불확정성 원리가 뭐지, 양자역학은

베르너 하이젠베르크가 1925년에 발표한 논문 “불확정성 원리”는 드브로이 물질의 이중성과 보어의 원자모형을 바탕으로 보어의 원자 모형에서 전자가 가질 수 있는 에너지가 불연속적임을 알았고, 이와 어울리는 전자의 위치와 운동량을 생각해낸 것이다. 그는 전자의 위치와 운동량을 수로 나타내면 전자의 불연속성을 설명할 수 없음을 알고, 이는 행렬, 연산자로 표현해야 하는 것을 발견, 이게 바로 불확정성 원리를 이루는 기본식이다. 고전 역학에서는 단조화 진동을 하는 물체의 에너지가 연속적으로 변하지만, 양자역학에서는 단조화 진동을 하는 전자의 에너지가 불연속적이라는 점이다.

그러면 불확정성의 원리는 뭐지, 정확히, 전자(電子)는 입자, 파동으로 해석될 수 있다. 하지만 미시 세계(우리가 인식할 수 없는 묘유의 세계, 공간의 세계로 세간과 함께하고 있으나 현상을 떠나 있는 것이다)에서는 뉴턴 역학이 성립하지 않는다. 즉 뉴턴의 역학인 고전 역학에서는 물체의 위치를 알면 미분으로 속도를 결정할 수 있지만, 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 미시 세계의 전자에 대해 우리는 위치도, 속도도 정확하게 할 수 없는 상태라는 것이다. 위치를 정확하게 측정하려고 하면, 운동량의 오차는 커지고, 반대로 운동량의 오차를 줄이면 위치의 오차가 커진다는 것이다. 거시세계는 뉴턴 역학(고전 역학)으로 해석이 가능하지만, 미시 세계는 해석하지 못한다는 말이다. 슈뢰딩거의 방정식은 왜 중요하지?, 고전역학의 입자문제는 뉴턴방정식, 전기와 자기 현상은 맥스웰, 양자역학은 슈뢰딩거 방정식으로, 하이젠베르크-보른-요르단 관계식과 슈뢰딩거 방정식, 다르게 보이지만 결국 같다는 것을 증명해야한다.

양자역학의 시대를 열다

하이젠베르크의 ＜불확정성 원리＞는 1926년에 나온 슈뢰딩거의 논문과 함께 양자역학의 시대를 열게 됐다. 이때부터 물리학자들은 미시 세계를 다룰 때, 고전 물리를 쓰지 않고 하이젠베르크의 불확성정원리와 슈뢰딩거 방정식을 사용하게 된다. 양자역학은 핵물리, 고체 물리, 항성 물리라는 새 분야를 만들었고, 파인만은 불확정성의 원리를 양자 전기기학에 적용하였고, 이로써 노벨 물리학상을 받는다.

이 책은 ＜불확정성 원리＞를 청소년들의 눈높이(일반 대중들도 그 정도)에서 쉽게 풀어썼다. 물리군, 수학양과 정교수의 대화법이라는 독특한 양식을 통해서, 물리군과 수학양이 묻고 정교수가 답을 한다. 구성은 여섯 번째 만남, 즉 6장 체제이며, 첫 번째 만남은 “광학의 역사”다. 빛의 반사나 굴절을 설명하는 스넬의 법칙과 빛은 입자일까 파동일까를 묻는 뉴턴의 입자설과 하위언스의 파동설을 소개한다. 두 번째 만남은 하이젠베르크의 불확정성 원리를 연구하게 된 “물질의 이중성” 드브로이의 물질의 이중성과 물질파와 보어의 원형을 설명한다. 세 번째는 오일러공식, 푸리에급수를, 그리고 나머지 만남에서 불확정성을 설명한다.

1920년대, 1924년부터 26년까지 3년 동안은 경천동지의 세상이 된다. 양자역학이라는 신세계의 문을 연 시기다. 이 책은 하이젠베르크의 불확정성 원리와 슈뢰딩거 방정식에 초점을 맞췄다. 이 시리즈 “세상에서 가장 쉬운 과학 수업”은 아인슈타인의 특수상대성이론, 방사선과 원소, 양자 혁명, 원자모형 등, 이름만 들어온 머리가 지근거리는 과학의 세계로 친절하게 안내해준다. 특히 오리지널 논문이 뒤에 실려있으니, 한번 독해 도전이라도 해 볼 욕심까지 품게 한다.

