 책이라는 생각이 든다.

원자부터 우주까지 밝히는 완전한 이론

전공자가 아닌 입장에서 양자역학을 이해하기 위해 선택한 도서로 조금이나마 양자역학이란 무엇인지 이해할 수 있길 희망하며 책을 펼쳤다. 

우린 과학과 기술에 절묘하게 의존하는 사회에 살지만, 과학과 기술을 조금이라도 아는 사람이 거의 없다.

칼 세이건

- 우리는 아름답고, 흥미로운 양자세계에 살고 있다. 우리 자신도 양자로 이루어진 존재다 모든 생명과 물질은 양자이며, 우리의 기술은 양자론을 이해하면서 점점 진보하고 있다. 하지만 대다수는 이 이론을 어렴풋이 알고 있을 뿐이다. p12

저자는 '호기심 많은 일반 독자가 이러한 양자세계를 쉽게 이해할 수 있도록'하려고 이 책을 썼다고 밝힌다. 

양자역학의 시초는 막스 플랑크로 '에너지 양자를 발견해 물리학 발전에 기여한 공로'로 노벨 물리학 상을 수상했다. 양자역학을 주제로 한 '제5회 솔베이 국제회의 참가자들'의 사진 속 인물들 중 많은 이들이 노벨상 수상자로 이 책을 읽으며 난 그저 그들의 똑똑함에 감탄할 뿐이었다. 

- 고전 물리학과 근본적으로 거리를 두게 된 시발점은 1905년 아인슈타인의 광전효과 분석이다. 그는 이 효과로 '양자'를 플랑크가 수학적 편의를 위해 사용한 항복에서 결국 (시간이 좀 걸리더라도) 받아들여야 할, 완전히 새로운 물리학 개념으로 바꿔 놓았다. p 34

이 책은 양자론과 양자역학이 어떻게 전개되었는지 실험과 견해, 관련된 사람을 기술한다. 그리고 이와 관련된 새로운 이론 제시 및 논쟁과 영향력을 살펴보며 토론에 판정을 내린 결정적인 실험을 이야기하는데 매우 흥미진진했다. 물론 모든 내용을 이해하기란 쉽지 않았지만 등장하는 과학자들의 인생과 개성을 별도로 박스에 넣어 들려주는 이야기는 더없이 흥미로웠다. 

양자역학이 어떻게 발전해 왔는지 시간의 흐름 순으로 비교적 상세히 나열하고 있다. 이를 통해 보다 체계적으로 양자역학에 대해 하나씩 차근히 배울 수 있었다. 나의 경우는 하나하나의 개념에 대해 완전히 이해하지 않은 상태에선 앞으로 나아가기 힘들어서 읽는 속도는 더디기만 했다. 그래서 첫째에게 별도의 설명을 부탁하기도 했는데 과학을 좋아하는 녀석이다 보니 기억하고 있는 내용이 제법 있어 도움을 받을 수 있어 다행이었다. 

읽었지만 읽었다고 자신 있게 말할 수 있는 책은 아니지만, 분명 양자역학에 대해 조금은 이해할 수 있는 기회를 준 도서임엔 틀림이 없다. 그리고 양자역학을 이해하기 위한 도전을 계속 이어가게 만드는 원동력이 된 도서가 되었다. 자, 지금부터 다시 이 책과 함께 양자역학이란 신비한 과학 속으로 여행을 떠나고자 한다, 첫째랑 함께. 원자로 이루어진 세상, 양자역학이 지배하는 세계가 궁금한 분들에게 강추한다. 어떠한 도서보다 만족을 얻을 수 있을 것이다. 

출판사에서 제공한 도서를 읽고 작성하였습니다.

양자역학은 보어와 아인슈타인의 논쟁으로 태동했다고 봐도 될 정도로 이 둘의 논쟁은 유명합니다. 이때가 양자역학의 초창기였고, 1927년 솔베이 국제회의때 찍은 사진은 보어와 아인슈타인의 거리만큼이나 양자역학논쟁의 중요한 사진이며 그때의 과학의 관계를 설명할때 항상 쓰이는 사진입니다. ＜양자역학이란 무엇인가＞는 양자혁명부터 이론의 전개, 한국에서도 누리호, 다누리호 등으로 우주에 대한 관심이 높아졌는데 빅뱅, 블랙홀, 초신성 등을 논하고, 양자론과 그 배경 마지막으로 초전도체, 핵융합, 반도체 등의 발명품의 원리를 설명해서 양자역학의 출발과 현재 응용(발명품)과 실용성까지는 다룹니다. 양자역학이 전자전기의 근원이고 그래핀, 나노튜브 등까지를 다룹니다. 

