글을 시작하며 이 책을 잘 읽는 방법 용어사전 서문 물리학은 양자역학 이전과 이후로 나뉜다 양자역학의 문을 연 세 가지 난제 1부 일상에서 만난 양자역학 Quantum Leap 보어가 쏘아올린 작은 공 Quantum Leap 양자수, 원소의 특징을 만들다 세탁소에서 만난 양자역학 (오비탈, 파동, 원자모형) 오래된 간판이 누렇게 변하는 이유 (전자구름) 헬륨은 왜 다른 물질과 반응하지 않을까? (원자붕괴) Quantum Leap 빛의 정체를 밝혀라 스마트해진 기계들 (광전효과) MRI는 어떻게 우리 몸을 들여다볼까? (전자기파, 자기장) 암을 찾는 반물질, PET-CT (베타붕괴) 라돈침대와 반감기 (알파·베타붕괴) Quantum Leap 빛은 파동이면서 입자다? 팔방미인 레이저 (결맞음) 돋보기에서 전자현미경까지 (물질파, 양자터널링) 점점 진화하는 반도체 (밴드갭, 양자터널링) 궁극의 컴퓨터, 양자컴퓨터 (큐비트, 양자중첩) Quantum Leap 슈뢰딩거 방정식과 코펜하겐 해석 2부 자연에서 만난 양자역학 Quantum Leap 빛을 연구하다, 광학의 역사 무지개를 들여다보니 (빛의 파동성, 선스펙트럼) 양자역학의 시작이 된 ‘하얀 해’ (전자기파, 흑체문제) 태양이 빛나는 이유 (강한 상호작용, 양자터널링, 흑체문제) 붉은 노을, 푸른 하늘, 노란 태양, 하얀 구름 (레일리 산란, 미 산란, 전기 분극성) Quantum Leap 새롭게 등장한 양자생물학 우리 눈은 왜 자외선을 볼 수 없을까? (전자기파, 광전효과, 보어의 원자모형) 향기로 만나는 양자역학 (진동이론) 식물의 잎은 왜 녹색을 띨까? (광전효과, 공명전달, 양자터널링) 지구 자기장을 읽는 철새들 (자기장, 양자얽힘) Quantum Leap 지구에서 안드로메다까지 곧바로? 3부 양자역학의 세계로 Quantum Leap 지구에서 안드로메다까지 곧바로? 양자얽힘과 비국소성 Quantum Leap 표준모형, 가장 정확한 이론 기본입자 파헤치기 (표준모형) 원소의 마술사 중성자, 그 배후엔? (약한 상호작용) 쿼크가 홀로 존재할 수 없는 이유 (강한 상호작용) 우주에 질량이 생기다 (힉스 입자와 질량) 표준모형은 완전하지 않다? (표준모형의 한계) Quantum Leap 불확정성의 원리, 오해는 금물! 이들의 만남엔 뭔가 특별한 것이 있다 (반물질과 쌍소멸) 원자들은 어떻게 개성을 갖게 될까? (파울리의 배타원리, 양자수) 전자가 홀로 있어야 자석이 된다 (스핀 양자수와 자기장) 핵분열에서 핵융합으로 (강한 상호작용과 핵융합) 매질에 따라 정해지는 색 (들뜬상태와 바닥상태) Quantum Leap ‘대담한 전환, 새로운 시작’, 상보성 원리 글을 맺으며 참고도서

이렇게 고마운 양자역학이 기존의 고전물리학을 뛰어넘어 또 하나의 물리학적 관점으로 인정받기까지는 많은 과정이 있었습니다. 하지만 과학의 묘미는 이처럼 ‘언제든 뒤집힐 수 있다’는 것에 있지요. 양자역학이 이끌어 낸 ‘과학’적 관점의 변화는 ‘세상’을 바라보는 관점의 변화로도 이어집니다. 서문 ‘물리학은 양자역학 이전과 이후로 나뉜다’ 적외선 센서에서 온도계, 레이저 센서, 태양광발전에 이르기까지. 20세기 초 그 원리가 규명된 광전효과는 양자역학에도 중요한 역할을 했지만, 이를 이용한 다양한 장치들은 현대문명에 있어서도 필수적인 요소가 되었습니다. 1부 ‘일상에서 만난 양자역학’, 스마트해진 기계들 따라서 빛이 파동이란 주장은 아직 철회될 수 없습니다. 다만 어떤 경우에는 파동처럼 보이고 어떤 경우에는 입자처럼 보이는 것뿐이지요. 이 기묘함을 어찌할까요? 당시의 유명한 물리학자 막스 보른은 이렇게 말했지요. “월수금은 파동이 되고, 화목 토는 입자가 되었다가 일요일엔 푹 쉬는 게 빛이야.” 1부 ‘일상에서 만난 양자역학’, 빛은 파동이면서 입자다? 사실 분자 단위에서의 각종 현상이 양자역학적 원리를 바탕으로 이루어진다는 건 어찌 보면 당연한 이야기입니다. 하지만 기존 생물학에서는 양자역학적 원리까지 파고 들기 보다 고전화학으로도 생물체 내의 물질대사가 충분히 설명될 것이라 생각했었습니다. 또 양자역학적 현상이 두드러지기 힘든 것이 생체조직이라고도 판단했었지요. 양자역학적 현상은 그야말로 아주 작은 단위에서 일어나는데 생체 조직처럼 빽빽한 곳에서는 주변의 다른 물질들과 상호작용이 워낙 긴밀하고 자주 일어나니 양자역학적 효과가 나타나지 못할 것이라 생각한 겁니다. 그런데 21세기 들어 이런 생각이 조금씩 바뀌고 있습니다. 2부 ‘자연에서 만난 양자역학’, 새롭게 등장한 양자생물학 그런데 이 크립토크롬이 양자얽힘이 나타나는, 현재까지 발견된 유일한 단백질이다 보니 이를 이용해서 지구 자기장을 읽어내는 데 사용하는 방향으로 진화의 압력이 작용했을 수 있지요. 아니면 반대로 지구 자기장을 읽어내는 데 먼저 사용되다가 역으로 청색광을 감지하는 용도로 변경된 것일 수도 있고요. 어찌되었든 생명이 아주 오래전부터 양자얽힘을 이용해왔던 건 분명합니다. 2부 ‘자연에서 만난 양자역학’, 지구 자기장을 읽는 철새들 약력, 즉 약한 상호작용은 상당히 독특합니다. 다른 상호작용들은 서로 밀어내거나 당기는 힘으로 나타나는데 약한 상호작용은 그런 힘이 없습니다. 그래서 이게 무슨 힘이냐고 생각할 수도 있지요. 그러나 물질의 운동 상태나 성질을 변화시키는 원인을 힘이라고 한다면 약한 상호작용도 충분히 훌륭한 힘이 될 수 있습니다. 다만 약한 상호작용은 밀거나 당기지 않고 아예 물질을 바꿔버리는 힘입니다. 그리고 이 약한 상호작용 덕분에 이 우주에는 다양한 원소들이 존재합니다. 3부 ‘양자역학의 세계로’, 원소의 마술사 중성자, 그 배후엔?