과학자의 사회적 책임은 어디까지인가?

하이젠베르크는 꽤 철학적이었나 보다. ＜물리학과 철학＞이란 책을 펴내기도 했으니, 특히 양자역학은 핵무기개발로도 이어지는데, 이른바 맨해튼 프로젝트, 얼마 전에 나온 영화 오펜하이머가 프로젝트의 과학적인 리더였기도 했다. 물리학자들은 자신들의 연구가 인류발전에 이바지할 것이라는 막연한 의무와 기대감이 얼마나 양면적인지를 몰랐다. 이들이 개발한 원폭이 일본의 히로시마, 나가사키에 투하됐다는 소식을 들은 과학자들은 핵 사용금지를 주장하고 나섰는데. 당시 이들의 심정은 어떠하였을까, 그들의 연구가 사람을 살리는 게 아니라 인류발전에 도움이 된 게 아니라 무고한 사람들을 죽이는 살상 무기가 됐다는 사실에.

이런 양면적 효과를 두고 과학자의 책임은 어디까지일까 하는 의문은 자연스레 담론으로 이어지는데, 하이젠베르크는 그의 책＜부분과 전체＞(서커스출판상회, 2023)에서 과학자가 그 책임을 지는 건 적절하지 않다고 밝혔다. 그는 과학발전은 세계적인 역사 과정의 일부이며, 과학자는 커다란 연관성 속에서 사물을 생각해야 하기에, 과학은 과학이라는 한 부분으로 존재하는 게 아니라 인류 역사의 전체적인 맥락에서 이해되어야 하기 때문이라고, 이를테면, 혁명과 전쟁, 극단적인 가치 전도 시대를 살아가야 했던 한 과학자가 자신의 경험을 바탕으로 과학을 인류 전체라는 통합적 문맥 속에서 봐야 한다고 주장했다.

과학의 시대라고 말하지만, 정작 우리가 아는 건, 과학자들의 이름 그것도 아주 유명한 사람들 외에는 모른다. 영화 ＜이상한 나라의 수학자＞ 무삭제 각본집(이용재, 나와숲, 2012)을 읽어봐도 좋을 듯하다. 여기에 오일러 법칙이 등장하니까말이다. 하이젠베르크의 업적은 과학과 철학의 융합적인 사고였다는 점을 기억해두었으면 한다.

＜출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다＞

양자역학 발전의 역사

책을 선택한 이유

양자컴퓨터 는 기존 컴퓨터의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목 받는다.

양자컴퓨터의 기초가 되는 양자역학은 최신 기술이 아니라

거의 백 년 전에 발견된 이론이다.

양자역학에 대해 알아보기 위해 "세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"를 선택한다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

첫 번째 만남 광학의 역사

두 번째 만남 물질의 이중성

세 번째 만남 푸리에 급수와 푸리에 변환

네 번째 만남 불확정성원리 논문 속으로

다섯 번째 만남 해석역학의 역사

여섯 번째 만남 슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성

으로 구성되었다.

첫 번째 만남 광학의 역사 에서는

양자역학의 탄생을 이해하기 위해서는

빛의 물리학인 광학의 역사부터 이해해야 한다.

그리스 헤론 은 빛에 관한 성질을 최초로 발견한다.

헤론 은 평면거울에 반사된 빛의 입사각과 반사각이 같음을 알아낸다.

네델란드의 스넬 은 빛의 굴절 현상에 대한 명확한 법칙을 밝혀낸다.

페르마는 페르마의 원리를 이용해 스넬의 법칙을 수학으로 증명한다.

영국의 훅 은 용수철 탄성 연구로 진동의 성질을 밝혀내 파동을 밝혀낸다.

뉴턴 의 빛 입자설과 하위헌스 의 빛 파동설이 대립하며,

영국의 영 은 이중 슬릿 실험으로 빛 파동설의 손을 들어준다.

