도대체 양자란 무엇인가? 양자의 민얼굴을 들여다보다

“지금 작은 입자가 여러분의 몸을 관통했습니다.”
이 말을 믿는 사람이 있을까? 아무리 작다고 해도 입자가 몸에 부딪히면, 튕겨 나가거나 몸에 구멍이 생기거나 하며 크고 작은 영향을 남기기 마련 아닌가? 아무 느낌도 없이 몸을 통과한다는 것은 있을 수 없는 일 같을 것이다. 하지만 실제로 이런 일이 일어나고 있다. 우주 탄생 이후 ‘이보다 더 작게 만들 수 없다’고 정해진 물리량의 한계 단위를 ‘양자’라고 한다. 이런 한계가 있다는 사실을 모르는 사람도 있을 것이다. 일상에서 이런 한계를 느끼지 않고 생활할 수 있는 것은, 우리 몸이 이런 한계에 비해 지나치게 거대하기 때문이다. 이렇게 작은 입자가 우리 세계를 만들고 있으므로, 이 입자들을 이해하면 세상 모든 것을 이해할 수 있지 않을까 싶기도 하다. 그렇지만 이런 작은 입자들이 존재하는 양자 세계에서는 우리가 사는 세계의 상식과는 전혀 다른 현상이 일어난다.

그렇다면 양자는 우리 생활에서 어떻게 확인할 수 있을까?

양자 역학이나 양자 세계, 그리고 이 책에서 작은 입자라고 표현한 소립자에 관한 전문적인 책이 넘쳐나는 가운데 오제키 마사유키는 일반인을 대상으로 한 양자 책이 얼마나 의미가 있을까 하는 생각을 했다. ‘양자’라는 개념이 다소 낯설 수 있기 때문이다. 하지만 스마트폰, 레이저, 자기 부상 열차, MRI, 광합성 등은 모두 양자가 한 일이다. 또한 눈앞에 있는 종이부터 내 우리의 몸도 그 움직임, 우주의 모든 것이 양자 세계에 의해 조종되고 있다.

그렇다면 일상생활로 돌아가서 주변을 둘러보자. 우리 주변에도 양자 세계가 있다는 사실을 알아차릴 수 있을 것이다. 예를 들면, 지금 여러분의 눈앞에 있는 책상이나 의자도 작은 입자의 집합체다. 또 책상을 문지르면, 책상에서 검은 때가 나오는 것을 볼 수 있다. 책상 표면에 쌓여 있던 먼지가 깎인 것이다. 청소를 좋아하는 사람에게는 미안한 얘기지만, 우리가 생각하는 ‘청소를 한다’는 행위는 단순히 먼지를 이동시키는 것일 뿐이다. 책상에서 제거된 먼지는 닦을 때 사용한 걸레로 옮겨 가고, 걸레는 더러워진다. 걸레를 다시 사용하고 싶으면, 걸레를 빨아야 한다. 이때 사용하는 방법이 물로 씻어 내는 것이다.
비록 우리가 생활하면서 잘 알아차리지 못하지만, 실제로 작은 스케일의 세계인 양자의 세계가 우리 생활과 밀접하게 관련되어 있다는 사실을 알 수 있다. 눈에 보이지 않는 세계에서는 여러 가지 일들이 일어나고 있는데, 우리는 생활하면서 이를 별로 의식하지 않는다. 당연한 일로 받아들이고 있기 때문에 생각하거나 알아차릴 기회가 없었던 것이다. 작은 입자의 존재를 좀 더 알아보고 싶다는 생각이 들 것이다.

수식, 도표, 그래프 하나 없이 쏙쏙 이해하게 풀어낸 양자의 세계!

1장에서는 양자의 크기, 이중 슬릿 실험, 파동 함수, 빛의 입자, 슈뢰딩거의 고양이, 벽을 통과하는 기술을 쓰는 닌자 같은 양자의 움직임 등을 통해 ‘양자’라는 작은 존재의 개념을 파악할 수 있도록 했다. 2장에서는 우주와 생물의 구성을 양자로 살펴볼 수 있다. 우주는 양자의 변덕에서 시작되었다. 이 변덕이 이제는 거대한 우주 규모로까지 확장되어 되돌릴 수 없는 엄청난 변화가 되어 버렸다. 또한 매우 빠른 속도로 전기 입자를 세포 내로 보내 에너지를 발생시키는데 이런 작은 입자 덕분에 우리가 생명을 이어갈 수 있다. 양자의 움직임을 살펴보면서 평소 우주와 생물에 가지고 있던 수수께끼도 풀 수 있다. 3장에서는 후지코 F. 후지오의 작가의 인기 만화 ‘도라에몽’으로 양자의 세계를 쉽고 재미있게 이야기한다. 도라에몽이 가지고 있는 비밀 도구와 양자가 연관된 이야기를 읽다 보면 일상에서 과학이나 수학을 접할 일이 없는 독자들조차 양자 세계에 재미와 신기함을 느낄 수 있을 것이다. 마지막 장에서는 무어 법칙의 한계, 양자 컴퓨터, 항암제, 태양 전지, 인공 지능, 매트릭스의 세계 등 양자가 한 일 덕분에 비약적으로 발전하는 과학 기술의 세계를 다루고 있다. 이 책에서는 이 모든 이야기를 어떠한 수식, 도표, 그래프 없이 담아냈다. 이 책을 읽고 난 후에 우리 주변의 사실과 현상이 다르고 새롭게 보일 것이다.