“양자역학, 세상 모든 것을 설명하는 이론” 800만 조회수, 최고 인기 과학 전문 팟캐스트 [과학하고 앉아있네]를 책으로 만난다! 듣는 재미에서 읽는 즐거움으로 더욱 논리적이고 풍부한 지적 경험 “당신이 알고 있는 것을 당신 할머니가 이해할 수 있도록 설명하지 못한다면 진정으로 이해한 것이 아니다” ―앨버트 아인슈타인 * 이 시리즈는 ‘지금-여기’의 과학적 이슈와 주제를 골라, 우리 모두의 폭넓은 공감을 추구하는 토크형 ‘스낵 사이언스Snack Science’입니다. 현대물리학의 양대 산맥, 양자역학과 상대성이론 양자역학은 상대성이론과 함께 현대물리학의 양대 산맥으로 불리고 있다. 하지만 미국의 물리학자 리처드 파인만도 “양자역학을 아는 사람은 아무도 없다”라고 말했을 정도로 양자역학에 대해서는 현재까지 약 100년 가까이 의견이 엇갈리고 있는 분야이다. 일반인들은 양자역학에 대해 관심과 흥미는 있지만 쉽사리 덤비지 못하는 편이다. 어렵기로 악명이 높은 양자역학을 ‘콕 찔러보고’, ‘한 번 더 찔러보듯’ 가볍게 접근하며 핵심을 명쾌하게 짚어서 이야기를 하는 책은 어디 없을까? 신간 『과학하고 앉아있네 4: 김상욱의 양자역학 더 찔러보기』는 동아시아 출판사의 스낵 사이언스(Snack Science) 시리즈 ‘과학하고 앉아있네’의 네 번째 책이다. 2015년 7월에 출간된 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』에 이어 2016년 3월에 출간된 4권은 양자역학의 심화편이라 할 수 있다. 부산대학교 물리교육과 김상욱 교수가 양자역학이라는 어려운 주제에 대해 명쾌하고도 쉽게 이해할 수 있도록 돕는다. “고전역학은 더 이상 통하지 않는다” ―기존 물리학을 발칵 뒤엎는 양자역학 양자역학은 뉴턴의 고전역학 개념이나 기존 세계관을 뒤흔들었다. 물리학은 모든 것을 운동으로 이해하고 거기서 가장 중요한 것이 원자의 운동을 이해하는 것인데, 양자역학은 한마디로 원자를 기술하는 학문이라고 할 수 있다. 하지만 그 원자의 구성물인 전자를 두 개의 구멍에 통과시키는 이중 슬릿 실험(Double-slit experiment)을 했을 때 ,입자인 전자가 파동성을 동시에 갖는다는 기존의 물리학을 발칵 뒤엎는 의외의 결과가 발생했다. 우리가 관측을 할 때 광자라고 불리는 빛의 알갱이가 전자의 위치에 영향을 주기 때문이다. 이것을 하이젠베르크는 ‘불확정성원리’라고 불렀다. 양자역학에서는 고전역학의 결정론은 더 이상 통하지 않는다. 우주는 이중성을 가지고 있고, 관측을 할 때 변화가 일어난다. 전자나 원자가 사는 세상과 우리가 사는 세상은 다른 종류의 역학을 사용해야 해서 미시세계와 거시세계로 구분하는데 ,이것은 ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 유명한 사고실험을 통해 모순이 생긴다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 우리가 사는 세상도 모든 것이 원자로 되어 있기 때문이다. 그래서 이러한 미시·거시세계의 구분을 애초에 하지 말고 우주 전체가 양자역학적으로 진행하고 있다고 생각하자는 ‘다중 우주’ 같은 ‘다세계’ 이론도 나오고 있다. 그렇기 때문에 양자역학은 ‘실재’와 ‘실체’의 문제를 이야기할 수밖에 없다. 