헤르츠 는 빛이 전자기파임을 증명하고, 마르코니는 무선 통신 개발에 성공한다.

두 번째 만남 물질의 이중성 에서는

막스 플랑크 가 발견한 양자는 빛이 파동이라는데 의문을 제기한다.

빛을 이루는 광자는 빛의 파동설로는 설명할 수 없다.

드브로이 는 모든 물질은 파동과 입자 두 가지 성질을 가진다는

가설을 세우고, 물질이 지닌 파동의 성질을 물질파 로 정의하며,

보어 의 원자모형의 관계를 밝혀낸다.

미국의 데이비슨 과 거머 는 전자의 물질파를 발견하는데 성공한다.

세 번째 만남 푸리에 급수와 푸리에 변환 에서는

파인만 은 오일러 공식을 세상에서 가장 아름다운 공식이라 부른다.

오일러 공식은 삼각함수와 지수함수의 합과 차로 설명한다.

푸리에 급수 는 주기함수를 다양한 진동수를 가진 삼각함수의

합으로 나타낸다.

푸리에 급수, 푸리에 계수 식을 도출하고,

푸리에 급수를 복소수 지수함수로 나타내는 과정을 알아본다.

네 번째 만남 불확정성원리 논문 속으로 에서는

하이젠베르크 는 푸리에 급수를 이용해서 보어 의 원자모형과

어울리는 양자원리인 불확정성원리를 발견한다.

보른 과 요르단 은 양자 이론을 행렬을 이용해 묘사하는

행렬역학으로 입증한다.

하이젠베르크 는 전자가 고전 이론에 따라 원운동을 하는 경우,

주기운동을 하는 전자의 위치를 푸리에 급수로 표현하고,

전자의 고전 이론과 푸리에 계수 사이의 관계를 찾는다.

하이젠베르크 가 찾아낸 하이젠베르크 의 곱셈 규칙,

단조화 진동 문제를 양자 이론으로 설명한다.

보른과 요르단은 하이젠베르크 논문의 위치와 속도에 주목하고,

불확정성원리 관계식을 완성한다.

다섯 번째 만남 해석역학의 역사 에서는

오일러 는 오일러 방정식으로 두 점을 잇는 최소 거리를

만드는 곡선(직선)을 수학적으로 증명한다.

라그랑주 는 오일러의 변분법에 새로운 해석적 방법을 적용한다.

해밀턴-야코비 방정식 은 작용이 만족하는 방정식으로

슈뢰딩거 방정식의 기초가 된다.

여섯 번째 만남 슈뢰딩거 방정식의 탄생과 불확정성원리의 완성 에서는

슈뢰딩거 는 전자를 파동으로 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 제시한다.

하이젠베르크-보른-요르단 관계식 과 슈뢰딩거 방정식의 동일성 증명,

시간 의존 슈뢰딩거 방정식, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식,

전자의 위치와 운동량의 기댓값을 정의한 에렌페스트,

슈뢰딩거 방정식으로 풀어낸 단조화 진동 문제,

플랑크 상수 를 위치의 불확정성과 운동량 불확정성의 곱으로 정의하기,

불확정성원리가 거시 세계에서 느낄 수 없는 이유,

하이젠베르크 가 전자가 불확정성원리를 만족함을 설명한

강의 내용을 소개한다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

고대 그리스에 시작된 광학의 역사부터, 영자역학까지

과학의 발전 과정과 주요 과학 이론에 대해 소개한다.

그리스 헤론 이 빛의 반사를 연구하면서 빛의 물리학 광학이 시작된다.

스넬 은 빛의 굴절 현상의 법칙을 밝혀낸다.

뉴턴 의 빛 입자설과 하위헌스 의 빛 파동설이 대립하고,

영 은 이중 슬릿 실험으로 빛의 파동을 확인하고,

헤르츠 는 빛이 전자기파임을 증명한다.

막스 플랑크 가 발견한 양자는 빛 파동설로는 설명할 수 없다.

드브로이 는 물질이 지닌 파동의 성질을 물질파 로 정의하며,

보어 의 원자모형의 관계를 밝혀낸다.

