필수정보

21세기 가장 논쟁적인 과학, 양자역학의 세계와 만나다!
10가지 혁신을 통해 살펴보는 양자역학과 우리 세계의 놀라운 비밀

누구나 한 번쯤은 ‘양자역학’이라는 이름을 들어봤을 것이다. 그러나 이에 대해 자세히 설명할 수 있는 이는 드물다. 여기에도 존재하고 동시에 저기에도 존재하는 입자? 다중 우주? 언뜻 듣기에는 매혹적이지만 그 개념을 이해하려 들면 골치가 아파지기만 하는 이 학문을 이해하기 위해 우선 원자의 세계부터 탐험해 보는 것은 어떨까? 우리가 가장 작은 단위 입자라고 생각하는 원자를 쪼개면서 시작하는 스테판 다스콜리와 아드리앙 부스칼의 『처음 떠나는 양자역학 여행』은 우리가 이제껏 알고 있던 물리학, 아니, 모든 시간과 공간 개념을 초월하는 가장 근본적인 세계로의 여행을 안내한다. 여행에 앞서 단 한 가지만 기억하면 된다. ‘이 세계에 대해서 잘 알지 못한다는 사실을 인정하는 것’이다. 내가 알고 있던 모든 개념을 의심하며 시작하는 이 여행은 가장 단순하게, 핵심 개념만을 선별해 양자역학을 설명하면서 이 학문이 우리 생활을 어떻게 혁신시킬지 소개한다.

여행에 앞서

1. 원자 쪼개기

원자를 찾아서
무한과 그 너머를 향해
속이 빈 원자
궤도에서 오비탈로
숨겨진 에너지
원자핵 제거하기
별들의 연금술
개념 요약: 원자

2. 태양 에너지 추출하기

감춰진 진실
그림자놀이
모든 빛을 관찰하다
기적의 해
광자의 탄생
태양, 지구의 배터리
빛의 두 얼굴
상보성 원리
개념 요약: 파동 입자의 이중성

3. 우주 이해하기

잘 조율된 원자
양자 도약
별 스캔하기
광자의 집단성
만능 레이저
우주에 귀를 기울이다
개념 요약: 빛의 방출

4. 무한히 작은 것 탐색하기

시선의 영향
장난꾸러기 전자
물질파
예측할 수 없는 것을 예측하기
입 다물고 계산이나 해!
평행 우주
벽을 통과하는 양자
나노미터 영화 만들기
개념 요약: 파동 함수

5. 비밀스러운 소통

암호 빼돌리기
손에 든 암호 키
양자, 독이자 해독제
앞면과 뒷면의 중첩 상태
스파이 정체 밝히기
해킹할 수 없는 암호 키
개념 요약: 중첩

6. 정보의 순간 이동

우연의 일치일까, 상관관계일까
텔레파시 장갑
미래는 정해져 있을까?
벨의 기발함
신호 속 잡음
양자 워키토키
구축 중인 네트워크
케이크는 없다
개념 요약: 얽힘

7. 그림자보다 빠르게 계산하기

골치 아픈 테이블 배치
정보의 코딩
풀 수 없는 문제
구원자 큐비트
양자 블랙박스
결 깨짐 극복하기
큐비트 전쟁
혁명일까, 망상일까?
개념 요약: 양자 계산

8. 정확한 시간 알기

귀로 계산하기
진공 속 개미집
움직이지 않는 것은 아무것도 없다
절대 영도를 찾아서
수정 없는 시계
잘 보이게 압축하기
시간 맞추기
개념 요약: 불확정성 원리

9. 종양 발견하기

자연의 방패
혼란스러운 원자
회전일까, 아닐까
자석의 비밀
위상 맞추기
스핀의 노래
개념 요약: 스핀

10. 자기 부상 열차

교환 가능한 개미들
페르미온과 보손
각각의 오비탈
결합의 힘
군중 속을 헤쳐 나가기
초전도체의 기적
미래의 열차
개념 요약: 페르미온과 보손

여행을 마치며
용어 설명
감사의 말
참고 문헌
찾아보기

원자의 구성부터 우주의 비밀까지,
우리를 둘러싼 모든 세계를 관통하는 양자역학과의 만남

‘양자역학’이라는 단어는 너무나 어렵고 멀게 느껴진다. 아마도 어디선가 접해 본 양자 역학의 개념이 우리의 기존 상식을 초월해 세계를 서술하기 때문일 것이다. 그러나 양자역학이 과연 그렇게 어렵기만 한 학문일까? 과학자가 아닌 이들은 이 학문을 이해할 수 없을까? 전혀 그렇지 않다. 너무 멀게 느껴지는 이 학문을 좀 더 가깝고 친근하게 느끼기 위해, 우리 생활 가장 가까운 곳에서부터 이야기를 시작해 보자.

