‘양자역학’을 알아야 영화 [인터스텔라]를 제대로 즐길 수 있다 과학 교양인이라면 반드시 읽어야 할 물리학 입문서! 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 [인터스텔라]는 세계적인 물리학자 킵 손 교수가 제작에 참여하여 전문적인 천체물리학 지식을 스크린에 녹여낸 것으로 화제를 모았다. 일반 대중이 이해하기 너무 어려운 내용이지 않겠느냐는 우려와 달리 전 세계적으로 크게 흥행했을 뿐만 아니라 우리나라에서도 천만 관객을 돌파한 영화가 되었다. [그래비티] [마션] 등 우주를 배경으로 한 영화가 연이어 흥행하면서, 과학에 대한 대중의 흥미와 지적 호기심이 무척 높아지고 있음을 실감할 수 있다. 심지어 [인터스텔라]의 후속편에는 이러한 대중적 기호를 반영하듯 스티븐 호킹 박사가 참여하여 더욱 전문적인 내용을 담을 예정이라고 한다. [인터스텔라]를 본 관객들이라면 영화의 또 다른 주인공으로 주저 없이 ‘양자역학’을 꼽을 것이다. 물리학의 한 분야인 양자역학은 뉴턴역학과 상대성이론으로 대표되는 고전물리학을 뛰어넘어, 우주와 세상의 모든 현상을 설명하는 궁극의 이론이자 21세기 과학계를 선도할 학문으로 주목받고 있다. 하지만 [인터스텔라]의 양자역학을 제대로 즐긴 관객은 많지 않다. 왜냐하면 양자역학을 이해하기 위해서는 물리학의 기초 개념부터 탄탄하게 뒷받침되어야 하기 때문이다. 하지만 이것은 과학도가 아닌 이상 일반 독자에게 쉽지 않은 일이다. 기존에 나와 있는 양자역학 관련 도서들은 독자가 어느 정도의 물리학 기본기를 갖추고 있다는 전제로 내용을 전개하거나, 전공자들도 이해하기 어려울 정도로 깊이 파고들거나, 독자의 머릿속에 그려지지 않는 지루한 서술을 나열하고 있기 때문이다. 그런 의미에서 이번에 출간된 『만화 양자역학 7일 만에 끝내기』는 ‘과알못(과학을 알지 못하는 사람)’인 평범한 독자들도 쉽고 재미있게 물리학과 양자역학의 기본기를 다질 수 있는 매우 친절한 교양 과학 입문서이다. 이 책은 원자, 빛, 에너지, 중력 등 물리학의 기초 개념부터 정의하면서 차근차근 수준을 높여 힉스 입자나 초끈이론 같은 양자역학의 최신 성과까지, 차근차근 단계를 밟아 나가듯 아우르고 있다. 물리학과 양자역학의 핵심만을 요약했기 때문에 내용을 단기간에 파악할 수 있을 뿐만 아니라 [에반게리온]을 연상시키는 세련된 만화와 미소녀 캐릭터를 활용하고 있어 독자들의 읽는 재미를 더했다. 물리학의 기초 개념부터 최신 과학 트렌드까지 차근차근 단계를 밟아 나가며 이해하는 양자역학의 모든 것 ‘기초적인 물리학도 버거운데 어떻게 양자역학까지 이해할 수 있겠어?’ 특별히 과학을 좋아하거나 전공자가 아닌 이상 평범한 독자가 이런 생각을 하는 것은 너무도 당연하다. 하지만 양자역학은 아인슈타인이 상대성이론을 완성한 것처럼 어느 한 천재 과학자만의 업적이 아니다. 세계의 수많은 과학자들이 때로 협력하고 때로 경쟁하면서 발전시킨 이론이다. 그렇기 때문에 과학사의 흐름과 여러 과학자의 업적을 차근차근 쫓다 보면 어느새 물리학과 양자역학의 기초를 파악할 수 있다. 『만화 양자역학 7일 만에 끝내기』는 고대 그리스의 자연철학자 데모크리토스와 아리스토텔레스로부터 시작된 고전물리학이 뉴턴과 아인슈타인을 거치며 어떻게 발전했는지 그 과정을 살펴보고 있다. 