미시세계의 양자역학은 측정이 대상을 교란시킨다. 실체를 알고 싶어서 관측을 했더니 그 실체는 더 이상 이전의 모습으로 존재할 수 없기 때문이다. 따라서 양자역학의 본질을 이해하기 위해서는 국소적일 수도 있고 실재적일 수도 있는 그 중첩상태를 받아들여야 한다. 그리고 양자의 중첩을 적용함으로 ‘양자컴퓨터’와 ‘양자전송’ 등 속도의 혁신을 가지고 올 수 있을 것이다. 두 권으로 담은 고전역학과 양자역학 핵심강의 양자역학에 대해서는 여러 가지 이론들도 많고, 아직까지 현재 진행형으로 남아 있는 분야이다. 하지만 그 어떤 이론보다 정확한 예측이 가능하기에 고전역학으로 설명하지 못하는 것들 양자역학을 통해 알 수 있다. 일례로, 양자역학이 없으면 도체를 설명할 수 없기 때문에 반도체를 이해할 수 없고, 따라서 지금의 컴퓨터나 스마트폰도 존재할 수 없다. 이해하기 어려울 수 있고 공부하려면 많은 시간이 필요할 수 있는 양자역학이지만, 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』에서는 짧은 시간 안에 양자역학의 핵심 개념을 이해할 수 있도록 쉬운 예시를 들어 설명하고 있다. 이 책은 실제로 고전물리학부터 양자역학까지 대학교 몇 학기 분량의 물리학 강의 내용을 담고 있다. 이해를 돕는 다양한 이미지, 어려운 내용을 보충하여 설명하는 팁박스 등을 통해 물리학이나 양자역학에 대한 사전 이해가 없는 독자들도 두려움을 갖지 않고 재미있고 기묘하고 심오한 양자역학의 세계를 맛볼 수 있을 것이다. 양자역학의 본질적인 이야기를 좀 더 심화해서 다루는 『과학하고 앉아있네 4: 김상욱의 양자역학 더 찔러보기』에서는 양자역학의 가장 어려운 개념인 ‘국소성’과 ‘실재성’, ‘실재한다’라는 양자역학적 의미 등의 이해를 돕고자 영화 [매트릭스]에 등장하는 빨간 알약, 파란 알약으로 설명한다. 그리고 이 빨간 알약과 파란 알약으로 간단한 양자역학 실험을 진행하면서 측정하기 전의 실체는 어떤 것인가에 대해 쉽게 설명한다. 양자역학의 본질을 꿰뚫으면서 김상욱 교수의 철학적인 깊이가 덧붙여진 명쾌하고도 깊이 있는 양자역학 안내서이다. 김상욱 교수의 900자로 이해하는 기발한 양자역학 소개 양자역학은 원자를 설명하는 학문이다. 원자는 그 크기가 1억 분의 1센티미터 정도에 불과하다. 이런 극미의 세계에서는 일상의 세상과 완전히 다른 법칙이 지배한다. 일상에서 야구공과 소리는 완전히 다르다. 야구공은 입자로서 위치를 정확히 알 수 있다. 소리는 파동으로서 사방으로 퍼져가며 여기저기 동시에 존재할 수 있다. 양자역학이 보여주는 놀라운 특성은 원자가 입자의 성질과 파동의 성질을 동시에 갖는다는 것이다. 이를 이중성이라 부른다. 입자로서의 원자는 질량을 가지며 속도를 가지고 움직인다. 파동으로서의 원자는 동시에 여기저기 존재하며, 하나의 원자가 둘로 갈라졌다가 다시 만나며 간섭할 수 있다. 원자가 이중성을 갖는다는 것은 기존의 물리법칙과 모순을 일으킬 수밖에 없는데, 이런 모순을 해결하기 위해 새로운 해석이 필요하게 된다. 현재 양자역학의 표준해석을 코펜하겐 해석이라 부른다. 이 해석에 따르면 원자와 같은 미시세계의 대상들은 측정하는 행위가 대상의 성질에 영향을 주게 된다. 이 때문에 원자의 위치나 운동량과 같은 물리량들을 동시에 정확히 결정하는 것이 불가능해진다. 