『처음 떠나는 양자역학 여행』은 생일에 걸어두는 종이 인형으로부터 시작해 먼지의 움직임, 물잔 속의 물 분자 등 주변을 둘러보면 바로 눈에 띄는 것으로부터 우리가 알고 있는 가장 작은 입자 단위 이야기를 꺼낸다.‘원자는 어떻게 이루어져 있을까?’라는 질문과 함께 가장 작은 세계의 모양을 그리는 데서부터 시작하는 이 책은 우리를 친숙하면서도 낯선 양자역학의 세계로 서서히 안내한다. 가장 작은 입자 단위부터 시작해 가장 넓은 우주에까지, 양자역학은 그야말로 우리가 알고 있는 모든 세계를 서술한다.

최근 각종 영화와 공상 과학 소설을 장식하는 평행 우주는 과연 존재할까? 〈스타 워즈〉에 등장하는 무기를 실제로 만들 수 있을까? 언뜻 들으면 터무니없는 듯한 이러한 질문들도 양자역학의 세계에서는 진지한 이야기로 둔갑한다. 지금 내 손 안의 스마트폰에서는 어떤 기술을 이용해 정확한 시간과 위치를 측정하고 있을까? 암을 발견하는 MRI 장치는 어떤 원리로 작동할까? 양자역학의 세계는 그야말로 끝없이 확장해 나간다. 마치 우리 세계 전체가 그 범위 안에 들어갈 것만 같다.

해킹당하지 않는 암호, 극한의 속도로 날아가는 자기부상열차 등
상상을 초월해 세계를 변화시켜 나가는 양자역학의 놀라운 변신

빛은 어떻게 구성되어 있을까? 소리는 어떻게 전달될까? 시간은 어떻게 정확히 측정할 수 있을까? 수없이 뻗어 나오는 질문들에 하나하나 답하듯, 『처음 떠나는 양자역학 여행』은 양자역학이 이 세상을 어떻게 설명하는지, 더 나아가 이 세상을 어떻게 바꿔 가는지 이야기한다. 빛의 세기를 유지하며 먼 거리를 뻗어 나가는 레이저, 해킹의 불안함으로부터 해방시키는 양자 암호 체계, 마찰력을 없애 속력을 극대화한 자기부상열차 등 이미 실현되어 있거나 아직 개발 중인 아이디어들은 양자역학이 우리 세계를 어떻게 변화시켜 나갈지 가늠하게 해 준다.

지금 사용하는 컴퓨터보다 크기는 엄청나게 작지만 계산 속도는 훨씬 빠른 컴퓨터를 개발할 수 있을까? 게다가 정보 저장 용량까지 어마어마해서 무한히 많은 사진과 데이터를 저장할 수 있다면 어떨까? 양자역학은 이렇듯 우리 생활을 혁신적으로 변화시킬 아이디어를 끝없이 인류에게 제공한다. 레이저나 GPS, MRI 기계, 초고속 열차 등 이미 우리 생활을 개혁한 여러 아이디어는 양자역학이 우리 생활에 얼마나 가깝게 존재하는지 입증한다. 뜬구름 잡는 이야기만 같았던 과학이 우리 생활의 아주 작은 부분까지 개입해 있는 셈이다.

평행 우주론에서는 지금과 같은 우주가 시간이 지남에 따라 수없이 갈라져 나간다고 말한다. 과연 우주 어딘가에서 수없이 많은 내가 지금의 나와는 다른 일상을 보내고 있을까? 우리는 알 수 없다. 아직은 말이다. 그러나 양자역학과 함께 세계를 탐구하다 보면, 어느 정도 실마리는 보일지도 모른다. 그 세계로 들어가는 문을 열기 위해 『처음 떠나는 양자역학 여행』의 책장을 펼쳐 보는 것은 어떨까. 어려운 수식이나 복잡한 계산 없이, 우리에게 즐거운 이야기를 들려주듯 양자 세계로의 여행에 동행하는 이 책과 함께 현재 가장 논쟁적인, 그러나 우리가 꼭 알아야만 하는 과학의 세계로 들어가 보자.