파인만 은 오일러 공식을 세상에서 가장 아름다운 공식이라 부른다.

오일러 공식을 통해 푸리에 급수, 푸리에 계수 식을 도출하고,

푸리에 급수를 복소수 지수함수로 나타낼 수 있다.

하이젠베르크 는 푸리에 급수를 이용해, 보어 의 원자모형과

어울리는 양자원리인 불확정성원리를 발견한다.

보른 과 요르단 은 양자 이론을 행렬을 이용해 묘사하는

행렬역학으로 입증한다.

오일러 방정식은 두 점을 잇는 최소 거리를 수학적으로 증명한다.

해밀턴-야코비 방정식 은 슈뢰딩거 방정식의 기초가 된다.

슈뢰딩거 는 전자를 파동으로 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 제시한다.

하이젠베르크-보른-요르단 관계식 과 슈뢰딩거 방정식의 동일성 증명,

시간 의존 슈뢰딩거 방정식, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식,

전자의 위치와 운동량의 기댓값을 정의한 에렌페스트,

슈뢰딩거 방정식으로 풀어낸 단조화 진동 문제,

플랑크 상수 를 위치의 불확정성과 운동량 불확정성의 곱으로 정의하기를 알아보고,

거시 세계에서 불확정성원리를 알 수 없는 이유에 대해 살펴본다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

광학의 시작부터 불확정성원리까지 과학의 발전을 소개한다.

과학자에 대한 소개를 통해 과학사를 이해하고,

과학자들이 기존 이론을 어떻게 발전시키면서,

이론을 발전시켰는지 과정을 이해할 수 있다.

광학부터 시작된 초보적 과학이 양자역학으로 발전하는 과정에서

과학자들의 치열한 연구와 대립의 이야기는 흥미롭고,

뉴턴이 거인의 어깨 위에 있어서 멀리 볼 수 있었다고 한 말이

허언이 아님을 이해하게 된다.

거의 백 년 전에 발견된 양자역학이

지금에서 활용이 가시화 된다는 것도 놀랍다.

슈뢰딩거의 고양이로 상징되는

불확실하고 모호함의 대명사인 양자역학을

이론의 발전 과정과 공식의 도출 과정을 수식을 통해 살펴보면서,

양자역학의 개념과 원리에 대해 알 수 있다.

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"은

새로운 변화를 가져올 양자역학에 대해

이해할 수 있는 유용한 안내서다.

성림원북스 와 컬처블룸 서평단 에서

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성원리"를 증정해 주셨다.

감사드린다.

#세상에서가장쉬운과학수업 #불확정성원리 #광학의역사부터슈뢰딩거방정식의탄생까지

#정완상 #성림원북스 #컬처블룸 #컬처블룸서평단

양자역학이란, 매우 작은 양자에 대한 것을 다루는 과학으로, 원자와 기본입자의 규모에서 물질의 거동과 에너지와의 상호작용에 대해 설명한다. 19세기 말에 과학자들은 큰 규모와 작은 규모의 세계에서 고전물리학으로 설명할 수 없는 현상을 발견하였다. 관측된 현상과 고전 이론의 불일치를 해결하고 싶은 욕망은 상대성이론과 양자역학의 발전이라는 물리 분야의 큰 변혁을 일으켰고, 기존의 과학적 사고관을 변화시켰다.

위키백과

이처럼 눈에 보이지 않는 입자를 설명하는 학문이기에 잘 와닿지 않을뿐더러, 거시 세계의 움직임과는 전혀 다른 움직임을 보이기에 더욱 이해하기가 힘들다. 분명 물결처럼 퍼지는 입자였는데 하나로 보이거나, 분명 한 개의 입자인데 여러 곳에서 발견된다는 등의 믿기 힘든 학문이 바로 양자역학이다. 과연 이러한 학문을 일반인이 이해할 수 있을까? "양자역학은 이해하는 학문이 아니다"라는 말도 있을 정도로 난해한 학문이지만, 가장 쉽게 설명해 준다니 한 번 더 양자역학을 공부해 보기로 한다. 과학을 전공했고, 물리학을 좋아하기 때문에 양자에 관한 책은 여러 권 읽어보았다. 초반에는 "이게 맞아?" 싶으면서도 한 권 한 권 읽을수록 이를 이해하려 한다기보다는 "이러한 존재도 있구나" 하는 포용력을 발휘하게 된다.