이를 하이젠베르크의 불확정성원리라 부른다. 불확정성원리는 측정기술의 한계에서 오는 것이 아니라 자연이 가진 본질적인 한계이다. 이런 한계 때문에 자연을 완벽하게 기술하는 것이 불가능해지며 이 때문에 물리학에 비결정론이 도입된다. 즉, 원자와 같은 미시세계에서 미래를 정확히 예측하는 것이 원리적으로 불가능하며 오직 확률만을 알 수 있다는 것이다. 양자역학은 물리학뿐만 아니라 자연을 이해하는 철학 전반에 심오한 영향을 주게 된다. 양자역학의 등장으로 인류는 원자를 이해할 수 있게 되었고, 이는 화학, 분자생물학, 유전공학, 재료공학, 전자공학, 컴퓨터, 인터넷 등과 같은 20세기의 모든 첨단 과학기술의 밑바탕이 된다. 스낵 사이언스Snack Science, 언제 어디서든 쉽고 재미있게 읽는 유쾌한 과학 토크 2015년 1월에 스낵 사이언스 시리즈 1, 2권이 동시에 출간되었다. 『과학하고 앉아있네 1: 이정모의 공룡과 자연사』는 서대문자연사박물관 이정모 관장이 공룡에 대한 숨겨진 이야기, 공룡의 멸종과 인류의 출현에 대한 이야기 등으로 푸근한 입담을 과시한다. 『과학하고 앉아있네 2: 이명현의 외계인과 UFO』는 한국 세티(SETI) 이명현 위원장이 외계 지적 생명체와 탐사, 그리고 신비한 우주에 대한 재미있는 이야기를 소개한다. 3권 『과학하고 앉아있네 3: 김상욱의 양자역학 콕 찔러보기』에 이어 출간된 『과학하고 앉아있네 4: 김상욱의 양자역학 더 찔러보기』는 부산대 물리교육과 김상욱 교수가 가볍게 접근하는 양자역학 이야기에서 한 단계 더 나아가 심오한 양자역학의 세계를 깊이 있게 파헤친다. 『과학하고 앉아있네 5: 윤성철의 별의 마지막 모습, 초신성』은 서울대 물리천문학부 윤성철 교수가 우주 팽창의 비밀을 알려준 초신성에 대한 흥미진진한 이야기를 펼칠 것이다. “시간과 장소에 구애받지 않고 즐길 수 있는 스낵처럼, 출퇴근 시간이나 점심시간 등에 10∼15분 내외로 간편하게 문화생활을 즐기는 라이프스타일 또는 문화 트렌드”를 말하는 ‘스낵 컬처(Snack Culture)’. 이와 마찬가지로 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 ‘스낵 사이언스(Snack Science)’를 표방한다. 즉, ‘지금-여기’의 과학적 이슈와 주제를 골라, 우리 모두의 폭넓은 공감을 추구하고자 한다. 과학을 즐기고 소비하는 목적은 단순히 학술적 접근이나 상세하게 파헤치며 지식을 쌓는 것에 있지 않다. 이 시리즈는 오히려 그와 반대로, 대중의 눈높이와 함께하며 쉽고 재미있고 가볍게 읽는 책이라고 할 수 있다. 화장실에 갈 때, 출퇴근길 지하철이나 버스 안에서, 팟캐스트 방송을 재미있게 듣고 나서 그 내용을 다시 읽거나 골라 읽고 싶을 때 언제든지 볼 수 있는 책이다. 스낵 사이언스 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 가벼운 분량이라 읽을 때 부담감이 없다. 진행자 원종우의 재치 있는 입담과 대담자로 출연하는 각 분야 과학자들의 전문적이면서도 재미있는 토크가 책을 통해 술술 읽힌다. 방송에서 나온 대담을 그대로 글로 옮겨 과학적인 내용에 대한 부담감도 줄어든다. 진지하고 심각한 과학 이야기가 아닌 가볍고 편한 과학 이야기를 언제 이렇게 읽을 수 있을까? 