그리고 1나노미터(10억 분의 1미터) 단위의 미시 세계의 특징들을 설명한다. 미시 세계에서는 우리의 상식이 통하지 않는 현상들이 발생한다. 그런데 이를 고전물리학으로 설명하려면 모순이 생긴다. 즉 고전물리학의 한계가 드러나는 것이다. 고전물리학으로도 설명할 수 없는 불가사의한 현상을 설명하기 위해 탄생한 것이 바로 양자역학이다. 이 책은 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 루이 드브로이, 슈뢰딩거, 막스 보른, 디랙 등 세계적인 과학자들의 실험과 관측, 가설과 논쟁을 통해 양자역학의 가장 큰 특징인 불확정성과 확률성을 살펴본다. 이를 통해 우리가 별빛을 본다는 것은 어떤 원리인지, 빛은 왜 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있는지, 우주가 탄생한 후 1만 분의 1초 동안 무슨 일이 벌어졌는지, 너무 짧아서 기술하는 것 자체가 의미 없는 플랑크 시간과 플랑크 길이란 얼마 만큼인지 알 수 있다. 더불어 이 책은 슈뢰딩거의 고양이 패러독스, 위그너의 친구 패러독스, 11차원과 다세계 해석, 만물의 이론 등 지금 현재에도 연구 중이며 수많은 논쟁을 불러일으키는 양자역학의 주요 쟁점들을 소개한다. 덕분에 『만화 양자역학 7일 만에 끝내기』는 미래의 과학자를 꿈꾸지만 입시 공부의 틀에 갇혀 제대로 된 물리학 입문서를 읽을 시간조차 내기 힘든 청소년들에게 탁월한 대안이 될 것이다. 물리학의 기본기를 탄탄하게 다져 주면서 최신 과학 트렌드까지 놓치지 않았기 때문이다. 일주일이면 입시에 필요한 과학 사고력은 물론이고, 과학 교양인으로서 필요한 기본 상식까지 자연스레 학습할 수 있는 것이다. 아인슈타인마저 부정했던 혁신의 이론, 양자역학 상식과 통념에서 벗어나 나와 우주를 바라보는 새로운 시각 얼마 전 미국의 유력 과학 전문지 [사이언스 뉴스]에서 세상을 뒤바꾼 혁명적인 과학 이론 10가지를 꼽았다. 이중 양자역학은 3위에 이름을 올렸다. 참고로 1, 2위는 각각 지동설과 진화론이고, 일반상대성이론과 특수상대성이론은 각각 4, 5위에 올랐다. 우리가 익히 알고 있는 것처럼 지동설, 진화론, 상대성이론은 단순히 과학 이론으로 그친 것이 아니라 인간 사회와 사고의 패러다임을 뒤바꾼 ‘역사적 사건’이다. 양자역학 또한 이들만큼 우리에게 중요한 의미를 지니고 있다. 하지만 양자역학이 150억 광년 너머의 우주만을 향하거나 원자 수준의 미시 세계만을 다루는 것은 아니다. 오히려 인간의 현대 문명은 양자역학을 토대로 발전했다고 해도 과언이 아니다. 우리가 CD와 DVD를 가지고 정보를 저장하고 음악이나 영화를 감상할 수 있는 것은 양자 수준의 원리가 적용된 레이저 기술 덕분이며 텔레비전, 컴퓨터, 스마트폰, 디지털카메라의 주요 부품인 반도체도 마찬가지이다. 태양전지로 움직이는 시계와 자동차, 신분증과 신용카드에 쓰이는 IC 회로, LED를 이용한 신호등과 조명 기구, 자기공명영상법(MRI), 자기부상열차까지, 일상의 곳곳에서 양자역학의 영향을 찾아볼 수 있다. 이처럼 양자역학은 우리와 떼려야 뗄 수 없는 이론이다. 