저자 마이클 워커는 은퇴한 물리학자이자, 재료과학자, 공학자, 발명가, 프로젝트매니저 등을 해왔다고 합니다. 학위는 MIT와 카네기 멜론대에서 학위를 했습니다. 연구분야는 초전도체이고 그 응용까지가 그의 연구분야입니다. 

리처드 파인만은 세계적인 물리학자입니다. 양자역학은 아무도 이해하지 못한다고 했습니다. 이는 본인포함이죠. 그는 양자역학을 설명하기위해 매우 많은 노력을 했지만 그는 설명하지 못했고 그냥 받아들여라로 넘어갔습니다. 이런 이유로 아인슈타인은 죽을때까지 양자역학을 인정하지 않았죠. 아인슈타인의 상대성이론도 이해하기 쉽지 않지만 이는 보이는 대상을 설명하는 것이지만 양자역학은 보이지 않는 원자수준의 이야기이고 그 원자도 측정을 할려고 하면 변화하는 대상이라 측정자체가 불가능한 영역이라서 인간의 이해에 문제가 생깁니다. 이런 과정을 거치면서 하이젠베르그(행렬역학), 슈뢰딩거(파동역학), 폴 디랙(양자역학) 등은 모두 영자역학에 관한 같은 결론에 도달하면서 원리를 완성합니다. 이럼으로써 고전역학의 절대론이 깨지고 파동함수의 통계적 해석으로 확률적으로 결론이 나는 아인슈파인이 말한 '신은 주사위놀이를 하지않는다'라는 이야기를 수학적 증명으로 뒤집었습니다. 하지만 인간의 이해로 왜 그렇게 되는지는 인간의 영역은 아닌듯이 모두 말합니다. 

최근 제임스웹 우주망원경이 허블망원경이 그간 찍은 우주사진을 능가하는 사진을 보여주고 있습니다. 이로인해 초신성과 블랙홀에 대한 연구가 급진전되고 있습니다. 이 우주부분에도 양자역학은 큰 영향을 주었다고 합니다. 끈이론, 빅뱅, 암흑물질, 암흑에너지, 등을 설명합니다. 솔직히 잘 모르겠습니다. ㅠㅠ 

이 책의 핵심부분으로 양자역학이 영향을 미친분야는 응용물리학, 화학, 재료과학, 공학, 금속학 등 범위가 넓습니다. 그중에서 초전도체는 미디어를 통해 많이 들은 분야죠. 초전도체는 전기적 저항없이 전류를 운반하는 능력이죠. 이를 근거로 자기부상열차가 가능합니다. 아직까지는 시험운전정도를 보이지만 일본은 2025년 상업운전을 목표로 준비를 하고 있다고 합니다. 현재 도쿄에서 오사카까지 15만원을 받는 일본이 자기부상열차는 얼마를 받을 지 궁금하군요. 자기부상열차는 아직 준비단계이지만 MRI스캔은 현재 사용하고 있는 분야입니다. MRI에 초전도체가 사용된다는 건 처음알았네요. 양자컴퓨팅도 연관이 된다고 합니다. 핵분열과 핵융합을 양자역학으로 이해할 수있다고 합니다. 특히 핵융합에서 도넛보먕의 토코막의 권선을 초전도성으로 하지 않는다면 경제성이 없다고 합니다. 말만 들어도 어렵지만 이렇게 된다는 것만 알아도 도움이 크죠. 그래핀의 경우 연구는 많이 되는 걸로 아는데 아직 경제성이 확인안된 물질입니다만 이를 레이저가공으로 에너지저장물질로 활용하는 방안이 연구중입니다. 이외에 반도체와 전자기기에도 많이 사용이 되고 있고 연구도 되고 있는 양자역학이론이 중요이슈로 활용됩니다. 

물리학자 폴디랙은 양자역학을 수학중심으로 연구했고, 하이젠베르그나 파인만도 수학적으로는 완벽한데 이해는 안된다는 점에 많은 고심을 했습니다. 결국 양자역학은 수학과 수식과 떼어낼수없는 분야죠. 하지만 이 책에는 수식이 거의 보이지 않습니다. 사실 연구자나 전공자 아니고서야 수학이 왜 필요하겠어요. 더우기 이 책은 양자역학의 개념과 논쟁사와 양자역학의 응용에 촛점을 맞춰서 앞으로 양자역학이 우리 사회, 우리 과학에 미칠 영향을 알수있도록 구성했습니다. 이 책을 통해 양자역학의 대충의 의미(?)와 그것을 통한 활용(응용과 발명)이 어떤 기술이 있는지를 살펴보고 앞으로 우리 세상의 변화를 예측해보는 것이 가장 좋은 활용법이라는 생각이 듭니다.

본 도서는 출판사로부터 무상으로 제공받아 주관적일 리뷰를 했습니다.