책은 가벼운 분량이지만 그 주제와 내용은 결코 가볍지 않고, 해당 주제에 꼭 필요한 부분을 집약하여 담아내고 있기에 더욱 의미가 크다. 또한 유명한 과학자와 과학 관계자들을 이 시리즈를 통해 다양하게 만나볼 수 있다. 바로 ‘듣는 재미를 읽는 즐거움으로 승화’시킨 시리즈라고 할 수 있다. ‘과학하고 앉아있네’는 무엇? 과학과 대중의 고품격 콜라보레이션 ‘과학’이라고 하면 막연히 어렵고 딱딱하고 일반적인 대중들과는 거리감이 있다고 생각하기 쉽다. 실제로 과학에 관심이 있어 무언가를 소비하려고 해도, 그 ‘막연한 어려움’ 때문에 선뜻 다가서기 어렵다. 하지만 그런 대중에게 성큼 다가가 과학은 어렵고 딱딱하기만 한 것은 아님을 몸소 느끼게 해주며, 과학을 함께 즐길 수 있도록 하는 책이 바로 ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈이다. 이 시리즈는 동명의 과학전문 팟캐스트 방송을 책으로 엮은 것이다. 팟캐스트 ‘과학하고 앉아있네’는 과학 전반에 걸쳐 다방면으로 일하는 [과학과 사람들]이 만든 프로그램으로, 2013년 5월부터 대학로 벙커1에서 과학 토크쇼를 시작하여, 2015년 현재까지도 매주 1회 공개 토크쇼를 진행 중이다. 과학 강의나 강연 등 다양한 프로그램과 이벤트를 통해 과학을 해석하고 의미를 부여하는 “과학과 인문학의 만남”을 이야기하는 것이 바로 ‘과학하고 앉아있네’의 주제라고 할 수 있다. 현재 ‘과학하고 앉아있네’는 팟캐스트에서 조회수 약 800만을 기록하며, 최고 인기 과학 팟캐스트로 자리매김했다. 앨버트 아인슈타인은 “당신이 알고 있는 것을 당신 할머니가 이해할 수 있도록 설명하지 못한다면 진정으로 이해한 것이 아니다”라고 했다. 즉, ‘과학하고 앉아있네’ 시리즈는 과학이 어렵고 딱딱한 것이 아니라는 인식을 대중들에게 널리 퍼뜨리는 데 앞장서면서, 대중들과 함께 재미있는 과학 이야기를 하고자 하는 고품격 콜라보레이션을 추구한다. 다양한 과학자 및 과학 관계자들을 공개적으로 만나볼 수 있는 장을 마련하며, 그들과 함께하는 유쾌한 과학 토크쇼를 접할 수 있다는 것은 과학을 좋아하는 사람들에게는 사막의 오아시스와 같은 기쁨과 즐거움으로 다가올 것이다.

1. 축구공 위의 물리학자 2. 12월 5일에는 맥주를 마셔라 3. 숫자가 원자다 4. 바람둥이 물리학자 5. 측정이 파동을 입자로 만든다 6. 양자역학, 아인슈타인의 공격을 받다 7. 아인슈타인의 또 다른 한 방 8. 빨간 알약, 파란 알약 9. 존 폰 노이만과 데이비드 봄 10. 빛보다 빠른 통신이 없거나 실체가 없거나 11. 양자컴퓨터는 암호체계를 바꾼다 12. 측정하기 전 우주의 실체는 13. 실재한다는 것은 무엇인가? 14. 측정당하지 말아야 한다 15. 괴상하고 이상한데 잘 맞는 이론 16. 양자암호와 양자컴퓨터

자, 여기에 아이스크림이 있다고 해봅시다. 아이스크림의 맛을 알고 싶어요. 그러면 아이스크림의 일부를 떼서 입에 넣어야만 그 맛을 알 수가 있겠죠? 자, 그렇다면 아이스크림을 조금도 먹지 않고, 그러니까 아이스크림에 전혀 변화를 주지 않고 그 맛을 알 수 있을까요? 혀만 살짝 대서 아주 조금만 먹었어도 현미경으로 본다면, 또는 100만 분의 1그램까지 측정할 수 있는 정밀한 저울로 그 차이를 재면 변화를 알 수 있겠죠. 아이스크림은 이해가 쉬우실 텐데, 우리가 보는 것에 대해서는 좀 다른 것 같아요.