이 책 ＜세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 불확정성 원리＞는 양자역학의 중요한 이론 중 하나인 불확정성 원리를 중심으로 설명한다.

불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량은 일정 수준의 정확도 이상으로는 동시에 측정할 수 없다는 것이다. 입자의 위치가 정확하게 측정될수록 운동량의 분산도(또는 불확정도)는 커지게 되고 반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 분산도는 커지게 된다.

나무위키

파동성과 입자성을 동시에 갖는 양자는 서로 상반되는 성질을 동시에 가지고 있어 이해하기 힘든 만큼 입자의 움직임이나 위치 또한 확실하지 않아 정의할 수 없다. 이러한 불확정성 원리는 독일의 과학자 베르너 하이젠베르크가 정의한 원리로, 애매모호한 개념을 수학적으로 풀이했다. 이뿐만 아니라 양자역학이 활발히 연구되던 이 시기는 각지의 많은 과학자들이 이론을 정의하고 대립을 하는 등 많은 발전을 이루는 시기였는데, 저자는 이 책을 통해 이러한 다양한 양자역학 이론들을 논문을 통해 차근차근 설명한다.

오리지널 논문을 다루기 때문에 수식이 다소 많이 나온다. 그래서 이 책은 불확정성 원리를 알고 싶은 일반인의 교양 도서이기보다는 시험을 준비하는 고등학생에게 특히 추천하고 싶다. 교과서로만은 잘 잡히지 않은 내용들을 이해하기 위해 이 책은 마치 참고서처럼 활용할 수도 있다. 중간중간 등장하는 과학자들의 이야기는 수식이 어려워 지루해질 때 즈음 마치 쉬는 시간처럼 흥미를 돋아준다.

성림원북스의 세상에서 가장 쉬운 과학 수업 시리즈는 본 책인, 불확정성 원리뿐만 아니라 방사선, 특수상대성이론을 다루는 시리즈도 출판되어 있다. 마치 일대일로 특강을 듣는 것처럼 보다 쉽고 재미있게 과학을 이해할 수 있을 것이다.

출판사로부터 책을 제공받아 작성한 서평입니다.

이 책은 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학시리즈로서 현재 5편까지 나온 것으로 알고 있으며, 앞으로 우리나라에서도 노벨상 수상자들이 나오길 바란다는 저자의 마음으로 꾸준히 집필을 하고 있는 것으로 알고 있다.

먼저 이 책을 읽고 드는 생각은 100여년도 전에 노벨상을 받으신 분들은 무슨 생각을 하셨길래 이런 논문을 작성하셨을까 라는 생각과 동시에 이런 논문을 만드셨으니 당연히 1년에 1번밖에 받을 수 없는 상을 받으셨을꺼라고 생각한다. 이 책을 읽고 노벨상을 받으신 분들은 과연 다르다는 절망보다는 불타는 도전의식으로 나도 노벨상을 받을 수 있을만큼 열심히 물리학에 정진하겠다는 사람도 많이 생겨 저자의 바램대로 우리나라에서 꼭 노벨상을 받는 분이 계셨으면 좋겠다는 생각도 든다. 다만, 저자의 서문처럼 이 책을 30%만 이해하더라도 대단한 사람이라고 했기 때문에, 이 책을 봐도 이해 못한다고 절망하기 보다는 원래 전부 이해안되는게 당연하다는 점에서 마음의 위안을 얻게 된다.