하지만 20세기 초까지만 해도 아인슈타인을 비롯한 많은 과학자들이 양자역학을 부정했었다. 왜냐하면 세상의 원리를 명확하게 기술하려는 고전물리학과 달리 양자역학은 세상이 불확정적이고 확률적이라는 사실을 증명하는 이론이기 때문이다. 그리고 양자역학이 지닌 진정한 가치는 여기에 있다. 기존의 상식과 통념에서 벗어나 끊임없이 의문을 품고 새로운 가능성을 찾기 위한 노력이 바로 그것이다. 양자역학은 우주의 근원과 다양한 현상을 기술하는 이론이면서 궁극적으로 인간이란 무엇이고 어디로 나아가야 하는지에 대한 답을 구하려는 노력이다. 독자들은 이 책을 통해 인간과 세상, 일상과 우주를 바라보는 전혀 새로운 시각을 발견하는 경험을 하게 될 것이다. * 책속으로 추가 지금까지 발견된 기본입자의 그림을 전체적으로 통일시키는 것 이외에도 한 가지 중요한 과제가 남아 있다. 그것은 바로 발산에 관한 문제이다. 전자나 쿼크 등의 기본입자는 보통 크기가 없는 ‘점’으로 취급한다. 하지만 점으로 기본입자의 상호작용을 다루면, 입자 중심에 가까워질수록 전자기력이나 자기 상호작용 self interaction이 무한대로 발산하는 문제가 발생한다. 그래서 ‘점’이 아니며 유한한 크기를 가진 ‘끈(닫힌 끈)’을 착안하게 되었다. 물론 유한한 크기이지만 아주 작아서 거의 점과 비슷하지 않다면 지금까지 기술해 온 물리와 모순이 생긴다. 구체적으로는 플랑크 길이 Planck length (10-33cm) 정도의 아주 작은 ‘끈’이라고 생각한다(양성자 크기는 약 10-13cm). 아주 작기는 하지만 크기가 유한한 ‘끈’을 적용해 보니, 중력장의 문제나 양자장의 문제 모두 해결되면서 이 둘을 융합시킬 수 있을지도 모른다는 기대 를 갖게 되었다. 유한한 크기를 부여하자 종래의 점입자로 생각했을 때 최대 문제점이던 무한대로의 발산을 피할 수 있게 되었다. 또한 점이 아니라 크기를 갖게 되면서 ‘끈’의 진동상태라는 개념도 생각하게 되었다. ‘끈’의 진동상태를 각각의 기본입자에 대응시키면 기막히게 기본입자의 종류를 설명할 수 있다. 이처럼 기본입자가 ‘점’이 아니라 유한한 크기를 가진 ‘끈’이며, 유한한 크기를 가진 덕분에 상호작용의 발산을 피할 수 있게 되었다는 발상을 일반적으로 ‘끈이론 string theory’이라고 부른다. 그리고 이러한 입자를 ‘끈입자’라고 한다. -180쪽

들어가며 제1장. 양자론 이전의 미시 세계 -고전물리학의 묘사 1. 물체와 물질 그리고 원자와 분자 2. 원자와 원소 그리고 주기율표 3. 원자와 빈 공간 4. 진공과 에테르 5. 원자론과 에너지론 6. 전자의 발견 7. 방사능과 감마선의 발견 8. 원자를 원자로 쏘다 9. 양성자와 중성자의 발견 10. 입자로 이루어진 원자와 원자핵 : 고전물리학 11. 빛과 스펙트럼 12. 빛의 직진ㆍ반사ㆍ굴절 13. 빛의 분산ㆍ회절ㆍ간섭 14. 전기와 자기 그리고 전자기파 15. 파동인 빛과 전자기파 : 고전물리학 제2장. 이상한 미시 세계! -무너진 고전물리학 1. 왜 원자는 쪼개지지 않을까? 2. 빛은 입자인가, 파동인가 1 3. 빛은 입자인가, 파동인가 2 4. 희한한 광전효과 5. 희한한 열복사 6. 플랑크의 양자 가설 7. 아인슈타인의 광양자 가설 8. 입자처럼 행동하는 빛과 전자기파 : 양자론 9. 