본다는 것은 빛이 물체에 부딪혀 튀어나온 후 우리 눈에 들어오는 것입니다. 빛이 물체에 부딪히는 동안 교란이 전혀 없을 수는 없어요. 물론 대부분 물체는 너무 무거워서 빛에 맞더라도 별영향을 받지는 않는 것처럼 보이지만 말이죠. 아이스크림을 맛볼 때에도 아이스크림을 교란하지 않을 방법이 없는 것처럼, 어떤 물리량일지라도 측정을 하려면 그 대상을 아주 조금이라도 교란할 수밖에 없다는 겁니다. / 47-48쪽 내가 달을 볼 때, 양자역학에서 왜 바로 그 순간에 달이 거기에 나타났다고 이야기를 할까요? 측정의 과정에서 대상이 필연적으로 교란을 받는다면, 내가 본 달의 모습이 원래의 모습인지 교란을 통해 바뀐 모습이 알 수 없게 되죠. 결과만을 알고 있거든요. 그러니까 이런 관점에서는 실체가 없다고 볼 수 있는 거죠. 측정이 교란을하기 때문에 그 전에 어디에 있었는지를 모르는 겁니다. 하지만 교란을 하지 않는다면 상황이 다릅니다. 봤을 때 거기 있다는 이야기는, 보기 전에도 거기 있었기 때문에 거기에 있는 거예요. 당연한 걸 설명하자니 말이 꼬이네요. 암튼 이 경우는 결과가 대상의 본질을 그냥 드러내는 역할만을 합니다. 대상은 실체로서 존재한다고 말할 수 있는 것이죠. 아인슈타인이 실체를 이런 식으로 정의하려 했다는 것은 이미 양자역학의 측정문제를 염두에 둔 겁니다. 실체의 정의에 대한 이런 사실을 받아들인다면, 이제 아인슈타인은 양자역학이 그 자체로 불완전하다는 것을 보여줄 겁니다. / 64-65쪽 나는 생각합니다. 그래서 내가 존재하나요? 우리가 매트릭스 안에 있는 것이 아닌가 하는 질문일 수도 있죠. 양자역학이 말한 대로 정말 모든 것이 측정하는 순간에 만들어지는 거라면, 그 전에 대상이 존재했는가는 확실하지 않습니다. 대상에 대한 실재성에 의심이 가는 거죠. 저희가 마지막으로 정리할 것이 바로 실체라는 것의 의미가 무엇일까 하는 것입니다. 양자역학에서는 대상에 대해 알기 위해서는 대상을 관측해야 합니다. 만일 내가 우주의 모든 것을 알고 싶어요. 양자역학에 따르면 저는 우주 밖으로 나가야 됩니다. 우주 안에서는 결코 우주를 다 알 수가 없습니다. 최소한 나 자신을 뺀 우주의 나머지를 알 수 있을 뿐인데, 우주 전체에서 나를 뺀 나머지 우주가 전체 우주와 같을지는 잘 모르기 때문이죠. 우주 밖으로 나가서 본다는 게 무슨 말이죠? 우주의 정의는 밖이 없다는 것이거든요. 여기서 기묘한 모순에 부딪히게 됩니다. / 71-72쪽 양자역학은 실체나 물질이 아니라 상태 혹은 정보만을 이야기합니다. 양자역학이 말하는 상태는 고양이가 죽어 있는 것도 아니고 살아 있는 것도 아니고, 동시에 죽었거나 산 것도 가능한, 그런 것이 진실이라는 걸 이야기해주고 있어요. 그러면 우리가 실체에 대한 모든 것을 다 버리고 우주는 단순히 양자역학이 이야기하는 정보의 집합체이고, 단지 우주는 그 정보를 계산하는 것뿐이라고 생각 못할 이유가 뭐냐는 겁니다. 그 계산의 알고리즘이 양자역학인 거죠. 그러면 무한히 큰 계산기가 필요하냐? 그렇지 않다는 거예요. 10^90비트 메모리로 10^122번 계산할 수 있는 컴퓨터가 있다면 우주를 정보로 환원할 수 있습니다. 우리 우주가 컴퓨터로 시뮬레이션 될 수도 있다니, 정말 가슴 아픈 이야기일 수도 있어요. / 108-109쪽