책은 크게 6편으로 나뉘어져 있으며, 때로는 인터뷰의 문답식처럼 때로는 신문기사처럼 논문의 저자와 관련된 내용을 소개하고 있기 때문에, 사실 책에 포함된 수식이나 그림을 보지 않더라도 매우 흥미진진한 책이다. 다만, 이 책의 원래 목적이 노벨상 논문을 이해하기 위해 알아야할 내용들을 소개하는 형식이라 당연히 이 책에서 소개하는 그림이나 수식은 반드시 살펴봐야 한다. 다만, 저자는 가능한한 쉽게 작성하려고 고심한 흔적이 보임에도 불구하고, 나와 같은 수준의 독자들은 이해하는데 한참 한참 걸린다는게 좀 문제이긴 한다. 때로는 수식을 계속 들여야 보기도하고, 정말 모르겠는 내용은 인터넷이나 유투브에서 찾아보면 어렴풋이 이해되는 부분이 있고, 오늘보고 이해안되면 그 다음날 보면 조금씩 이해되는 부분이 있기도 하다.

아쉽게도 한번에 이해가 안되는 부분이 많았지만, 들여다 보면 볼수록 조금씩 이해되는 부분이 있어서 때로는 멀리하고 싶거나 머리가 아파오지만, 조금씩 이해하는 부분에서 흥미를 느낄 수 있는 책이다.

* 이글은 출판사로부터 도서만을 제공받아 주관적으로 작성한 리뷰입니다

이 책을 저술한 정완상 교수는 과학을 좋아하는 아이라면 어디서 많이 들었던 이름이라고 생각할 것이다. 맞다. 내가 알고 있는 바로는 과학을 좋아하고 과학 분야로의 진로를 생각하는 많은 초등 고학년 학생들이 가장 흥미롭게 읽는 시리즈 과학공화국의 저자다. 물론 책에 소개된 정완상 교수의 두드러진 다른 활약상들도 확인할 수 있겠지만 그의 그 시리즈 하나만으로도 이 책의 제목을 수식하고 있는 문장 '세상에서 가장 쉬운 과학 수업'이라는 이 말이 거짓이 아닐 것이라고 충분히 여겨진다.

책의 핵심 내용인 불확정성원리는 분명 이해하기 어려운 내용이며 그 내용을 이해하기 위해 책 속에 기술된 복잡한 수식들을 쉽게 이해하기란 나와 같은 전공자가 아닌 독자들은 많은 어려움이 있을 것이라 생각한다. 하지만 그런 수식을 제외하고 저자가 이야기 하고자 하는 것은 왠만큼은 이해가 될 것이다.

책을 읽고 불확정성원리라고 하는 것은 우리가 사는 세상에서 물체의 위치를 알면 속도가 결정되지만 불확정성원리에 따르면 미시 세계의 전자에 대해서는 위치도 속도도 정확하게 알 수 없다는 것이라는 걸 알게 될 것이다. 이 때 우리가 사는 세상은 거시 세계로 설명되어지고 있다. 이것만으로도 이 책을 읽고 얻어야 하는 아주 중요한 것은 이해했다고 할 수 있지 않을까 싶다.

물론 이런 불확정성원리를 이해하기 위해서는 하이젠베르크의 불확정성원리가 위치의 오차와 운동량의 오차의 곱을 계산하면 플랑크 상수 정도의 크기가 된다는 것을 알아야 한다는 것도 알게 된다.

아울러 하아젠베르크의 불확정성원리에 관한 논문이 발표되면서 양자역학의 시대가 열렸다고 한다면 그 후 발표된 슈뢰딩거의 방정식이 소개된 논문과 더불어 이후 물리학자들은 미시 세계를 다룰 때는 고전물리학 대신 하이젠베르크의 불확정성원리와 슈뢰딩거 방정식을 사용하게 되었다는 물리학의 큰 변곡점을 만들었다는 것이다.

노벨상을 수상한 논문을 바탕으로 설명되어지는 과학원리이기에 결코 이해가 쉽지는 않지만 꼼꼼한 설명으로 대략의내용을 이해할 수 있도록 하고 있어서 많은 도움을 얻을 수 있는 좋은 책이라 생각한다. 특히 과학에 진심인 학생들이 읽는다면 많은 것을 얻을 수 있을 것이라는 확신이 든다. 기회가 된다면 시리즈의 모든 책들을 읽어보고 싶어진다.

*출판사로부터 도서를 제공 받아 읽고 주관적으로 작성한 글입니다.*

“세상에서 가장 쉬운 과학 수업 ? 불확정성 원리 (정완상 著, 성림원북스)”를 읽었습니다.