파동처럼 행동하는 전자와 물질입자 : 양자론 제3장. 띄엄띄엄한 미시 세계 -양자론의 시작 1. 불연속적인 세계 2. 수소 스펙트럼 3. 에너지 준위 4. 보어 모델 5. 양자조건의 의미 6. 보어의 대응 원리 7. 초기 양자론의 문제점 제4장. 미시 세계의 두 얼굴 -파동과 입자의 이중성 1. 단일 슬릿을 이용한 회절 실험 2. 이중 슬릿을 이용한 간섭 실험 : 고전물리학 3. 이중 슬릿을 이용한 간섭 실험 : 양자론 4. 전자도 자기 자신과 간섭한다 5. 콤프턴 효과 6. 스핀과 내부양자수 7. 파울리의 배타 원리 8. 페르미온과 보손 제5장. 2개의 길 -양자역학의 완성 1. 보이는 것이 전부 2. 하이젠베르크의 행렬역학 3. 가환과 비가환 그리고 행렬 4. 슈뢰딩거의 파동역학 5. 복소수와 허수의 해 6. 고유값과 양자화 7. 파동함수의 의미 8. 디랙 방정식 9. 양전자와 반물질 10. 쌍소멸과 쌍생성 제6장. 불확정적이며 확률적인 미시 세계! -새로운 아이디어 1. 모든 사건은 확률적으로 일어난다 2. 파동함수와 전자구름 3. 전자구름은 존재 확률의 구름 4. 확률적인 실험 결과 5. 불확정성 원리 6. 에너지도 불확정 7. 코펜하겐 해석 8. 신은 주사위를 굴리지 않는다 제7장. 우리 주변은 양자투성이? -양자론이 떠받치는 현대 문명 1. 형광등 불빛으로 피부가 그을리지 않는 이유 2. 어두운 밤하늘에서 빛나는 별이 보이는 이유 3. 방 안의 양자들 : 텔레비전, CD, DVD 4. 휴대품에서의 양자들 : 시계, 디지털카메라, 휴대전화 5. 거리의 양자들 : LED 신호등 6. 터널 효과와 에사키 다이오드 7. 교통ㆍ운송 : 자기부상열차 8. 의료 : X선, MRI, PET 제8장. 대칭의 세계 -입자물리학의 발전 1. 베타 붕괴와 중성미자 2. 핵력과 중간자 3. 이렇게 많아도 ‘기본’ 입자? 4. 쿼크의 등장 5. 자연계를 지배하는 4가지 힘 6. 힘의 통일이론 7. 역장도 입자가 전달한다 8. 힘을 전달하는 입자는 보손, 물질을 구성하는 입자는 페르미온 9. 초대칭 입자 10. 점입자에서 끈입자로 11. 초끈이론 제9장. 시공간과 세상의 이치 -양자론의 미래 1. 양자 진공 2. 카시미르 효과 3. 진공의 상전이 4. 제4의 상전이 : QCD 상전이 5. 제3의 상전이 : 와인버그-살람 상전이 6. 제2의 상전이 : 대통일이론 상전이 7. 제1의 상전이 : TOE 상전이 8. 질량의 의미 9. 힉스 입자와 힉스장 10. 시공간의 최소 단위 : 플랑크 스케일 제10장. 달은 그곳에 있을까? -양자론의 패러독스 1. 광자는 어느 쪽 슬릿을 통과했을까? 2. 광자는 자신이 갈 경로를 어떻게 알고 있을까? 3. 양자 상태의 중첩 4. 관측과 양자 상태의 수축 5. 슈뢰딩거의 고양이 6. 위그너의 친구 7. 에버렛의 다세계 해석 8. EPR 패러독스 9. 비국소성과 양자 얽힘 마치며

