19세기 산업은 전기의 시대, 20세기는 전자의 시대, 21세기는 양자의 시대이다.
왜 양자역학인가?

양자역학의 탄생이 100주년을 넘겼지만, 아직도 이 이론은 대부분 알려지지 않았거나 건강한 상식에 대한 도전으로 여겨진다. 분자, 원자, 전자와 같은 작은 크기를 갖는 계에 적용되는 역학을 연구하는 이 물리학은 현대인의 삶에 막대한 영향을 미치고 있는 많은 기술들의 이론적 바탕이다.

트랜지스터는 양자역학의 법칙을 기반으로 개발되어, 오늘날 사용하는 모든 전자기기들의 밑바탕이 되었다. 양자역학 없이는 레이저를 생각할 수 없으며, 양자역학 없이는 반도체 역시 불가능하다. 반도체가 없으면 현대적인 컴퓨터도 없고, 컴퓨터가 없으면 스마트폰 같은 간단한 장비도 있을 수 없다. 오늘날 자동차에 이르기까지 대부분의 현대적인 장비들 속에 컴퓨터가 들어 있다는 것은 자명한 일이다. 그렇게 양자역학은 산업 국가에 경제생활의 큰 부분을 지지하는 토대가 되었고, 이러한 기술 혁명이 세상을 완전히 바꿔 놓았듯이, 적어도 앞으로 100여 년은 양자역학이 주도하는 양자의 세기가 계속될 것이다.

승산의 파인만 시리즈, 그 열한 번째 이야기 퀀텀맨을 통해 파인만의 물리학을 만남으로써 21세기 물리학을 이끄는 양자역학을 이해할 수 있다.

20세기 물리학을 선도한, 양자역학의 영웅이었던 리처드 파인만.

2005년 승산에서 펴낸 파인만의 전기인 『천재-리처드 파인만의 삶과 과학』을 통해 저자 제임스 글릭은 스승으로서, 한 남자로서, 노벨상 수상자로서, 아버지로서, 언제나 유쾌하고자 했던 한 인간으로서의 리처드 파인만을 소개했었다. 하버드대학교에서 영문학을 전공했고, 10년간 『뉴욕타임스』의 기자로 활동하며 다양한 경험을 쌓은 글릭의 글재주는 전작인 『카오스』와 『아이작 뉴턴』이 퓰리처상 최종후보작으로 선정됨으로 검증되었고, 『천재』 역시 그에 버금가는 명저로 남았다.

『천재』가 나온 지 19년 만에 출간되는 새로운 파인만의 전기인 『퀀텀맨』은 뛰어난 물리학자이자 베스트셀러 작가인 로렌스 크라우스의 저서로 파인만이 직접 와서 보아도 고개를 끄덕일 수 있을 만큼 그가 남긴 연구의 형식과 내용을 모두 충실하게 표현하려고 애썼다. 파인만의 일화를 담은 전기들이 많은 독자에게 사랑받고 있지만, 파인만의 물리학은 독자에게 어렵고 생소하기만 하다. 파인만이 무슨 일을 했는지 물어본다면 대답할 수 있는 사람이 몇이나 될까. 크라우스는 서문에서 파인만이 많은 물리학자들에게 영웅으로 남게 된 이유를 물리학자가 아닌 대중에게도 보여주고 싶었다고 말한다. 세계적인 우주 물리학자인 크라우스의 친절하고 깔끔한 설명으로 쓰여진 『퀀텀맨』은 독자가 파인만의 물리학으로 건너갈 수 있도록 도와주는 디딤돌이 될 것이다.

양자전기역학의 난제를 쉽게 해결하는 강력한 도구, 파인만 다이어그램과 경로적분

파인만 다이어그램은 복잡한 수식 대신 여러 입자, 기호, 화살표, 장이 어우러진 그림으로 양자전기역학의 난제를 해결하는 강력한 도구이며, 경로적분과 함께 파인만의 물리학을 대표한다. 프리먼 다이슨은 파인만 다이어그램을 사용하면 평범한 사람들도 양자장이론의 복잡한 계산을 체계적으로 수행할 수 있음을 알아차렸고, 파인만 다이어그램을 담은 논문을 발표해 물리학계에 이를 전파했다. 다이슨은 훗날 회고록에 다음과 같이 적었다. "한스 베테 선생님의 가르침 아래 정통 이론을 사용해서 계산할 때는 몇 달 동안 종이 수백 장을 써가면서 계산해야 했다. 하지만 파인만 선생님은 칠판 위에서 30분 정도만 계산하면 같은 답을 얻어냈다."

호기심으로 시작해 파인만 혼자 사용하던 파인만 다이어그램은 코넬대학교의 몇몇 동료에게 알려지고, 그다음에는 다이슨과 다른 사람들을 통해서 프린스턴고등연구소나 다른 연구소 사람들에게 알려지다가, 그 이후로도 그 범위를 계속 넓혀서 결국에는 물리학 분야에서 권위 있는 학술지인 『피지컬 리뷰』가 발행될 때마다 어김없이 등장하는 기법으로 자리 잡았다. (본문 177-178쪽)

경로적분은 최소작용의 원리를 일반화하여 양자역학을 설명하는 방법으로, 시공간에서의 시작점과 끝점을 연결하는 무한히 많은 경로를 모두 다 생각하고, 그것을 더해서 양자역학적인 확률진폭을 얻는 것이다.
겔만은 이렇게 말했다. "파인만의 박사 논문이 그냥 공식화를 개선한 것에서 그치지 않고, 물리 이론에 근본적인 발전을 가져온 것임을 말해주는 징조들이 이제 등장하고 있는데, 파인만이 이 사실을 알았더라면 무척 즐거워했을 것이다. 양자역학의 경로적분 공식화는 기존의 공식화보다 더욱 근본적인 것일지도 모른다. 경로적분 공식화는 적용되는데, 기존의 공식화는 적용되지 않는 아주 결정적인 분야가 나타났기 때문이다. 바로 양자우주론이다. … 파인만을 위해궼도, 디랙을 위해서도, 나는 경로적분 방식이 양자역학의 진정한 토대, 따라서 물리 이론의 토대인 것으로 밝혀지기를 소망한다."(본문 289쪽)