저자인 정완상 교수는 현재 경상대학교 물리학과에 재직 중인 물리학자로 대중과 소통하는 여러 과학 저작에도 열심인 분입니다. 이번에 읽은 “세상에서 가장 쉬운 과학 수업 ? 불확정성 원리”는 다른 대중 과학 서적에서 다루지 않는 과학 이론과 관련한 논문 그 자체에 집중하여 독자들에게 해당 과학 이론을 설명하는 방식을 채택하고 있습니다. 그러다 보니 제목과 달리 페이지를 넘겨가며 마냥 쉽게 읽을 수만은 없기는 합니다. 하지만 설명자체를 인터뷰나 강의 형식 등을 빌어 독자들의 접근을 보다 쉽게 하고 있습니다.

‘입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알아낼 수 없고, 두 측정값의 부정확도를 일정 이하로 줄일 수 없다”는 불확정성 원리는 양자역학(quantum mechanics)의 핵심 개념 중 하나입니다. 즉, 이 책은 양자역학에 대해 다루고 있다는 것을 알 수가 있습니다. 양자역학의 탄생을 설명하기 위해서는 그 개념을 어디서부터 설명해야 할까요? 볼츠만(Ludwig Boltzmann), 막스 플랑크 (Max Planck), 아인슈타인 (Albert Einstein)이나 드 브로이(Louis de Broglie)? 아니면 보어(Niels Bohr)나 하이젠베르그(Werner Heisenberg), 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger), 막스 보른(Max Born), 폴 디렉(Paul Dirac)?

저자는 그 역사의 시작을 고대 그리스 헤론(Heron)까지 끌어올립니다. 양자역학을 설명하는데 광학을 빼놓을 수 없고 빛의 성질을 다룬 광학의 역사는 헤론(AD 1C)부터 설명해야 하기 때문이지요. 헤론은 빛의 입사각과 반사각이 같음을 처음 알아냈고 네덜란드의 스넬(Willebrord Snel van Royen)은 빛의 굴절 법칙을 찾아냈습니다. 

이후 페르마(Pierre de Fermat), 훅(Robert Hooke)과 같은 당대의 수학자, 과학자들이 빛의 성질에 대한 연구를 이어갔고 이후 빛을 설명하는 이론은 뉴턴(Isaac Newton)의 입자설과 하위헌스(Christiaan Huygens)의 파동설로 나뉘게 됩니다. 하지만 토마스 영 (Thomas Young)에 의한 이중 슬릿 실험으로 인해 파동설이 대세로 자리잡게 되지만 아인슈타인의 특수상대성 원리에 영향을 받은 드 브로이에 의해 ‘물질파’, 즉 물질의 성질과 파동의 성질을 모두 가진 개념이 설명되면서 빛의 성질에 대한 논란은 일단락되게 됩니다.

수식이나 방정식이 있으면 책의 판매량은 그에 비례하여 줄어든다고 스티븐 호킹이 이야기했다고 하던가요? 이 책은 앞서 이야기한 양자역학의 역사를 설명하는데 있어 오리지널 논문을 바탕으로 진행하기 때문에 당연하게도 수식이 많이 나옵니다. 하지만 수식만 나열하는 식이 아니라 수식 중간 중간에 질문과 대답 형식으로 독자들의 이해를 돕고 있어서 (설명을 받아들이려는 의지만 있다면) 생각보다 어렵게 다가오지는 않습니다. 더구나 말이나 글로 설명할 때보다 오히려 개념이 명쾌하게 이해되는 효과도 있습니다.

이 책은 불확정성에 대한 이론을 집중적으로 설명하고 있지만 시리즈의 다른 책에서는 양자 역학과 원자 이론까지 설명하고 있어 전체적으로 읽어보면 양자 역학 전반적인 이해도가 높아질 것 같습니다.

#세상에서가장쉬운과학수업 #불확정성원리 #정완상 #성림원북스 #책과콩나무

※ 본 서평은 출판사로부터 도서를 제공받아, 직접 읽고 주관에 따라 서평을 작성하였습니다.