우리 주변의 물체나 물질은 원자나 분자라는, 눈에 보이지 않는 아주 작은 입자들로 이루어져 있다. 책상, 컴퓨터, 자동차처럼 형태가 있으면 ‘물체’라고 하고, 컴퓨터나 자동차의 재료가 되는 철이나 플라스틱을 ‘물질’이라고 한다. 공기나 물은 물질이지만, 같은 물 분자로 되어 있어도 얼음을 깎아서 조각상을 만들면 물체가 된다. 대상의 형태나 기능에 초점을 맞춘 경우에 물체라고 하고, 대상의 성질이나 움직임에 주목한 경우를 물질이라고 한다. 물질에는 고체.액체.기체.플라스마, 이렇게 4가지 상태가 있다. 물을 예로 들어 보자. 물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 물 분자로 이루어져 있다. 온도를 낮추면 물 분자 간의 간격이 좁아지면서 단단한 고체인 얼음이 된다. 얼음에 열을 가하면 1기압, 섭씨 0도(절대온도 273K)에서 액체인 물이 된다. 여기에 계속 열을 가하면 액체인 물의 표면에서 물 분자가 날아가며 수증기로 변한다. 온도를 더 높여 약 3,000K가 되면 물 분자를 구성하던 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 나뉜다. 그리고 약 10,000K를 넘으면 수소 원자가 플러스 전하를 띤 원자핵(수소의 경우에는 양성자)과 마이너스 전하를 띤 전자로 분해된다. 이것을 ‘플라스마’라고 한다. 물 분자처럼 물질의 성질을 가진 입자를 분자라고 하고, 산소나 수소처럼 가장 작은 구성 요소를 원자라고 한다. -18쪽 근대 과학이 확립되기 시작한 17세기 말~18세기 초, 빛의 정체를 둘러싸고 입자설과 파동설이 대립했다. 파동설을 주장하는 과학자로는 네덜란드의 명문가 자제로 영재 교육을 받고 자란 크리스티안 하위헌스가 대표적이었다. 만일 빛이 아주 작은 입자라면, 2개의 광선을 교차시켰을 때 입자끼리 충돌해야 하지만 광선은 그냥 지나쳐 버렸다. 이를 보고 하위헌스는 입자설이 틀렸다고 주장했다. 그러고는 빛의 직진이나 반사를 설명하는 방법으로 ‘2차 구면파’라는 개념을 제안했다. 다시 말해서 빛의 파동이 전달될 때 파면을 이루는 각 점이 파원이 되어 새로운 파(2차 구면파)가 만들어지면서 다음 파면을 형성한다고 생각했다. 이렇게 하면 반사의 법칙이나 굴절의 법칙을 잘 설명할 수 있었다. 이를 하위헌스 원리라고 한다. 반면 하위헌스보다 조금 앞서서 프랑스의 철학자이자 수학자인 르네 데카르트는 입자설로 굴절의 법칙을 설명했다. 한창 논란이 벌어지는 가운데 뉴턴은 1704년, 자신이 집필한 저서 『광학』을 통해 입자설을 지지했다. 당시 과학계의 거물이던 뉴턴이 입자설에 손을 들어 주면서 빛의 정체를 둘러싼 1라운드는 입자설이 승리하는 듯했다. -52쪽 하이젠베르크의 행렬역학은 원자 스펙트럼의 파장이나 세기 등 관측 가능량을 정확하게 계산해 냈다. 슈뢰딩거 방정식을 풀면, 양자수에 맞춰 띄엄띄엄한 에너지가 고유값으로 얻어지고 각각의 에너지에 해당하는 파동함수의 해를 구할 수 있다. 수소 원자의 파동 방정식을 계산하면 이미 측정된 발머 계열의 스펙트럼 파장이나 세기가 정확히 구해진다. 하이젠베르크의 방법도, 슈뢰딩거의 방법도 모두 수소 원자의 관측 사실을 정확하게 설명했다. 두 이론이 각각 제안되었을 때만 해도 방정식이 너무 달라서 어느 쪽이 맞는 이론인지 의견이 분분했다. 그러나 슈뢰딩거가 파동역학을 제창했던 1926년에 그가 직접 행렬역학과 파동역학이 수학적으로 같다는 사실을 증명하였다. 두 이론 모두 미시 세계를 잘 설명했다. 이로써 새로운 물리 이론인 양자역학quantum mechanics의 기본이 완성되었다. -116쪽